반도체 GAA기술을 알아보자.

26년 반도체 업계의 가장 뜨거운 화두인 GAA (Gate All Around) 기술은 쉽게 말해 전류가 흐르는 통로를 대문(Gate)이 4면에서 완전히 감싸는 구조를 말한다.

자율주행 칩처럼 고성능과 저전력이 동시에 필요한 분야에서 왜 이 기술이 꿈의 기술로 불리는지 핵심 내용을 정리해 보자.

기존에는 FinFET이라는 기술을 사용했다.

이는 전류가 흐르는 통로(Channel)가 마치 물고기 등지느러미 (Fin)처럼 툭 튀어나온 구조로 대문이 3면을 감싸고 있다.

하지만 반도체가 3 나노 이하로 미세해지면서 문제가 생겼다. 통로가 너무 작아지다 보니, 대문이 닿지 않는 바닥면으로 전류가 줄줄 새는 누설 전류 현상이 심해진 것이다.

이는 칩의 발열을 높이고 성능을 떨어뜨리는 주범이 되었다.

GAA는 이 문제를 해결하기 위해 통로를 아예 공중에 띄운 나노시트 형태로 만들고, 대문이 상하좌우 4면 전체를 감싸게 했다.

완벽한 통제 : 전류가 흐르는 길을 사방에서 꽉 잡고 있기 때문에 누설 전류를 거의 완벽하게 차단한다.

고성능/저전력 : 동일한 면적에서 기존 대비 성능은 약 30% 향상시키고, 소비 전력은 50%까지 절감할 수 있다.

설계 유연성 : 통로의 너비를 조절해 전력을 더 아끼거나 성능을 극대화하는 등 용도에 맞게 최적화하기 좋다.

삼성과 TSMC가 GAA 기술을 발전시키기 위해 노력하고 있는데 두 회사의 전략은 조금 차이가 있다.

삼성전자는 2022년 3 나노부터 GAA를 도입했으며 현재 3 나노 2세대 (SF3) 양산 중이며, 2 나노 GAA수율을 높이기 위해서 노력 중이다.

삼성전자는 GAA를 선점했기 때문에 GAA 운영 노하우가 더 축적되고 있다고 보인다.

TSMC는 25년 말부터 2 나노부터 도입을 했고 25년 4분기 2 나노 양산을 시작했고 26년에 본격적으로 가동했다.

자율주행차는 수십 개의 카메라와 센서 데이터를 실시간으로 처리해야 하므로 발열 관리가 생명이다.

칩이 뜨거워지면 성능을 강제로 낮춰야 하는데 이는 자율주행 중 사고로 이어질 수 있기 때문이다.

따라서 발열이 적고 효율이 높은 GAA 공정으로 만든 반도체는 자율주행 칩 시장에서 가장 강력한 경쟁력이 된다.

그럼 구조적인 차이와 시장 흐름에 대해서 알아보자.

1. FinFET vs GAA 구조적 차이와 장단점

FinFET은 기존 주류로 3면 감싸기로 물고기 지느러미 형태이다.

기술 성숙도가 높아 수율이 안정적이며 제조 비용이 상대적으로 저렴하다.

3 나노 이하 공정에서 전류가 새는 단채널 현상이 발생되며 발열 제어의 한계가 존재한다.

이 때문에 5 나노~14 나노급이 주력 반도체이다.

GAA는 차세대 표준으로 나노 와이어보다는 나노 시트 형태를 사용한다.

전류 조절 능력이 극대화되어 누설 전류를 거의 완벽히 차단해 저전력, 고성능 구현에 최적화되어 있다.

공정 난이도가 극도로 높아 초기 수율 확보가 어렵고 제조 단가가 매우 높다.

3 나노 이하 최첨단 AI 및 자율주행 칩에 사용된다.

2. 삼성전자와 TSMC, 인텔의 투자 방향 및 전략

삼성전자 : GAA 선점과 파운드리 재도약

세계 최초로 3 나노에 GAA를 도입한 경험을 바탕으로 GAA 숙련도에서 앞서 나가는 전략이다.

미국 테일러 공장과 평택 캐퍼스에 GAA 전용 라인을 대거 증설하고 있다.

2 나노 공정에 사활을 걸고 있으며 테슬라와 같은 대형 고객사를 GAA 기술력으로 묶어 두는데 집중하고 있다.

TSMC : 안정적 이행과 파운드리 생태계 수성

급격한 변화보다는 안정성을 중시한다.

3 나노까지는 기존 FinFET을 고수하며 수익을 극대화했고, 2 나노부터 GAA를 도입하는 신중한 전환을 선택했다.

인텔 : 1.8 나노를 통한 명예 회복

파운들 2위 탈환을 위해 공격적인 공정 로드맵을 가동 중이다.

GAA 기술인 리본펫을 2 나노급 이하 공정에 빠르게 도입하고 있다.

3. 자율주행 시장에 미치는 영향

자율주행 칩 설계사인 NVIDIA, Tesla, Qualcomm 등은 현재 이 세 회사에 GAA 수율 향상을 예의주시하고 있다.

발열 관리 : 자율주행차의 좁은 공간에서 칩의 열을 식히는 것은 큰 숙제인데, GAA는 이 문제를 근본적으로 해결해 준다.

전비 효율 : 전기차의 주행 거리를 1km라도 더 늘려야 하는 제조사 입장에서 소비 전력이 낮은 GAA 기반 칩은 필수 선택지가 되고 있다.

반도체 나노 공정이 초미세화 되면서 예전에 사용하던 구조도 발전을 요구하게 되었고 그렇게 해서 발전을 하고 있는 것이 바로 GAA이다.

반도체 기술의 변화가 가지고 올 미래의 기술의 변화에 대해서 주목할 수 있도록 하자.