반도체 산업은 파운드리가 칩 제조 공정의 한계를 더 작은 나노미터 규모로 확장하면서 빠르게 진화하고 있습니다. 이러한 공정 노드 축소 추세는 각 세대마다 상당한 성능 및 에너지 효율성 향상을 가져왔습니다. 3나노 노드는 산업 전반에 걸쳐 기술 혁신과 변화의 다음 단계를 촉진하는 중요한 이정표가 될 것으로 예상됩니다.
현재 상황
현재 3nm 공정 기술을 사용하여 칩을 대량 생산하기 시작한 파운드리는 TSMC가 유일합니다. 2022년 4월, TSMC는 3nm 공정의 벤처 생산을 시작했으며 2023년까지 대량 생산이 계속될 것으로 예상한다고 발표했습니다.
TSMC의 3nm 노드 주요 고객으로는 Apple과 MediaTek이 있습니다. 애플이 2023년에 출시할 아이폰 15 프로 모델용 A17 바이오닉 칩은 3nm 노드에서 대량 생산되는 최초의 디자인 중 하나가 될 가능성이 높습니다. 퀄컴과 AMD도 2024년 플래그십 안드로이드 휴대폰과 하이엔드 PC/서버를 구동할 3nm 칩을 TSMC에 주문했습니다.
삼성 파운드리는 첨단 노드 경쟁에서 TSMC를 따라잡기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. 2023년에 게이트-올-어라운드 나노시트 트랜지스터 기술을 사용하여 3나노 벤처 생산을 시작하여 2025년에 대량 생산할 계획입니다. 인텔은 이미 공정 기술에서 상당히 뒤처져 있지만 2025년에 자체 3nm 버전을 출시하는 것을 목표로 하고 있습니다. 곧 출시될 인텔 20A 공정.
한편, 중국 파운드리 업체인 SMIC와 화홍은 공정 노드 측면에서 TSMC와 삼성보다 몇 세대 뒤처져 있습니다. SMIC는 최근 14nm 양산을 시작했으며, Hua Hong의 가장 진보된 노드는 22nm입니다. 두 파운드리 모두 2030년까지 3nm 공정을 출시할 계획이지만 글로벌 선두 업체를 따라잡기에는 상당한 기술적, 재정적 장애물에 직면해 있습니다.
기술적 과제
기술적 관점에서 볼 때 3nm로의 전환은 상당한 도전 과제를 안고 있습니다. 주요 이슈로는 트랜지스터 게이트 피치를 20nm 미만으로 줄이고, 멀티패턴 리소그래피를 구현하며, 기생 커패시턴스와 전력 소비를 줄이는 것 등이 있습니다.
3nm는 작은 회로 피처를 인쇄하기 위해 이중 또는 사중 패터닝이 필요합니다. 이러한 고급 패터닝 방식을 구현하려면 더 높은 해상도와 처리량을 갖춘 새로운 EUV 리소그래피 장비가 필수적입니다. 누설 전류를 줄이고 성능을 개선하려면 재료 혁신도 중요합니다. 나노시트 및 새로운 금속 게이트 스택 구성과 같은 새로운 채널 재료가 평가되고 있습니다.
수율과 신뢰성 문제도 작은 규모에서 극적으로 증가했습니다. 공정 변동 제어와 결함 밀도를 엄격하게 관리해야 합니다. 파운드리는 결함을 조기에 발견하기 위해 모니터링, 검사 및 계측 도구에 많은 투자를 해야 합니다. 전반적으로 3nm는 CAPEX 관점에서 볼 때 5nm 또는 7nm 노드보다 훨씬 더 비쌀 것으로 예상됩니다.
시장 규모 및 성장 전망
최신 보고서에 따르면 2024~2030년 동안 연평균 40%의 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 이러한 높은 성장률의 주요 동인으로는 산업 전반의 반도체 콘텐츠 증가, 보다 강력하고 효율적인 모바일 칩 및 데이터 센터 프로세서에 대한 수요 등이 있습니다.
애플리케이션 측면에서 보면, 모바일 SoC가 전통적으로 프론티어 노드로 가장 먼저 전환되어 왔기 때문에 스마트폰이 3nm의 초기 도입을 주도할 것으로 예상됩니다. 그러나 하이퍼스케일러가 최신 칩 기술을 공격적으로 도입함에 따라 2030년에는 HPC/서버 프로세서가 전체 3nm 파운드리 시장에서 큰 비중을 차지할 것으로 예상됩니다. 기타 고성장 애플리케이션으로는 네트워크 인프라, AI/머신러닝 가속기, 자율 주행 자동차 등이 있습니다.
지역별 시장에서는 현재 아시아 태평양 지역이 TSMC, 삼성과 같은 파운드리 선도업체와 주요 팹리스 고객사의 존재로 인해 70% 이상의 점유율로 선두를 달리고 있습니다. 대만은 예측 기간 동안 전 세계 3nm 파운드리 생산량의 50% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다. 북미와 유럽에서도 칩 제조가 더욱 현지화되고 기업들이 주요 고객사 인근에 첨단 패키징/조립 시설에 투자함에 따라 강력한 성장이 예상됩니다.
중국의 3nm 파운드리 야망
중국의 파운드리는 기술적으로 낙후되어 있지만, 중국 정부는 ‘중국 표준 2035’ 프로그램에 따라 반도체 산업에서 자급자족과 글로벌 리더십을 달성하겠다는 야심찬 계획을 세우고 있습니다. 이 목표를 달성하기 위해 무려 1,500억 달러를 투자했습니다.
SMIC는 2030년까지 전 세계 3nm 파운드리 시장의 5~10%를 점유하는 것을 목표로 하고 있습니다. 새로운 3nm 팹과 R&D 센터에 80억 달러를 투자할 계획입니다. 한편, 화홍은 삼성과 협력하여 2028년까지 3nm 벤처 생산을 달성한다는 목표로 기술 로드맵을 가속화하고 있습니다.
Birex 및 HSMC와 같은 다른 현지 파운드리 업체들도 3nm 개발 계획을 발표했습니다. 업계 전문가들은 중국이 불과 몇 년 안에 이 엄청난 격차를 좁힐 수 있을지에 대해 회의적인 시각을 유지하고 있습니다. 장기적으로는 지속적인 지원과 외국 파트너와의 더 많은 협력이 필요할 것입니다. 지정학적 긴장은 글로벌 리더들의 기술 이전에도 위험을 초래할 수 있습니다.
3nm로의 전환은 산업 전반에 걸쳐 새로운 기술 혁신과 변화의 물결을 일으킬 것으로 예상됩니다. 아직 개발 초기 단계에 있지만 파운드리와 팹리스 기업에게 수익성 높은 기회를 제공합니다. TSMC는 선도적인 입지를 구축했지만 삼성과 중국의 야심찬 도전자들과의 경쟁이 치열해지고 있습니다. 지속적인 발전은 지속적인 R&D 투자와 업계 간 협업을 통해 중대한 제조 과제를 극복하는 데 달려 있습니다. 향후 몇 년이 3nm 파운드리 시장의 승자와 장기적인 리더를 가려내는 데 중요한 시기가 될 것입니다.