2022년 6월, 삼성전자는 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터 구조를 적용한 3nm 공정의 양산을 시작했다고 발표했다. 이는 TSMC가 같은 해 FinFET 기반 3nm(N3) 공정을 양산하기 시작한 것보다 몇 개월 앞선 선제적 움직임이었다.
그러나 "세계 최초"라는 타이틀 뒤에는 복잡한 현실이 있다. 양산 선행에도 불구하고 주요 고객사 확보, 수율 안정화, 그리고 시장 점유율 측면에서 삼성 파운드리는 TSMC에 계속해서 뒤처지고 있다. 본 기사에서는 3nm GAA 공정의 기술적 특성과 양사의 경쟁 지형을 정리한다.
GAA와 FinFET: 무엇이 다른가
트랜지스터는 반도체의 가장 기본적인 스위칭 소자다. 공정 미세화가 진행되면서 기존 평면 구조의 한계를 극복하기 위해 도입된 것이 FinFET(Fin Field-Effect Transistor) 구조였고, 이 구조가 한계에 도달한 지점에서 다음 단계로 등장한 것이 GAA다.
FinFET vs GAA 주요 차이
- 게이트 구조
- FinFET: 3면 감싸기 / GAA: 4면 완전 감싸기
- 채널 형태
- FinFET: 지느러미 / GAA(MBCFET): 얇은 시트 적층
- 누설 전류
- GAA가 더 적음
- 설계 유연성
- GAA가 채널 폭 조절 용이
- 공정 난이도
- GAA가 훨씬 높음
삼성의 GAA 구조는 특히 MBCFET(Multi-Bridge Channel FET)라고 불리며, 나노시트 형태의 채널을 여러 층으로 쌓아 올리는 구조다. 동일 면적에서 더 많은 전류를 흘릴 수 있고, 설계자가 채널 폭을 유연하게 조정할 수 있다는 장점이 있다.
삼성이 GAA를 먼저 도입한 이유
TSMC는 동일한 3nm 공정에서 FinFET를 유지하고 2nm부터 GAA(나노시트)로 전환하는 보수적 전략을 택했다. 반면 삼성은 3nm부터 바로 GAA를 도입하는 공격적 전략을 선택했다. 이에는 몇 가지 배경이 있다.
- 기술적 차별화: FinFET 세대에서는 TSMC와의 기술 격차를 좁히기 어려웠기에, 구조 전환 시점에 승부수를 던질 필요가 있었다.
- 시스템 LSI 내부 수요: 삼성은 자체 엑시노스와 같은 고객사를 활용해 초기 양산 안정화를 꾀할 수 있는 위치에 있었다.
- IP・디자인 키트 선행: GAA 기반 설계 IP와 PDK를 먼저 확보함으로써, 이후 2nm 경쟁에서의 입지를 강화하려는 의도.
수율과 고객사 확보의 현실
그러나 양산 시작이 곧 성공을 의미하지는 않는다. GAA는 구조적 장점이 있는 만큼 공정 난이도가 높고, 수율 안정화에 상당한 시간이 필요했다. 업계에 따르면 초기 3nm GAA의 수율은 기대보다 낮은 수준으로 유지되었고, 이는 주요 고객사 확보에 부정적 영향을 미쳤다.
특히 애플, 엔비디아, AMD, 퀄컴 등 첨단 공정의 주요 대형 고객들은 TSMC로 집중되었다. 삼성 3nm의 외부 고객은 일부 중국 기업과 소규모 AI 스타트업에 국한되었고, 정작 삼성 자체 엑시노스조차 일부 세대에서 외부 파운드리를 혼용하는 상황이 벌어졌다. 관련 배경은 갤럭시 S26 시리즈 분석에서 듀얼 소싱 복귀 맥락과 함께 다루었다.
TSMC와의 경쟁 지형
| 항목 | 삼성 3nm (1세대) | TSMC N3 / N3E |
|---|---|---|
| 트랜지스터 구조 | GAA (MBCFET) | FinFET |
| 양산 시작 | 2022년 6월 | 2022년 하반기 |
| 주요 고객사 | 소규모 위주 | 애플, 엔비디아, AMD |
| 시장 평가 | 기술 선제・수율 과제 | 안정적 양산・주요 고객 확보 |
이 구도는 2nm 세대에서 재편될 가능성이 있다. TSMC도 2nm부터 GAA(나노시트)를 도입하기 때문에, 구조적 차별화 요소는 사라진다. 따라서 경쟁의 초점은 다시 수율, 성능, 전력 효율, 그리고 설계 지원(PDK・IP)으로 돌아간다.
고객 다변화와 AI 반도체
삼성 파운드리의 돌파구 중 하나로 주목되는 것이 AI 반도체 스타트업이다. 테슬라의 AI 칩 일부 생산, 국내외 AI 스타트업의 프로토타입 제작 등을 통해 삼성은 AI 특화 칩 생산 실적을 쌓으려 하고 있다. 관련 맥락은 SK하이닉스 HBM3E 분석에서 AI 반도체 수요의 폭발적 증가와 함께 살펴볼 수 있다.
2nm・1.4nm 로드맵
삼성은 2025년 전후 2nm, 그리고 2027년 전후 1.4nm 공정 양산을 로드맵에 포함시키고 있다. 이는 TSMC의 로드맵과 거의 동일한 일정이다. 양사가 같은 구조(GAA 나노시트)와 비슷한 시점에 첨단 공정을 제공하게 되면서, 향후 승부는 고객사 서비스 품질과 대량 생산 안정성에서 결정될 가능성이 높다.
한국 반도체 생태계 전반의 영향
삼성 파운드리의 성패는 삼성만의 문제가 아니다. 소재・부품・장비를 공급하는 국내 협력사(동진세미켐, SK머티리얼즈, 원익IPS, 세메스 등)의 성장과 직결되고, 한국 반도체 설계 스타트업들이 첨단 공정에 접근할 수 있는가라는 문제와도 맞물려 있다.
또한 산업 전반의 지정학적 맥락에서도 중요하다. 미중 반도체 경쟁 속에서 한국이 TSMC와 함께 첨단 로직의 신뢰할 만한 공급처로 기능할 수 있는가는, 한국 반도체 산업의 장기 포지셔닝에 결정적 변수다. 이에 대한 전반적 분석은 한국 반도체 산업의 지정학적 과제에서 다룬다.
정리: 구조적 선제, 실행의 과제
삼성 3nm GAA 공정은 기술적 선제의 의미에서는 분명 성공한 프로젝트다. 그러나 상업적 의미에서는 여전히 진행형의 도전이다. 양산 선행이 시장 점유율로 이어지지 않는다는 교훈은, 이제 기술력만으로는 충분하지 않다는 파운드리 사업의 본질을 다시 드러냈다.
삼성이 2nm 세대에서 기술과 서비스를 모두 갖춘 "완전한 파운드리"로 거듭날 수 있을지, 2026~2027년이 그 분기점이 될 것이다.
