삼성 vs TSMC, 새해 '2세대 3나노 공정' 진검승부...수율이 관건

삼성전자와 대만 TSMC가 연내에 2세대 3나노미터(mn) 공정 양산을 시작하며 경쟁에 돌입할 예정이다. 두 회사는 2022년 1세대 3나노 공정에 이어 약 2년 만에 차세대 공정에서 칩을 생산한다는 점에서 주목된다. 2세대 3나노 공정은 성능뿐 아니라 수율 향상 여부에 따라 대형 고객사 확보에 영향을 미칠 것으로 보인다.

삼성전자는 2022년 6월 세계 최초로 3나노(SF3E) 공정 양산을 시작한데 이어 올해 2세대 3나노(SF3) 공정 양산을 앞두고 있다. 앞서 삼성전자가 지난해 5월 일본 도쿄에서 개최된 글로벌 반도체 학회 'VLSI 심포지엄'에서 공개한 정보에 따르면 2세대 3나노 공정은 1세대(SF3E) 보다 향상된 게이트올어라운드(GAA) 공정을 적용했다.

2022년 6월 30일 삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. (사진=삼성전자)

그 결과 2세대 3나노 공정은 삼성전자의 이전 4나노 핀펫(FinFET) 공정 대비 성능이 22% 빨라지고, 전력 효율은 34% 향상됐으며, 로직 면적은 21% 더 작은 크기를 제공한다. 삼성전자는 2세대 3나노 공정에서 글로벌 서버향 업체를 고객사로 확보한 것으로 알려졌다.

TSMC 또한 2022년 12월 3나노(N3) 공정 양산에 이어 올해 상반기 2세대 3나노(N3E) 공정을, 하반기에 고급 공정인 3나노(N3P)에서 칩 양산을 시작할 계획이다.

TSMC에 따르면 1세대 3나노(N3) 공정이 5나노 공정(N5) 보다 성능이 10~15% 증가하고 전력소비가 25~30% 감소했다면, 2세대 3나노(N3E) 공정은 성능이 18% 증가하고 전력소비 32% 감소하며 업그레이드됐다. 또 N3P 공정은 N3E 보다 성능이 5% 향상, 전력소비가 5~10% 감소, 칩 밀도가 1.04배 증가했다.

TSMC는 2세대 3나노 공정 고객사로 애플, 미디어텍, AMD, 엔비디아, 퀄컴 등을 확보한 것으로 알려져 있다. N3E 공정에서 생산되는 칩은 하반기에 출시되는 아이폰16용 모바일 프로세서(AP) 'A18 프로'가 대표적이다.

삼성 3나노부터 GAA 선제적 도입, TSMC 핀펫 유지…수율 확보 중요

3나노 공정은 삼성전자가 차세대 트랜지스터 구조인 GAA를 채택했고, TSMC는 기존 공정인 핀펫(FinFET) 구조를 유지하고 있다는 점에서 차이가 있다. GAA는 채널의 3개 면을 감싸는 기존 핀펫구조와 비교해, 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 기술로 꼽힌다. TSMC는 2나노 공정부터 GAA 구조를 적용할 계획이다.

삼성전자 파운드리 사업에 정통한 업계 관계자는 "삼성전자가 GAA를 일찍 도입한 결과 2세대 3나노 성능이 1세대 보다 안정화됐다"라며 "첨단 공정이 궁극적으로 GAA 구조로 가고 있는 만큼, 먼저 노하우를 쌓은 삼성전자가 유리할 수 있다"고 말했다.

이 관계자는 또 "삼성전자가 2세대 3나노 공정에서 수율을 높인다면, '반격'의 계기를 마련해 TSMC와 진검승부를 할 것"이라고 덧붙였다.

TSMC도 2세대 3나노 공정에서 수율 확보가 절실한 상황이다. 그동안 TSMC는 수율이 70%를 넘어야 애플로부터 웨이퍼의 제값을 받아 왔는데, 1세대 3나노 공정 수율이 70%에 도달하지 못하자, 동작하는 칩(KGD·known good die)만 판매하기로 계약한 바 있다. TSMC 입장에서는 손해를 보더라도 애플과 같은 대형 고객사를 유지하는 것이 낫다고 판단했기 때문이라는 해석이다.

업계 관계자는 "작년에 TSMC가 3나노의 낮은 수율 때문에 투입된 웨이퍼 단위로 가격을 받지 않고, 양품의 칩만을 애플에 청구하는 방식으로 계약한 것은 이례적인 케이스"라며 "TSMC도 2세대 3나노 공정 수율을 높여 애플 외에 여러 고객사를 확보하는 것을 목표로 할 것이다"고 말했다.