삼성전자 GAA 3나노 파운드리 안착, 2나노 전환으로 TSMC 추격 가속

삼성전자 파운드리사업부가 게이트올어라운드(GAA) 트랜지스터 구조를 적용한 3나노미터(nm) 공정을 안정적인 양산 체제로 운영하며, 이를 발판 삼아 차세대 2나노 공정으로의 전환에 속도를 내고 있다. 삼성전자는 2022년 6월 경기 화성사업장에서 세계 최초로 GAA 구조의 3나노 공정 양산을 시작한 이후, 2024년 하반기부터는 개선된 2세대 3나노 공정 양산에 돌입했으며, 이 기술적 축적을 바탕으로 2025년에는 3세대 GAA를 적용한 2나노 공정의 수율 개선에 주력하고 있다.

GAA는 트랜지스터의 게이트가 채널을 사면에서 감싸는 구조로, 기존 핀펫(FinFET) 구조가 3개면만 접촉하던 것과 달리 4개면 전체에서 전류를 제어할 수 있어 미세화에 따른 누설전류 문제를 크게 줄일 수 있는 것이 특징이다. 삼성전자에 따르면 1세대 3나노 공정은 5나노 공정 대비 전력 소모를 최대 45% 줄이고 성능을 23% 개선했으며 면적은 16% 축소한 것으로 공식 발표된 바 있다. 이어 2024년 양산을 시작한 2세대 3나노 공정은 5나노 대비 전력 소모 50%, 성능 30% 개선, 면적 35% 축소를 목표로 설계됐다.

2나노 파운드리 경쟁, 수율이 관건

업계에서는 삼성전자가 세계 최초로 GAA 구조를 3나노에 도입했음에도 불구하고 초기 수율 문제로 대형 팹리스 고객사 확보에 어려움을 겪어온 점을 지적해왔다. 실제로 다수의 글로벌 팹리스 기업들은 안정적인 수율을 우선시해 핀펫 구조를 유지한 TSMC의 3나노 공정을 선택한 것으로 알려졌다. 이 같은 경험을 바탕으로 삼성전자는 2나노 공정에서는 수율 안정화에 더 많은 공을 들이고 있으며, 관련 업계에서는 2025년 초 30% 수준이었던 2나노 공정(SF2) 수율이 하반기 들어 50%에 근접한 수준까지 개선된 것으로 파악하고 있다.

파운드리 업계 관계자들은 TSMC와 인텔이 2나노 공정에서 처음으로 GAA 구조를 도입하는 것과 달리, 삼성전자는 3나노 공정에서 이미 GAA 양산 경험을 쌓았다는 점이 기술 안정성 측면에서 강점으로 작용할 수 있다고 평가한다. 다만 실제 고객사 확보 성과로 이어지기까지는 추가적인 시간이 필요할 것으로 전망된다.

파운드리 사업 흑자 전환 시점에 관심

증권가와 반도체 업계에서는 삼성전자 파운드리 사업부의 흑자 전환 시점을 가늠하는 핵심 변수로 2나노 공정의 수율 개선과 신규 고객사 수주 여부를 꼽고 있다. 삼성전자는 모바일 애플리케이션프로세서(AP)를 비롯해 인공지능(AI) 반도체 등 다양한 응용처를 대상으로 2나노 공정 고객사 확보에 나서고 있는 것으로 전해졌다.

삼성전자는 국내 화성사업장 외에도 미국 텍사스주 테일러에 신규 파운드리 공장을 건설 중이며, 향후 이 공장에서도 첨단 GAA 공정 제품을 생산할 계획인 것으로 알려졌다. 아울러 삼성전자는 당초 2027년으로 제시했던 1.4나노 공정 양산 목표를 2029년으로 조정해 개발을 진행하고 있으며, 3나노에서 쌓은 GAA 기술 경험이 향후 초미세공정 경쟁에서도 핵심 자산이 될 것이라는 전망이 나온다.

국내외 반도체 장비 및 소재 업체들도 삼성전자의 2나노 공정 수율 개선 추이에 촉각을 곤두세우고 있다. 관련 밸류체인 전반에 걸쳐 수혜 기대감이 형성되는 가운데, 삼성전자가 구체적인 수율 데이터와 신규 고객사 확보 소식을 언제 공개할지가 업계의 최대 관심사로 떠오르고 있다.