삼성전자, 2세대 GAA 기술로 파운드리 시장 공략 본격화

삼성전자가 5일 세계 최초로 2나노미터(nm) 2세대 GAA(Gate-All-Around) 공정 양산에 돌입했다고 발표했다. 이번 양산은 기존 FinFET 구조의 한계를 뛰어넘는 MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET) 기술을 적용한 것으로, 글로벌 파운드리 시장에서 TSMC와의 기술 격차를 크게 좁힐 것으로 전망된다.

삼성전자 파운드리사업부 최시영 사장은 "2nm GAA 공정은 AI 시대를 위한 게임 체인저"라며 "전력 효율성과 성능 면에서 기존 3nm 대비 각각 40%, 15% 개선된 결과를 확인했다"고 밝혔다. 특히 이번 공정은 엔비디아, 구글, 아마존 등 주요 AI 칩 설계 기업들의 차세대 제품에 적용될 예정이다.

업계에 따르면 삼성전자는 화성캠퍼스 S5 라인에서 월 2만 장 규모의 웨이퍼 생산 체제를 구축했으며, 하반기에는 평택캠퍼스로 확대해 월 5만 장까지 증산할 계획이다. 이는 TSMC가 2026년 하반기 2nm 양산을 목표로 하는 것보다 6개월 이상 앞선 것으로, 삼성전자가 파운드리 시장에서 선두주자로 나설 수 있는 기회를 확보한 셈이다.

AI 반도체 수요 폭증, 파운드리 경쟁 심화

글로벌 AI 반도체 시장이 연평균 35% 이상 성장하면서 첨단 공정 파운드리 수요가 급증하고 있다. 시장조사기관 가트너는 2026년 AI 칩 시장 규모가 1,200억 달러(약 160조 원)를 돌파할 것으로 전망했으며, 이 중 70% 이상이 5nm 이하 첨단 공정으로 생산될 것으로 예측했다.

특히 ChatGPT, Claude, Gemini 등 거대언어모델(LLM)의 발전으로 AI 가속기 수요가 폭발적으로 증가하면서 파운드리 업체들의 기술 경쟁이 치열해지고 있다. TSMC는 현재 3nm 공정에서 약 60%의 시장점유율을 확보하고 있지만, 삼성전자의 2nm 선제 양산으로 판도 변화가 예상된다.

삼성전자는 이미 구글의 차세대 TPU(Tensor Processing Unit) v6, 엔비디아의 AI 칩 일부 물량을 확보한 것으로 알려졌다. 특히 구글은 기존 TSMC 중심 공급망에서 벗어나 리스크 분산을 위해 삼성전자와의 협력을 강화하고 있다. 한 반도체 업계 관계자는 "빅테크 기업들이 TSMC 의존도를 낮추려는 움직임이 뚜렷하다"며 "삼성의 2nm 공정이 수율을 안정화하면 대규모 물량 전환이 가능할 것"이라고 전망했다.

MBCFET 기술, 전력효율 혁신의 핵심

이번 2nm 공정의 핵심은 MBCFET 기술이다. 기존 FinFET 구조가 채널을 3면에서만 감싸는 방식이었다면, GAA 방식은 채널을 사방에서 완전히 둘러싸 누설전류를 획기적으로 줄였다. 특히 2세대 GAA는 나노시트 적층 구조를 최적화해 성능과 면적 효율을 동시에 개선했다.

삼성전자 연구진에 따르면 2nm GAA 공정은 동일 전력 소비 시 3nm 대비 처리 성능이 15% 향상되며, 동일 성능 기준 전력 소비는 40% 감소한다. 이는 데이터센터용 AI 칩에 특히 중요한 의미를 갖는다. 마이크로소프트, 메타 등 클라우드 기업들은 AI 모델 학습과 추론에 소요되는 전력 비용이 급증하면서 에너지 효율이 높은 칩을 요구하고 있다.

반도체 전문 애널리스트 김동원 박사는 "AI 워크로드는 기존 CPU보다 10배 이상 전력을 소비한다"며 "2nm 공정의 전력 효율 개선은 데이터센터 운영비용을 연간 수십억 달러 절감할 수 있는 수준"이라고 설명했다. 실제로 오픈AI의 GPT-4 학습에는 약 2만5천 개의 GPU가 사용됐으며, 이는 수십 메가와트의 전력을 소비한 것으로 추정된다.

인텔 추격, TSMC 반격 속 삼성의 승부수

삼성전자의 2nm 양산은 글로벌 파운드리 3강 구도에도 변화를 예고한다. 현재 TSMC가 약 60%의 압도적 시장점유율을 보유하고 있으며, 삼성전자는 15%, 인텔은 파운드리 사업을 본격화하며 추격 중이다.

TSMC는 애리조나와 일본 공장 건설을 가속화하며 지정학적 리스크에 대응하고 있지만, 2nm 양산 시점이 2026년 하반기로 예정돼 있어 삼성전자에 시간적 우위를 내줬다. TSMC 내부에서는 삼성의 선제 양산에 대응해 3nm 개선 버전인 N3P 공정을 적극 마케팅하며 고객 이탈을 막고 있다.

인텔은 'Intel 18A'(1.8nm급) 공정 개발에 집중하며 2027년 파운드리 시장 본격 진출을 예고했다. 팻 겔싱어 인텔 CEO는 "5년 내 5세대 공정 개발"이라는 공격적 로드맵을 제시했으며, 마이크로소프트와 미 국방부 등 주요 고객을 확보했다고 밝혔다.

시장조사기관 트렌드포스는 "2026년 파운드리 시장은 AI 칩 수요로 전년 대비 18% 성장할 것"이라며 "삼성의 2nm 수율이 80%를 넘어서면 시장점유율 20% 달성도 가능할 것"이라고 전망했다. 삼성전자는 초기 수율 70% 수준을 3분기까지 85% 이상으로 끌어올린다는 계획이다.

[AI 분석] 반도체 패권 경쟁의 새로운 국면

삼성전자의 2nm GAA 양산은 단순한 기술 진보를 넘어 글로벌 반도체 패권 경쟁의 새로운 국면을 예고한다. 미·중 기술 경쟁이 심화되는 가운데 첨단 공정 반도체는 AI, 국방, 양자컴퓨팅 등 미래 기술의 핵심 인프라로 부상했다.

향후 전망은 세 가지 시나리오로 요약된다. 첫째, 삼성이 수율을 빠르게 안정화해 TSMC 고객사 일부를 확보하는 시나리오다. 엔비디아, AMD 등이 공급망 다변화 차원에서 물량을 배분할 경우 파운드리 시장 재편이 가능하다. 둘째, TSMC가 3nm 개선 버전과 CoWoS 패키징 기술로 종합 경쟁력을 유지하며 점유율을 방어하는 시나리오다. 셋째, 인텔이 18A 공정으로 시장에 파괴적 변수로 작용하는 시나리오다.

업계 전문가들은 "AI 반도체 수요가 워낙 크기 때문에 승자독식이 아닌 다극화 구도가 형성될 것"이라고 전망한다. 특히 지정학적 리스크로 인해 고객사들이 특정 파운드리 의존도를 낮추려는 경향이 뚜렷해 삼성전자에게는 기회가 될 수 있다.

기술적으로는 2nm 이후 1.4nm, 1nm로 향하는 로드맵에서 EUV(극자외선) 노광 장비의 고도화, 새로운 소재 도입, 3D 적층 기술이 관건이 될 전망이다. ASML의 차세대 High-NA EUV 장비 도입 시기와 GAP(Graphene-Aluminum-Polymer) 등 신소재 상용화가 차세대 경쟁의 승부처가 될 것으로 보인다.

삼성전자의 이번 양산 성공은 한국 반도체 산업의 기술 자립도를 높이고, AI 시대 핵심 인프라 확보라는 전략적 가치를 지닌다. 다만 초기 수율 안정화, 대규모 설비투자 회수, 인재 확보 등 해결해야 할 과제도 산적해 있다. 향후 6개월간의 양산 안정화가 파운드리 시장 판도를 결정할 것으로 전망된다.