승부수 띄운 삼성전자…"TSMC의 미세공정, 위로 쌓아서 넘겠다"

EUV 시스템반도체 3차원 적층 패키징 기술 개발
업계 최초로 7나노 공정에 적용
시스템반도체 '초격차' 전략 가속화

삼성전자 직원들이 경기 화성캠퍼스 반도체 생산라인 클린룸에서 반도체 장비를 점검하고 있다. /삼성전자 제공

삼성전자가 7나노 EUV(극자외선) 시스템반도체 공정에 3차원 적층 패키지 기술을 적용한다. 업계 최초의 시도다. 삼성전자가 제조 기술 면에서 파운드리(반도체 수탁생산) 시장 1위인 대만 TSMC에 밀리지 않는다는 것을 증명했다는 평가가 나온다.

삼성전자는 13일 3차원 적층 패키지 기술인 ‘엑스큐브(X-Cube)’를 활용해 만든 테스트칩 생산에 성공했다고 발표했다. EUV 전공정뿐 아니라 후공정에서도 첨단 기술 경쟁력을 확보하게 됐다는 것이 회사 측 설명이다.

왼쪽은 기존 시스템반도체의 평면 설계. 오른쪽은 삼성전자의 3차원 적층 기술을 적용한 시스템반도체의 설계. 삼성전자 제공

엑스큐브는 반도체 칩을 위로 쌓아 올리는 기술이다. 일반적인 시스템반도체는 CPU(중앙처리장치), GPU(그래픽처리장치) 등 핵심 기능을 하는 ‘로직’ 부분과 캐시메모리(자주하는 작업이나 동작을 저장해두는 임시 기억공간)의 기능을 담당하는 ‘SRAM’으로 나뉜다. 이 두 부분을 평면으로 나란히 배치하는 것이 지금까지의 설계 방식이었다. 삼성전자는 로직과 SRAM 부분을 위로 쌓는 방식을 활용했다. 전체 칩 면적이 줄어드는 만큼, 완제품 설계가 한층 더 자유로워진다.

크기만 줄어드는 것이 아니다. 실리콘관통전극(TSV) 기술을 활용 것도 엑스큐브에서 눈여겨볼 대목이다. TSV는 칩에 미세한 구멍을 뚫어 상단 칩과 하단 칩을 전극으로 연결하는 패키징 기술이다. 와이어로 칩을 연결하는 종전 기술에 비해 데이터 전송 속도가 빨라지고 전기도 적게 소모한다.

강문수 삼성전자 파운드리사업부 마켓전략팀 전무는 “엑스큐브는 10년 내로 시스템 반도체 분야에서도 1위에 오르겠다는 내용을 담은 ‘반도체 비전 2030’을 현실로 만드는 데 큰 기여를 할 기술”이라며 “슈퍼컴퓨터, 인공지능(AI), 5세대(5G) 이동통신 관련 기기를 만들 때 유용하게 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

엑스큐브는 삼성전자의 파운드리 고객사를 겨냥해 내놓은 기술이다. 고객사들이 엑스큐브 설계방법론과 설계도구 등을 활용해 EUV 기술 기반 칩 개발에 바로 들어갈 수 있게 했다. 이미 업계에서 검증이 끝난 삼성전자의 양산 인프라를 이용할 수 있기 때문에 칩 개발 기간을 줄일 수 있다는 것이 회사 측 설명이다.

업계에서도 삼성전자 엑스큐브 기술의 가치를 높게 평가하고 있다. 파운드리 업계 1위인 TSMC와 경쟁할 수 있는 무기를 얻었다는 것이 전문가들의 중론이다. 미세공정 기술 전쟁에서 TSMC는 삼성전자에 한 발 앞서있다. 이미 올해 상반기부터 5㎚(나노미터, 1㎚=10억분의 1m) 공정을 활용해 양산품을 찍어내고 있다. 업계 관계자는 “7나노 공정에 엑스큐브 기술을 적용하면 5㎚ 공정에 못지않은 품질의 제품을 만들 수 있다”며 “TSMC와의 기술력 격차가 거의 사라졌다고 볼 수 있다”고 설명했다.

시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 기준 TSMC의 시장점유율은 54.1%다. 삼성전자는 업계 2위지만 점유율이 15.9%에 불과하다. 삼성전자와 경쟁 관계인 인텔, 퀄컴 등이 기술 유출을 우려해 TSMC에만 칩 생산을 맡기고 있다보니 점유율 차이가 줄지 않고 있다. 기술력도 점유율 차이를 설명하는 요인 중 하나다. 굳이 대안을 찾지 않을 만큼 TSMC의 기술 높다는 설명이다.

한편 삼성전자는 오는 16일부터 18일까지 온라인으로 진행되는 고성능 반도체 연례 학술 행사인 ‘핫 칩스 2020’'에서 엑스큐브의 기술 성과를 공개할 계획이다.

송형석 기자 click@hankyung.com