삼성, 5나노 파운드리 공정 개발…"세계 1위 TSMC와 격차 사라져"

7나노 기술 개발 6개월 만에
또 '초미세공정 혁신'

첨단 극자외선 노광기술 활용
칩 크기 7나노보다 25% 줄어
데이터 처리속도는 10% 빨라져

삼성전자가 5나노미터(㎚·1㎚=10억 분의 1ｍ) 단위의 반도체 파운드리(수탁생산) 초미세공정 기술을 개발했다. 지난해 10월 7나노 공정 기술을 개발했다고 발표한 지 6개월여 만이다. 세계 파운드리업계 1위 업체인 대만 TSMC와 기술력에서 어깨를 나란히 했다는 평가가 나온다.

미세공정 혁신 잇따라

삼성전자는 16일 첨단 미세공정 기술인 극자외선(EUV) 노광 기술을 기반으로 한 ‘5나노 파운드리 공정’을 개발했다고 발표했다. 5나노미터는 사람 머리카락 대비 1만 분의 5 굵기다. 반도체 웨이퍼에 미세 회로를 그리는 EUV 첨단 노광장비를 활용해 기존 7나노 공정 대비 반도체 칩의 면적을 25% 줄였다. 전력 효율은 20%, 데이터 처리 속도는 10% 개선했다.

삼성전자는 이달 중 EUV 공정을 활용한 7나노 반도체 칩을 출하한다는 계획도 밝혔다. 당초 외부에 알려진 것보다 6개월 이상 일정을 앞당겼다. 출시될 제품은 미국 퀄컴과 IBM 등 기존 고객들이 주문한 모바일 통신칩과 서버용 CPU(중앙처리장치) 등으로 알려졌다. EUV 기술로 생산한 세계 첫 반도체 칩으로 기록될 전망이다.

삼성전자는 올 연말 6나노급 제품도 양산할 계획이라고 공개했다. 삼성전자 관계자는 “여러 종류의 미세공정 기술 개발을 동시다발적으로 추진해 성과를 내고 있다”고 전했다.

5나노급 공정 개발은 지난해 10월 7나노 공정 및 생산 발표 후 불과 6개월 만에 이뤄졌다. 반도체산업에서 미세공정이 중요한 이유는 더 작고 얇게 만들수록 칩의 크기가 작아져 생산성이 높아지기 때문이다. 발열과 전력 소모량도 낮출 수 있어 반도체 칩 성능이 높아진다.

파운드리업계에서 그동안 이런 미세공정 기술은 TSMC가 가장 앞섰다는 평가를 받았다. 그런 TSMC도 아직 5나노급 공정 개발에 성공했다고 공식 발표하지 않았다. 삼성전자는 후발주자로 파운드리업계에 뛰어들었지만 올 1분기 시장 점유율을 19%까지 끌어올리며 단독 2위를 굳히고 있다. 1위인 TSMC(시장 점유율 48.1%)에 못 미치지만 3, 4위권인 미국 글로벌파운드리(8.4%)와 대만 UMC(7.2%)를 여유있게 따돌렸다. 삼성전자가 혁신 공정 기술 개발에 속도를 내는 것도 TSMC를 뛰어넘겠다는 의지를 대내외에 알리는 효과가 있기 때문이다. 삼성전자는 TSMC가 곧 5나노 공정 개발을 발표할 것이라는 소식을 접하고 발표 일정을 조금 앞당긴 것으로 알려졌다.

비메모리 생태계 강화

삼성전자는 파운드리 기술에 대한 투자와 혁신이 메모리 위주인 국내 반도체산업의 불균형을 정상화하는 계기가 될 것으로 기대한다. 세계 반도체 시장은 정보를 저장하고 기억하는 메모리반도체와 연산과 추론 등 논리적 정보 처리 기능을 담당하는 시스템반도체 등으로 크게 구분된다. 삼성전자와 SK하이닉스가 주도하는 국내 메모리반도체산업은 세계 시장의 60% 이상을 차지하고 있지만 국내 시스템반도체의 점유율은 4%에 그친다.

이재용 삼성전자 부회장은 시스템반도체에서 삼성전자 반도체사업의 새로운 성장동력을 찾겠다는 전략을 세우고 있다. 지난 1월 반도체·디스플레이 경영진과의 간담회에서 “메모리반도체 시장의 정체를 극복할 수 있는 지속적인 기술 혁신과 전장용 반도체, 센서, 파운드리 등 시스템반도체 사업의 경쟁력 강화를 추진해야 한다”고 강조했다.

삼성전자는 이날 시스템반도체를 설계하는 팹리스(설계전문업체) 업체를 지원하는 대책도 발표했다. 한 장의 웨이퍼에 여러 종류의 반도체 칩을 생산하는 MPW 서비스를 최첨단 미세공정인 5나노 공정까지 확대하기로 했다. 5나노 공정의 설계자산(IP) 등 디자인 인프라도 팹리스에 제공한다.

삼성전자는 파운드리사업 투자를 확대할 계획이다. 삼성전자의 투자는 설계, 디자인, 장비, 소재, 패키징, 테스트 등 국내 반도체업계 전·후방산업의 일감을 늘리는 효과가 있다. 현재 모바일과 가전 중심인 시스템반도체 시장이 자동차, 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 헬스케어 등으로 빠르게 확산되고 있어 성장성도 높다.

배영창 삼성전자 파운드리사업부 부사장은 “EUV 기반의 최첨단 미세공정의 여러 강점 때문에 앞으로 5G와 인공지능(AI), 전장 등 다양한 응용처에서 파운드리 수요가 가파르게 늘어날 것”이라고 말했다.

■파운드리

foundry. 반도체 설계와 디자인을 하는 기업에서 위탁받아 반도체 칩을 전문적으로 생산하는 기업.

■EUV(극자외선) 노광장비

반도체 웨이퍼에 반도체 회로를 그리는 노광기 중 최첨단 장비. 지금까지 사용해온 불화아르곤 장비보다 파장이 짧아 더 미세한 회로를 그릴 수 있다.

좌동욱 기자 leftking@hankyung.com