TSMC, 2022년 3nm 공정 대량 생산 시작한다

세계 최대 반도체 파운드리인 TSMC는 2020년 6월부터 5nm 제조공정을 이용한 반도체 제품 제조를 공식 시작했다. 이런 가운데 웨이저쟈(魏哲家) TSMC CEO가 차세대 5nm 제조공정과 3nm 제조공정 대량 생산 개시 시기와 2nm 제조공정 연구 개발 상황에 대해 밝혀 눈길을 끈다.

TSMC는 2020년 6월 세계에서 처음으로 5nm 제조공정 N5에서 반도체 생산을 시작했다. 웨이저쟈 CEO는 이미 N5는 양산 2년째에 접어들어 당초 계획보다 뛰어난 수율을 실현하고 있다면서 2021년 N5 매출은 TSMC 반도체 수익 20%에 도달할 전망이라고 밝히고 있다.

보도에 따르면 TSMC가 생산한 반도체 용도는 공개하지 않지만 N5가 애플 M1과 애플 A14 바이오닉에 사용되고 있다면서 N5가 TSMC 최대 고객인 애플이 개발한 SoC에 이용되고 있다고 분석하고 있다.

웨이저쟈 CEO는 또 스마트폰과 HPC 애플리케이션 수요 증가로 인해 N5 수요는 앞으로 몇 년간 꾸준히 성장할 전망이라고 밝히고 있다. 보도에선 그가 말한 HPC 응용 프로그램에는 CPU와 GPU, FPGA, AI 가속기, 게임기에 탑재한 SoC 등 다양한 종류 제품이 포함된 것이라면서 N5가 어떤 제품에 채택되고 있는지 알 수 없지만 HPC 애플리케이션에 N5 채용이 진행된다는 건 중요한 사실이라고 지적하고 있다.

한 애널리스트는 TSMC의 N5가 1mm²당 1억 7,000만 개 트랜지스터를 갖추고 있다고 밝히고 있다. 이에 비해 삼성전자 5nm 제조공정은 1mm²당 1억 2,500만 개에서 1억 3,000만 개이며 인텔은 10nm 제조공정으로 1mm²당 1억 개 트랜지스터를 갖추고 있다. TSMC의 N5는 2021년 4월 시점으로 유효한 가장 밀도가 높은 기술이라는 평가다.

또 TSMC는 몇 주 안에 절전 버전 5nm 제조공정인 N5P 반도체 생산을 시작할 예정이라고 한다. TSMC는 N5P가 N5와 같은 소비전력으로 동작 주파수를 최대 5% 증가, 같은 동작 주파수에서 소비전력을 최대 10% 줄일 수 있으며 반도체 설계 기업이 N5에서 N5P로 전환을 원활하게 실시할 수 있다는 등 특징을 설명하고 있다.

TSMC는 N4 반도체 제조를 2021년 하반기 시작해 2022년에는 대량 생산을 시작할 예정이다. N4는 N5와 같은 설계 규칙과 제조 장비를 채택하면서 N5보다 PPA 그러니까 성능과 소비전력, 트랜지스터 밀도를 끌어올리고 생산 단계에서 EUV 리소그래피 사용을 N5보다 확장한 것이다. 웨이저쟈 CEO는 N4가 N5와 호환 설계 규칙을 이용한다며 N5에서 키운 강력한 기술 기반을 활용해 5nm 공정을 확장할 것이라고 밝히고 있다.

TSMC는 2022년 N4 대량 생산을 시작하기 전에 EUV를 이용한 생산에 3년, N5 생산에 2년간 경험을 쌓을 수 있다. 따라서 N4 수율은 높고 안정된 성능을 제공할 것으로 예상할 수 있다는 기대감을 보이고 있다.

TSMC는 3nm 제조공정인 N3에 의한 반도체 대량 생산을 2022년 하반기 시작하는 걸 목표로 하고 있다. N3은 N5보다 동일 전력으로 10∼15% 성능 향상과 동일 성능이면 25∼30% 소비 전력 절감이 예정되어 있다. 또 N3은 EUV 리소그래피와 DUV 리소그래피 같은 기존 기술을 채택한다. 삼성전자는 3nm 제조공정인 3GAE를 위해 자체 GAAFET인 MBCFET를 개발 중이지만 이에 비해 TSMC의 N3은 새로운 기술 개발이 필요 없다는 점을 주목할 필요가 있다.

웨이저쟈 CEO는 TSMC가 N3 대량 생산을 2022년 하반기 시작하는 걸 목표로 하고 있다면서 자사는 N5와 N3 모두에 자신감을 갖고 있으며 TSMC에 장기적으로 이익을 가져올 것이라는 말로 N3에 대한 기대감을 밝혔다.

TSMC는 또 GAAFET을 이용한 2nm 제조공정 연구 개발도 실시하고 있다. TSMC가 공개한 2020년 연례보고서에 따르면 2nm 제조공정 연구 개발은 순조롭게 진행 중이며 TSMC는 2nm 이상 미세 공정을 위해 메모리 기술과 3D 트랜지스터 등 분야에 초점을 맞추고 연구 개발 중이라고 밝히고 있다.

TSMC는 최근 3년간 연구개발비 100억 달러에 30억 달러를 추가 투입했다. TSMC가 연구 개발을 확대하고 있다는 건 주목할 만하다는 평가다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.