3나노 칩 시대 개막…내년 스마트폰 경쟁 거세진다

삼성전자가 세계 최초 3나노 반도체 양산에서 성공하면서 내년에 출시되는 갤럭시S23 시리즈와 갤럭시Z폴드5 등에 큰 변화가 있을 전망이다.

삼성전자에 3나노 주도권을 내준 글로벌 파운드리 1위 기업, 대만 TSMC는 애플과 손잡고 이르면 8월부터 3나노 칩 양산에 돌입하는 것으로 알려졌다. 이에 따라 내년 하반기 플래그쉽 스마트폰 경쟁은 3나노 칩 경쟁의 대리전이 될 전망이다.
삼성전자는 지난달 30일 세계 처음으로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 밝혔다. GAA 기술은 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러 싸는 형태다.

채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교해, GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술이다. 또 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조도 적용했다.

나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있으며 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어 GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다.

삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어 모바일 SoC 등으로 확대해 나갈 예정이다. 이에 따라 전자업계는 내년 상반기 출시되는 갤럭시S23 시리즈에 3나노 칩이 탑재될 것으로 보고 있다.

글로벌 스마트폰 경쟁이 거세지는 상황에서 3나노 칩을 선제적으로 탑재한다면 경쟁사와의 기술 격차를 한껏 더 벌릴 수 있다. 3나노 칩은 5나노 핀펫 공정과 비교하면 소모전력을 최대 45%, 면적은 16% 줄일 수 있고 성능은 23% 향상될 수 있다.

특히 스마트폰은 같은 배터리를 사용해도 충전 없이 더 오래 쓸 수 있으며 AI의 연산속도도 더 빨라져 다양한 기능을 구현할 수 있다.
앞서 올해 초 출시한 갤럭시S22는 갤럭시 스마트폰 최초로 4나노 프로세서를 탑재했다. 뛰어난 NPU 성능으로 가장 진일보한 AI와 머신러닝 프로세싱을 지원해 사진이나 동영상촬영 등 생산적인 작업을 할 때 전에 없이 매끄러운 경험을 제공한다.

또 갤S22에 처음으로 탑재된 네트워크 동작 분석 기능은 사용자가 사용하고 있는 모든 앱을 감지하고 스마트폰의 성능을 최적화한다. 이를 통해 동영상 스트리밍이나 인터넷 서핑, 내비게이션 등을 편안하게 사용할 수 있다.

다만 현재로서는 수율을 얼마나 끌어올리는가가 관건이다. 업계에 따르면 올해 초까지 삼성전자 3나노 공정 시험수율은 10~20%였으나 최근 30~40%가량으로 끌어올린 것으로 알려졌다.

한편 3나노 경쟁에서 삼성전자에 주도권을 내주게 된 TSMC도 애플과 협업해 3나노 칩 양산에 속도를 낸다는 계획이다. 우선 애플은 맥 미니와 맥북, 아이맥 등에 적용하는 M2프로 칩을 3나노 공정에서 양산할 것으로 보인다. 이를 위해 TSMC는 11월 열리는 세계개발자회의(WWDC)에 맞춰 3나노 공정에서 양산한 M2프로와 M3 칩을 공개할 가능성이 점쳐지고 있다.

TSMC와 애플이 3나노 칩 양산에 성과를 내면 내년 하반기에 출시하는 아이폰15에도 3나노 칩이 탑재될 수 있다. 올해 하반기 출시하는 아이폰14 시리즈에는 5나노 공정에서 양산한 A16 바이오닉 칩의 탑재가 유력하다.

9월 출시를 앞둔 아이폰14는 전작 대비 CPU와 GPU 성능을 각각 42%, 35% 향상시킨 것으로 알려졌다. 해외 IT팁스터 '아이핵투'는 아이폰14 프로와 아이폰14 프로맥스의 배터리 사용시간이 약 2시간 10분 늘어나고 고속 충전 시간도 전작 대비 절반 수준으로 줄어들 것으로 전망했다.

한편 삼성전자와 애플의 3나노 스마트폰 경쟁은 이르면 내년 하반기부터 시작될 수 있다. 갤럭시S23으로 3나노 스마트폰을 먼저 내놓은 삼성전자는 같은 해 하반기 5세대 폴더블폰을 내놓으며 아이폰15와 맞붙을 가능성이 있다.

여기에 샤오미, 오포 등 중국 스마트폰 기업들도 3나노 칩 탑재에 뛰어들 전망이다. 이에 따라 삼성전자와 TSMC의 고객사 확보 경쟁도 더 치열해질 것으로 예상된다. 업계에 따르면 삼성전자는 3나노 칩 양산에 들어가면서 중국 고객사를 확보해둔 것으로 알려졌다.


여용준 글로벌이코노믹 기자 dd0930@g-enews.com