□ 세계 반도체 기술 경쟁, ‘세계 최초’ 2나노 시장 선점 주력

ㅇ 차세대 첨단 파운드리(반도체 위탁생산) 공정인 ‘2나노(㎚･10억분의 1m)’ 시장을 선점하기 위한 글로벌 반도체 업체의 경쟁 치열

※ 나노는 반도체 회로 선폭을 의미하는 단위로 선폭이 좁을수록 소비전력이 감소하고 처리 속도가 빨라지며 ㎚ 앞에 붙은 숫자가 작을수록 고성능･저전력･초소형 반도체를 만들 수 있는 점이 특징

- 양산에 들어간 공정을 기준으로 현재 가장 앞선 기술은 3나노로 삼성전자가 2022년 6월 세계 최초로 양산을 시작한데 이어 TSMC가 2022년 12월 3나노 양산에 돌입

- 양사가 3나노 초도 양산에 들어가 수율(결함 없는 합격품의 비율) 안정성을 높이는 작업이 진행되면서 차세대 공정 투자에 속도를 내고 있는 상황

※ TSMC의 3나노 공정 수율은 최소 60% 이상 최대 80%에 육박하는 것으로 파악되었으며 삼성전자의 3나노 공정 수율은 1세대 공정에서 80% 이상 수율로 양산하고 있으며 2세대 공정 개발 중(2023.1 기준)

- 2나노 이하 기술 선점을 위한 개발 경쟁에는 삼성전자와 TSMC뿐만 아니라 현재 7나노 반도체를 생산하는 인텔과 일본 반도체 연합 기업인 라피더스 등 글로벌 반도체 업계의 참전이 예고되어 있어 각축전 양상을 보일 전망

- 이들은 최첨단 칩이 필요한 인공지능(AI)･고성능 컴퓨팅(HPC)･자율주행차용 칩 시장을 선점하여 대형 고객을 확보하기 위해 초미세공정 기술 개발에 주력하는 것으로 분석

- 2나노 반도체의 경우 3나노 공정으로 만든 제품보다 성능은 10~15% 개선되고 소비전력은 25~30% 감소할 것으로 예상

□ (TSMC) 엔비디아･ASML･시놉시스 등과 2나노 기술 개발 협력

ㅇ 2나노 공정 개발을 위해 글로벌 그래픽처리장치(GPU) 1위 기업 엔비디아와 노광(리소그래피･lithography) 공정 기술 관련 협력 강화(3.22)

- 금년 6월부터 반도체 8대 공정 중 하나로 꼽히는 노광 공정에 엔디비아의 소프트웨어 ‘쿠리소(cuLitho)’를 적용할 방침

- 노광 공정은 ‘포토마스크’에 그려진 회로를 극자외선(EUV)을 활용해 웨이퍼(반도체원판)에 사진을 찍듯 옮기는 것으로 최근 반도체 선폭이 나노 단위로 좁아지면서 포토마스크에 반도체 회로를 정확하고 EUV를 정밀하게 쏘기 위해 인공지능을 활용한 고성능 컴퓨터 기술이 필요

- 개별 포토마스크를 설계할 때 중앙처리장치(CPU)를 활용하면 2주가 걸리지만, 엔비디아의 쿠리소는 데이터 병렬 처리가 가능한 그래픽처리장치를 활용해 포토마스크 설계 기간을 8시간으로 단축하여 노광 속도를 높여주는 것이 특징

- 특히, 엔비디아의 GPU 기반 컴퓨팅 노광 공정 기술을 활용하면 소비전력도 85% 급감

- TSMC는 쿠리소를 활용하여 2나노 노광 공정에 걸리는 시간과 비용을 단축하고 정확성을 높일 수 있을 것으로 기대

ㅇ 아울러, EUV 노광기를 전 세계 독점 공급하는 네덜란드 반도체 장비업체 ASML를 비롯해 전자설계자동화(EDA) 선두업체인 시놉시스와 협업해 반도체 노광 공정에 컴퓨팅 기술을 도입하며 기술 확보 가속화

ㅇ 이 외에도 ‘대만 실리콘밸리’로 불리는 신주에 2나노 공정 기반의 신공장 건설에 돌입하는 등 2나노 기술의 개발뿐만 아니라 직접적인 생산에도 속도

□ (삼성전자) 첨단기술 선제 도입하며 2나노 반도체 생산 자신감

ㅇ 삼성전자는 TSMC가 2나노 공정에 도입을 예고한 게이트올어라운드(GAA) 기술을 이미 3나노 공정에 도입하며 GAA 기술을 기반으로 2나노 이하 첨단 반도체 양산을 가속화

※ GAA 기술은 공정 미세화에 따른 트랜지스터의 성능 저하를 방지하는 기술로 반도체 칩에 전류가 충분히 흐르도록 설계해 전력 효율성을 높일 수 있도록 고안

- 차세대 GAA 공정을 먼저 도입하여 초기 안정성을 확보하겠다는 전략을 펼치며 승부수

- 업계와 시장에서는 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 방식을 적용한 공정의 안정적인 수율 확보가 2나노 양산의 성공과 실패를 좌우할 것으로 예상

- 핀펫 공정은 상어 지느러미(Fin)처럼 생긴 차단기로 전류를 막아 초미세 선폭에서 누설되는 전류량이 많지만, GAA는 전류가 흐르는 채널을 4면으로 둘러싸 전류의 흐름을 더욱 세밀하게 조정할 수 있는 만큼, 회로가 점점 더 미세하게 좁아질수록 기존 핀펫(FinFET) 방식을 적용하는 데 한계가 있을 전망

- 삼성전자가 현재 3나노 공정에 먼저 ‘GAA’을 도입한 만큼, 수율 안정화를 통한 시장 선점이 관건으로 분석

ㅇ 아울러, 2나노 공정 양산이 가능한 ‘하이(High) NA EUV 노광기’를 네덜란드 ASML에 발주하며 양산 준비에 박차

- 하이 NA EUV 장비는 빛 집광능력을 나타내는 렌즈 개구수(NA)를 0.33에서 0.55로 끌어올린 장비로 기존 UV 장비보다 더욱 미세한 반도체 회로를 그릴 수 있는 점이 특징

□ (인텔) 1.8나노･2나노 반도체 생산 프로세스 노드 개발 완료하며 공정 개발 가속도

ㅇ 왕 루이(Wang Rui) 인텔 중국법인 총괄부사장은 ‘20나노’와 ‘18나노’ 공정용 기술 개발을 마쳤다고 발표(2.29)

- 개발한 기술을 활용하여 2024년 상반기 2나노, 2024년 하반기에 1.8나노 제품을 양산할 방침

- 이 계획대로라면 미세공정 선도 기업인 삼성전자･TSMC를 추월해 나가며 파운드리 고객사 수요를 선점할 기회를 확보하는 셈

- 아울러, 미국과 유럽에 건설하는 반도체 파운드리 공장에 2나노 이하 공정을 활용할 계획

※ 200억 달러를 투자해 미국 애리조나주에 파운드리 공장을 짓고 있으며 오하이오주에도 200억 달러를 들여 첨단 반도체 공장 2개를 건립 중

- 한편, 인텔이 빠른 속도로 미세공정 기술을 개발할 수 있었던 것은 과감한 시설투자 및 연구개발 전략으로 지목

- 일찌감치 2나노 및 1.8나노 공정 개발 목표를 세운 인텔은 미세공정 기술 연구팀을 나눠 운영하면서 각 연구팀이 각각 다른 기술에 집중하는 전략 구사

- CPU 등 자체 제품 생산을 위해 3나노 공정에 투자를 늘리는 대신 TSMC의 3나노 파운드리에 위탁생산을 맡기기로 한 점도 차세대 공정에 ‘선택과 집중’을 위한 목적으로 분석

ㅇ 최근 4개월간 공석이던 인텔파운드리서비스(IFS) 최고경영자(CEO)에 스튜어트 판 부사장을 임명하고 신규 고객사 확보에도 주력

□ (라피더스) 홋카이도 치토세 공업단지에 신규 공장 건설하며 2나노 생산 준비 만전

※ 라피더스는 일본 주요 기업 8개社(도요타자동차, 소니, 소프트뱅크, 키옥시아, 덴소, NTT, NEC, 미쓰비시UFJ 은행)가 연합해 설립(2022.8)한 반도체 회사

ㅇ 일본 반도체 산업 부흥을 위해 설립된 기업 라피더스가 홋카이도(北海道) 치토세(千歲) 공업단지에 신규 공장을 설립하기로 결정(2.28)

- 치토세가 공장부지로 선택한 이유는 반도체 생산에 필수적인 물과 전기가 풍부하고 신치토세 공항과 가까워 물류 면에서도 이점이 있기 때문으로 분석

※ 이번 치토세가 공장부지로 선정되면서 TSMC 공장을 유치한 규슈(九州) 구마모토(熊本)에 이어 치토세가 또 다른 반도체 거점 도시로 성장할 것으로 예상

- 치토세 공장을 통한 차세대 반도체 양산에 총 5조 엔을 투자하여 2027년까지 2나노 공정 기반의 반도체 칩 생산할 방침

ㅇ 아울러, 2나노 공정 기반 반도체 칩을 생산하기 위해서 IBM과 첨단 반도체 개발을 위한 파트너십을 체결(2022.12)했으며 IBM가 보유하고 있는 기술 라이선스를 라피더스에 제공하고 라피더스는 IBM 기술을 기반으로 2나노 첨단 반도체를 양산할 계획

- 양사는 2나노 공정뿐만 아니라 IBM의 연구거점*에서 라피더스의 기술자･전문인재 육성, 해외 판로 개척 등 여러 분야에서 협력 약속

※ Albany NanoTech Complex:세계적 수준의 반도체 연구 및 프로토타입 생태계를 갖춘 연구단지로서. 반도체 연구를 위한 선도적인 에코시스템을 구축하고 신기술 개발 프로젝트를 끊임없이 진행