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새해 삼성전자, 대만 TSMC, 미국 인텔 등이 2나노미터(nm) 공정으로 반도체 양산을 시작하며 경쟁에 돌입한다.
삼성전자는 2022년 세계 최초로 3나노 공정 양산을 시작하며 선두를 내세웠지만, 수율(생산품 대비 정상품의 비율)을 확보하는 데 어려움을 겪으면서 TSMC에게 주도권을 내주 신혼부부 청약 게됐다. 이에 삼성전자는 2나노 공정에서는 수율 개선에 총력을 기울여 고객 신뢰도 회복하겠다는 목표다.
TSMC는 3나노 공정에서 확보한 리더십을 2나노 공정에서도 이어가고자 양산 준비에 박차를 가하고 있다. 최근 TSMC는 2나노 공정 시험생산에서 60% 수율을 달성하며 내년 양산에 대한 자신감을 보이고 있다.

4대보험 가입

삼성전자가 2022년 6월 30일 세계 최초로 3나노 공정 양산을 시작했다. 삼성전자 파운드리사업부가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. (사진=삼성전자)


삼성, 3나노 실책 인정하고 2나노에 승부수…美 테일러 팹 미혼 전세자금대출 2나노 집중
삼성전자는 3나노의 실책을 인정하고, 2나노에서 경쟁력 회복을 위해 기술 개발에 전력을 다하고 있다. 삼성전자는 내년 상반기 2나노 공정 시험생산을 시작으로 하반기 양산체제에 돌입할 계획이다.
이달 초 삼성전자 파운드리 사업의 새로운 수장으로 선임된 한진만 사장은 임직원 대상 첫 메시지에서 “2나노 공정의 4대보험 가입기간 빠른 램프업(ramp-up)”을 가장 중요한 첫 번째 과제로 꼽으며 “게이트올어라운드(GAA) 공정 전환을 누구보다 먼저 이뤄냈지만 사업화에 있어서는 아직 부족함이 너무나 많다”고 말했다. 이어 “기회의 창이 닫혀 다음 노드에서 또 다시 승부를 걸어야 하는 악순환을 끊어야 한다”고 덧붙였다.
이렇듯 삼성전자의 2나노 공정은 파운드리 사업의 상환수수료 향방을 좌우할 핵심 과제다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올 3분기 파운드리 시장에서 삼성전자 점유율은 9.3%로 하락해 TSMC(64.9%)와의 격차가 55.6%P(포인트) 벌어진 상황이다.
삼성전자는 2022년부터 3나노 공정에서 세계 최초로 GAA 공정을 적용했던 노하우를 바탕으로 2나노 GAA 공정에서 수율을 확보한다는 목표다. TSMC는 3나노에서 기존 핀펫(FinFET) 공정을 유지했으나, 2나노부터는 GAA 공정을 도입한다. 양사 모두 2나노 공정부터 GAA 기술을 적용한다는 점에서 업계의 관심이 집중되고 있다.
반도체 업계 관계자는 "삼성전자가 3나노 GAA 초기 공정에서 얻은 최적화 노하우를 바탕으로 트랜지스터 미세화를 통해 2나노 공정에서 향상된 수율을 달성할 것으로 전망된다"고 분석했다.



인텔은 올해 2나노(인텔20A) 공정 양산 계획을 백지화했다. (표=지디넷코리아 박은주 디자이너)


삼성전자는 내년 상반기 2나노 공정 시험생산을 위해 올해 4분기부터 화성사업장 파운드리 라인 ‘S3′에 2나노 생산 장비를 순차적으로 반입하고 있다. 2나노 공정 첫 고객사로 일본 AI 스타트업 프리퍼드네트웍스(PFN)의 AI 가속기용 칩을 수주했으며, 내년 하반기 양산할 예정이다.
최근 삼성전자는 미국 테일러 공장에서 2나노 공정에 주력한다는 계획을 새롭게 수립했다.
삼성전자는 지난 4월 미국 상무부와 예비거래각서(PMT) 발표 시 테일러시에 2022년부터 건설 중인 파운드리 1공장 외에도 2공장, 첨단 패키징 공장, 연구개발(R&D) 센터를 건설하겠다고 밝혔다.
그러나 삼성전자는 지난 20일 미국 정부로부터 반도체 보조금을 확정 지으면서 미국 테일러 팹의 생산 계획을 ‘2, 4나노 대량생산’에서 ‘2나노 대량생산’으로 변경했고, 첨단 패키징 팹 투자는 보류하기로 결정했다.
이는 테일러공장의 가동 시기가 당초 2024년에서 2026년으로 연기됨에 따라 최첨단 2나노 공정에 역량을 집중하겠다는 전략으로 해석된다. 또한 미국에서 파운드리-패키징을 턴키 서비스를 제공할 계획이었으나, 내년 하반기 양산 예정인 HBM4부터 외주 파운드리와 협력하기로 결정하면서 미국 패키징 팹 시설 구축 일정을 재조정한 것으로 분석된다.
TSMC, 2나노 시험생산 수율 60%...첫 고객사로 애플 확보
TSMC는 최근 2나노 시험생산에서 60% 수율을 확보했으며, 2025년부터 본격적인 양산 체제에 돌입할 예정이다.



TSMC 미국 애리조나 1공장(사진=TSMC)


TSMC는 대만 신주과학단지 바오산 지역의 20팹에서 2나노 생산을 시작하며, 이후 타이중 중부과학단지 신규 공장에서도 2026년부터 단계적으로 대량 생산을 개시할 계획이다. 미국 애리조나 공장에서도 2나노 공정 도입을 예정하고 있다.
TSMC는 애리조나주에 650억 달러(약 90조원)를 투자해 3개의 반도체 공장을 건설 중이며, 2025년 초 가동 예정인 1공장에서는 4나노 제품을 생산한다. 2028년 완공 예정인 2공장에서는 2나노와 3나노 공정이 도입된다.
TSMC는 2나노 공정의 고객사로 애플을 확보했다. 애플은 아이폰17 탑재 예정인 AP(애플리케이션 프로세서)에 2나노 공정을 적용할 계획이다. 애플은 앞서 2023년 출시된 아이폰15 프로 시리즈에는 TSMC의 3나노 공정이 적용된 A17 AP가 탑재된 바 있다.
인텔과 라피더스도 2나노 개발 가속화
인텔은 올해 2나노(인텔20A) 공정 양산 계획을 백지화하고, 내년 1.8나노급(인텔 18A) 공정 양산에 주력하고 있다. 
인텔은 올해 중순 20A 공정 시범 생산에서 고객사 브로드컴의 테스트를 통과하지 못하면서, 대량 생산에 적합하지 않다고 판단해 과감하게 접기로 했다. 대신 18A 공정에 총력을 기울이며, AWS(아마존웹서비스), 마이크로소프트 등 6개 기업을 고객사로 확보했다고 발표했다.
일본 라피더스는 내년 4월 2나노 공정으로 시험생산을 시작으로 2027년부터 본격적으로 양산에 들어간다. 고이케 아쓰요시 라피더스 사장(CEO)은 지난 18일 기자간담회에서 처음으로 극미세 공정 필수 장비인 ‘EUV(극자외선) 노광 장비’를 반입했다고 발표하며, “현재 건설 중인 팹은 88% 정도 진척된 수준”이라며 “내년 시험 가동 후, 대량 양산 라인을 구축해 2027년에는 2나노 파운드리 기업으로 도약할 것”이라고 말했다.
라피더스는 2022년 11월 토요타, 소니, 키오시아, NTT, 소프트뱅크, NEC, 덴소, 미쓰비시UFJ은행 등 8개 기업이 각각 10억 엔을 출자해 설립한 반도체 기업으로, 일본 정부의 적극적인 지원을 받고 있다.
이나리 기자(narilee@zdnet.co.kr)