삼성전자, 차세대 메모리 '초격차'…파운드리 '3나노' 세계 첫 양산

DDR5 고성능 D램 잇단 출시
AI 반도체용 메모리도 주도권
LPCAMM 등 차세대 D램 개발

4 - 삼성전자는 2022년 6월 세계 최초로 GAA(gate-all-around) 구조를 적용한 칩을 양산했다. GAA는 전류가 흐르는 채널 ‘4개 면’을 게이트가 둘러싸는 형태다. 기존 ‘3개 면’ 핀펫(Fin-FET) 구조 대비 칩의 전력 효율성과 성능이 뛰어나다. 대만 TSMC는 아직 GAA 구조를 공정에 적용하지 못하고 있다.

삼성전자는 2022년 세계 최초로 GAA 기술을 적용한 3㎚ 파운드리 공정 기반의 반도체를 양산했다. /삼성전자 제공

삼성전자는 연구개발(R&D), 전략적 시설투자 등을 통해 지속 성장을 위한 기반을 강화해 왔다. 올 상반기 사상 최대 규모의 R&D 투자(7조2000억원)와 시설투자(14조5000억원)를 단행했다. 반도체 경기 반등과 미래 성장에 대비하기 위해서다. 이를 통해 더블데이터레이트(DDR)5, 고대역폭메모리(HBM) 등 고성능 메모리 시장에서 리더십을 지킬 계획이다. 빠르게 성장할 인공지능(AI), 고성능 컴퓨팅(HPC), 자동차 전장(전자장치) 관련 차세대 반도체 시장에서도 신제품을 출시해 ‘초격차’를 이어간다는 전략이다.

○DDR5, HBM3 앞세워 ‘초격차’

이재용 회장

삼성전자는 메모리 사업에서 서버 중심 수요에 적극 대응하면서 리더십을 공고히 하고, 기술 초격차 확보에 주력했다. 하반기에는 DDR5, 저지연더블데이터레이트(LPDDR)5x, HBM3 등 고부가가치 제품 판매와 신규 수주 확대를 추진한다. 인프라, R&D, 패키징 투자를 지속할 계획이다.

신제품 개발에도 주력한다. 대표적인 사례가 지난달 삼성전자가 공개한 7.5Gbps(초당 7.5기가비트 전송속도) LPCAMM이다. LPDDR 기반 패키지 제품이다. LPCAMM은 1차적으로 PC·노트북 고객사를 겨냥했다.

지금까지 PC에는 온보드 방식이나 So-DIMM 방식으로 D램이 들어갔다. 온보드 방식은 LPDDR D램을 메인보드에 직접 붙인 형태고, So-DIMM은 DDR D램을 인쇄회로기판(PCB) 양면에 장착해 기기에 넣은 것이다. 온보드 방식은 LPDDR을 활용해 소형화, 저전력 등의 장점이 있지만 메인보드에 직접 부착해 교체가 어렵다. So-DIMM은 모듈 형태로 탈부착이 가능하지만, DDR D램을 써 공간 효율성 등에서 한계가 있다는 평가를 받았다.

LPCAMM은 LPDDR을 모듈 형태로 만들어 고성능·저전력 특성을 갖췄다. 동시에 기기에 탈부착할 수 있게 함으로써 제조사엔 디자인 유연성을, 사용자에겐 교체·업그레이드 편의성을 높였다. 예컨대 LPCAMM은 So-DIMM 대비 면적을 최대 60% 이상 줄여 10㎜ 미만 두께의 노트북 제작이 가능하다.

○GDDR7, LLW 등 차세대 D램 개발

삼성전자의 중장기 목표는 메모리 반도체를 통한 AI 반도체 시장의 패러다임 전환이다. AI 확산으로 전 세계 기기의 데이터 처리량은 2010년 2제타바이트(ZB)에서 올해 100ZB, 2025년 181ZB로 증가할 것으로 전망된다. 메모리 반도체의 중요성이 계속 커진다는 의미다.

삼성전자는 DDR5 32Gb, 그래픽더블데이터레이트(GDDR)7 등 AI 시대에 대비한 고용량 D램을 세계 최초로 공개했다. 스마트폰, 자율주행차 등에서 실행되는 AI인 ‘온디바이스 AI’에 특화한 LLW D램도 2024년 말을 목표로 개발 중이다. 중앙처리장치(CPU) 주변에 배치하지 않고 바로 결합할 수 있는 차세대 D램도 주요 고객사와 함께 구상 중인 것으로 알려졌다. 삼성전자 관계자는 “세상에 없는 기술로 세상을 변화시키는 첨단 메모리 솔루션을 출시할 것”이라며 “AI 시대 대변혁기를 맞는 메모리업계를 이끌어 갈 것”이라고 강조했다.

○3㎚ 파운드리 통해 기술 주도권 확보

시스템반도체 사업에서도 기술 주도권을 이어갈 계획이다. 2022년 3나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 게이트올어라운드(GAA) 공정을 세계 최초로 양산했다. 미래 첨단 반도체 수요에 대응하기 위한 신규 파운드리(반도체 수탁생산) 공장을 미국 테일러에 착공하는 등 중장기 성장 기반을 다졌다.

시스템반도체는 모바일 통합칩셋(SoC·system on chip) 분야에서 플래그십 모델용 제품 성능을 확보하고, 스마트폰 이외 신사업 솔루션을 확장하기 위해 고객사와의 협력을 강화할 계획이다. 파운드리는 견고한 성장 기반을 구축하기 위해 최적의 성능과 에너지 효율을 갖춘 GAA 기술 개발에 주력할 방침이다.

삼성전자는 8인치 공정부터 최신 GAA 공정까지 팹리스 고객의 제품 설계 인프라를 발전시키고 있다. 인공지능 반도체에 가장 최적화한 GAA 트랜지스터 기술을 계속 혁신해 나가며 AI 기술 패러다임 변화를 주도한다는 목표다.

삼성전자는 시장과 고객 수요에 신속하고 탄력적으로 대응하기 위해 경기 평택과 미국 테일러에 파운드리 반도체 클린룸을 선제적으로 건설하고 있다. 2027년 클린룸 규모는 2021년 대비 7.3배 커질 전망이다. 삼성전자는 올해 하반기 한국 평택 3라인에서 모바일 등 다양한 응용처의 파운드리 제품을 본격 양산할 계획이다. 건설 중인 미국 테일러 1라인을 계획대로 올해 하반기에 완공해 내년 하반기에 본격 가동할 예정이다. 평택과 테일러에 이어 국가산업단지로 조성 중인 용인으로 생산거점을 확대해 나갈 계획이다.

황정수 기자 hjs@hankyung.com