Gate-All-Around(GAA) 차세대 트랜지스터 기술 최초 상용화
3나노 1세대는 5나노보다 전력 45%↓ 성능 23%↑ 면적 16%↓ 향상

▲ 3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. 사진=삼성전자
▲ 3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. 사진=삼성전자
투데이코리아=김정혁 기자 | 삼성전자가 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노(㎚, 나노미터) 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 밝혔다. 이로써 향후 미세공정 경쟁에서 세계 1위인 대만 TSMC를 상대로 앞서갈 수 있다는 자신감을 얻게 됐다.

삼성전자에 따르면 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스는 전 세계 파운드리 업체 중 유일하다. TSMC는 올해 말쯤 3나노 파운드리를 양산할 계획으로 알려져 삼성전자가 6개월 가량 앞서간 상태다.

삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어, 모바일 SoC 등으로 확대해 나갈 예정이다. 이어 3나노 제품까지는 기존의 핀펫 기술을 적용하고, 2025년 상반기로 예상하는 2나노 공정부터 GAA 기술을 도입하겠다고 밝혔다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 "삼성전자는 파운드리 업계 최초로 '하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate)', 핀펫(FinFET), EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔다"며 "이번에 MBCFET GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스도 세계 최초로 제공하게 됐다. 앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다"고 말했다.

나노시트 형태의 독자적인 MBCFET GAA 기술 세계 첫 적용

삼성전자는 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 4개면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다.

채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교해, GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다.

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조도 적용했다.

나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있다. 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어(Nanowire) GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다.

또한 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소됐다. 이어 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소된다.

삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화된 PPA, 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공하며, 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 계획이다.
 
▲ 삼성전자 화성캠퍼스 전경. 사진=삼성전자
▲ 삼성전자 화성캠퍼스 전경. 사진=삼성전자
SAFE 파트너와 지난해부터 3나노 설계 인프라/서비스 제공

삼성전자는 시놉시스(Synopsys), 케이던스(Cadence) 등 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라/서비스를 제공함으로써, 고객들이 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 계획이다.

상카 크리슈나무티(Shankar Krishnamoorthy) 시놉시스 실리콘 리얼라이제이션그룹(Silicon Realization Group) 총괄 매니저는 "삼성전자와 장기적·전략적 협력관계를 유지하고 있다"며 "GAA기반 3나노 협력은 향후 디지털 디자인, 아날로그 디자인, IP 제품으로 계속 확장돼, 주요 고성능 컴퓨팅 앱을 위한 차별화된 SoC를 제공할 것이다"라고 말했다.

삼성전자가 양산에 돌입하는 3나노 파운드리 첫 고객은 중국 비트코인 채굴용 반도체(ASIC) 팹리스인 Pansemi(Shanghai Pansi Semiconductor Co., Ltd.)인 것으로 알려졌다. ASIC가 공정 초기 시생산용으로 적절하다는 삼성전자의 판단과, 3나노 공정에서 생산된 첫 ASIC를 공급받는 상징성을 얻게 될 중국 팬세미(Pansemi)의 의중이 맞아떨어진 것으로 풀이된다.
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