2021년 주목할 반도체 이슈는? '5nm SoC'와 '3nm 공정'

지난 몇 년간 IT 산업은 인공지능(AI)에 집중됐으며, 반도체 기술은 AI 기술 성장에 큰 기여를 했다. 자율주행과 전기차, 클라우드 컴퓨팅, 사물인터넷(IoT)에 대한 투자와 개발 역시 AI와 밀접한 연관을 가지고 있다.

2020년, 코로나19의 대유행으로 업무 공간이 집으로 이동하며 데이터가 더 많이 클라우드로 이동했으며, 원격 근무 기술이 더많이 도입됐다.

2021년, 코로나19의 대유행이 앞으로 기술 동향에 여전히 큰 영향을 미칠 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

3일(현지시간) 해외 IT매체 EE타임스는 이런 불확실성 속에서 올해 주목할만한 반도체 관련 이슈로 5nm SoC와 핀펫 이후의 반도체 공정을 꼽았다.

5nm 기반 SoC는 퀄컴의 스냅드래곤 888과 삼성전자의 엑시노스 2100이 대표적이며, 애플의 A14와 Arm 기반 노트북용 SoC M1을 주목했다.

5nm 공정까지는 핀펫 기술이 효율적이지만 3nm에서는 새로운 기술이 필요하다. 삼성전자와 TSMC의 기술 경쟁이 올해 반도체 시장의 주요 이슈가 될 전망이다.

◆5nm 기반 스냅드래곤 888 vs 엑시노스 2100

퀄컴이 매년 말 공개하는 플래그십 스냅드래곤(SnapDragon) 애플리케이션프로세서(AP)는 이듬해 삼성전자, LG전자, 화웨이, 샤오미 등이 생산하는 프리미엄급 스마트폰에 필수적으로 탑재됐다.

2019년 발표된 스냅드래곤 865는 작년 초 공개된 삼성전자 갤럭시S20에, 2018년 공개된 855 AP는 갤럭시S10에 각각 탑재된 바 있다.

지난해 말 공개된 최신 스냅드래곤 888은 이미 샤오미 미11에 탑재됐으며, 이번 CES2021에 공개될 갤럭시S21(추정)에 탑재될 것으로 예상된다.

EE타임스는 "스냅드래곤 888은 5나노(nm) 공정으로 출시되는 세 번째 주요 제품으로, 가장 진보된 양산 공정 기술"이라며 경쟁 업체보다 뛰어나다고 밝혔다.

5nm 공정을 갖춘 회사는 전 세계에 대만 TSMC와 한국 삼성전자 단 두 곳뿐이다.

TSMC는 지난해 아이폰12에 탑재되는 애플 A14 AP를 5nm 공정으로 세계 최초 생산했다. 이어 맥(Mac) 시리즈에 탑재되는 M1 SoC(시스템온칩)를 5nm로 제조했다.

TSMC는 점유율·기술력 전 세계 1위 파운드리(반도체 위탁생산) 기업으로 세계 최초로 5nm 공정 양산을 시작했다.

스냅드래곤 888은 세번째 5nm 공정 프로세서로 삼성전자가 위탁 생산한 첫번째 프로세서다. 퀄컴코리아는 스냅드래곤 888이 어느 파운드리에서 생산됐는지 "공식적으로 답변할 수 없다"는 입장이다.

삼성전자는 스냅드래곤 888에 이어 엑시노스 2100(또는 엑시노스 1080, 가칭)을 5nm 공정으로 양산 중이다. 엑시노스 2100은 12일 공개된다. 

스냅드래곤 888과 엑시노스 2100은 각각 갤럭시S21에 탑재될 전망이다. 삼성전자는 전작에서도 스냅드래곤과 엑시노스를 탑재한 두 가지 모델의 갤럭시S 시리즈를 공개했다.

EE타임스는 "최근 성장 중인 미디어텍과 삼성전자의 엑시노스 2100이 곧 공개될 예정이지만 퀄컴은 RF 기술력으로 모바일 분야에서 선두자리를 지킬 것"이라고 전했다.

미디어텍이 최근 공개한 보고서에 따르면, 5G 분야에서 퀄컴이 1위를 차지할 전망이다. 삼성전자와 미디어텍도 AP와 5G RF 모뎀을 시장에 선보였지만, 퀄컴의 기술력에는 못 미칠 것이라는 이유다.

퀄컴은 "완전히 재설계된 6세대 퀄컴 인공지능(AI) 엔진을 탑재한 스냅드래곤 888 5G는 26TOPS 성능, 와트당 3배 성능 향상, 16배 더 큰 공유 AI 메모리를 제공한다"며 제품 출시와 함께 밝혔다.

스냅드래곤 888은 ▲2.84GHz의 Arm 코어텍스(Cortex)-X1 기반의 코어 1개 ▲2.42GHz의 코어텍스 A78 기반 코어 3개 ▲1.8GHz의 저전력 A55 코어 4개로 이뤄졌다. 

EE타임스는 "스냅드래곤 888은 코어텍스 X1 코어를 포함한 최초의 칩"이라며 "'16배 더 큰 공유 AI 메모리로 애플 A14보다 더 많은 SRAM 캐시 전용 리소스를 제공한다"고 강조했다.

다만 업계 일부에서는 삼성전자 엑시노스 2100의 성능이 스냅드래곤 888보다 높을 것이라는 이야기가 돌고 있어, EE타임스의 이번 분석을 곧이곧대로 들을 필요는 없다.

지난달 해외 유명 IT전문 트위터 Roland Quandt는 엑시노스 2100이 ▲2.9GHz의 초고성능 코어 1개 ▲2.8GHz의 고성능 코어 3개 ▲2.4GHz의 전력효율적인 코어 4개로 구성된 64비트 옥타(8개) 코어 CPU를 탑재할 것이라는 소식을 전한 바 있다.

결국은 CES2021 공개될 갤럭시S21이 본격적으로 출시해야, 두 프로세서의 성능을 본격적으로 비교할 수 있을 것이다.

EE타임스는 "888은 여러 가지 면에서 2021년 SoC 중 가장 뜨거운 이야기가 될 것이지만 그것만이 아닐 수도 있다"며 애플의 Arm 기반 자체설계 SoC가 지난해에 이어 올해도 주요 이슈가 될 것이라고 덧붙였다.

◆3nm에서는 핀펫(FinFET) 다음 공정 필요

핀펫(FinFET)은 인텔, 삼성전자 TSMC 등이 도입한 3차원(3D) 입체 구조 칩 설계, 공정 기술이다. 기존 평면(2D) 구조가 아닌 입체 구조로 반도체 성능을 더욱 끌어올렸다. 입체적으로 튀어나온 게이트의 모양이 지느러미(Fin)처럼 생겨 핀펫으로 이름 붙였다.

EE타임스는 5nm 공정에서도 여전히 핀펫이 사용되지만, 3nm로 접어들면 "핀펫의 종말이 올 것"이라고 경고했다. 

실제 삼성전자는 2018년 3nm로 접어들면 핀펫이 아닌 GAA(게이트올라운드) 공정을 사용할 것이라고 밝혔다. TSMC는 검증된 핀펫을 최대한 활용할 예정이지만 3nm 이하의 미세공정에서는 결국 GAA 등 새로운 방식을 사용할 전망이다.

삼성전자에 따르면, 3nm 이하 초미세 공정에 도입될 GAA는 전류가 흐르는 통로인 원통형 채널 전체를 게이트(Gate)가 둘러싸고 있어 3면을 감싸는 지느러미 모양의 핀펫 구조에 비해 전류의 흐름을 더 세밀하게 제어할 수 있다.

3GAE 공정은 최신 양산 공정인 7나노 핀펫 대비 칩 면적을 45%가량 줄일 수 있으며, 약 50%의 소비전력 감소와 약 35%의 성능 향상 효과가 기대된다.

또 삼성전자는 3나노 공정에서 독자적인 MBCFET(Multi Bridge Channel FET) 기술을 통해 차별화된 이점을 팹리스 고객사들에게 제공할 계획을 밝혔다. 

MBCFET은 가늘고 긴 와이어 형태의 GAA 구조를 한층 더 발전시켜 종이처럼 얇고 긴 모양의 나노시트를 적층하는 삼성전자의 독자적인 기술이다. 성능과 전력효율을 높이며, 핀펫 공정과도 호환성이 높아 기존 설비와 제조 기술을 활용할 수 있다.

TSMC는 파운드리의 전통적인 강자로 몇 년간 압도적인 1위를 유지하고 있지만 최근 삼성전자는 기술력을 바탕으로 고객사를 확보하며 파운드리 업계에서 신뢰를 쌓고 있다.

지난해 8월 삼성전자는 IBM 차세대 서버용 CPU 파워10을 수주했다. IBM 파워10은 삼성전자 7nm 공정으로 생산됐다. 앞서 언급한 퀄컴 스냅드래곤 888은 삼성전자 5nm 공정으로, 세계 최대 GPU 기업 엔비디아 지포스 3000시리즈는 8nm 공정으로 각각 생산한다.

AI타임스 양대규 기자 yangdae@aitimes.com

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