[딜사이트 김민기 기자] 삼성전자가 갤럭시S25에 모바일 애플리케이션 프로세서(AP) 엑시노스 2500 탑재가 실패하면서 3나노미터(㎚) 2세대 GAA(게이트올어라운드) 기술 조기 도입에 대한 의구심이 커지고 있다. 삼성전자는 2022년 6월 업계 최초로 GAA 기반의 3나노 양산을 시작하며 파운드리 미세공정 기술력을 자랑했으나 아직 제대로 된 고객사를 확보하지 못하고 있다.

업계에서는 삼성 파운드리 3나노 공정의 가장 큰 문제로 저조한 수율과 전력효율성을 꼽고 있다. TSMC를 잡기 위해 도입한 GAA 기술이 오히려 발목을 잡는 것이 아니냐는 지적도 나온다. 연구소에서 수율이 나오지도 않은 상황에서 양산 공정으로 이관하면서 안정성이 떨어지고, 무리하게 선단공정 개발에 나서면서 제대로 된 제품이 나오지 못하고 있다는 분석이다.

삼성전자는 올해 7월 삼성전자가 업계 최초로 3나노 공정 기반의 웨어러블용 프로세서(AP) '엑시노스 W1000'을 공개했다. 웨어러블용 칩셋 중에서 최초로 3나노 GAA 공정을 적용했다. 당초 올해 1분기 기준 W1000의 수율은 30~40%대 수준으로 알려졌다. 다만 갤럭시 워치7에 들어가는 만큼 다이 사이즈가 17.67㎟ 수준으로 작고 원가도 낮아 수율이 낮지만 양산을 진행한 것으로 알려졌다.

통상 제품 양산이 진행되려면 수율이 60% 이상은 나와야 하기 때문에 업계에서는 W1000 제품이 나오면서 3나노 GAA 1세대 수율이 60%가 넘었을 것이라는 전망도 나왔다. 2분기 기준 정확한 수율이 나오지는 않았지만 다이 사이즈가 작아서 수율이 낮아도 양산이 가능했을 것이라는 분석도 나온다.

하지만 최근 갤럭시 S25에 탑재될 예정이었던 엑시노스 2500이 수율 문제로 양산이 어렵다는 것이 밝혀지면서 또 다시 3나노 공정의 수율과 품질 문제가 도마 위에 오르고 있다. 2분기 수율을 20%까지 올렸지만 여전히 양산에 이르기에는 모자란 수준으로 알려졌다. 올해 하반기까지 60%대까지 올리겠다는 계획이다. 일각에서는 엑시노스 2500의 경우 수율이 애초 양산이 불가능한 상황이라 아예 내년 4월 중저가 제품인 갤럭시 S25 FE와 내년 7월 나오는 폴더블폰 신제품 탑재를 타깃으로 제품을 개발 중이라는 이야기도 나온다. 

실제 엑시노스 2300의 경우도 갤럭시 S23에 탑재를 실패한 후 갤럭시 S23 FE에 탑재한 바 있다. 그나마 4나노 3세대 공정인 SF4P 공정이 개선되면서 엑시노스 2400를 갤럭시S24에 일부 제품에 탑재하는 데 성공했다. 하지만 여전히 3나노에서는 제대로 된 고객사 확보에도 어려움을 겪고 있고 엑시노스 2500 양산에도 시간이 걸리는 상황이다. 

이에 업계에서는 삼성전자가 TSMC를 잡기 위해 GAA 공정을 무리하게 도입한 것이 아니냐는 지적도 나오고 있다. GAA는 기존 핀펫 구조와 비교해 공정 미세화에 따른 트랜지스터의 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도·전력 효율을 높일 수 있어 차세대 반도체 핵심 기술로 꼽힌다. 핀펫이 게이트와 채널이 3면에서 맞닿는 구조라면 GAA는 게이트가 채널 4면을 모두 감싸고 있는 구조다. 게이트와 채널간 접하는 면이 넓을수록 반도체 성능이 향상되고 동작 전압이 낮아지는데, GAA는 이러한 채널 조정 능력을 극대화한 구조다. TSMC도 2나노부터 GAA 기술을 도입할 방침이다.

하지만 경쟁사를 의식해 무리하게 신기술과 선단 공정을 도입하면서 안정성과 수율을 해치고 있다는 이야기도 나온다. 실제 메모리 사업에서도 삼성전자는 원가 경쟁력 강화를 위해 극자외선(EUV) 공정(5개 레이어)을 조기 도입했다. 하지만 안정화가 아직 안된 기술이다 보니 D램 10나노 1a(4세대) 공정에서 어려움을 겪고 1b(5세대)에서도 수율이 나오지 않은 상황이다. 1c(6세대)의 경우 아예 경쟁사인 SK하이닉스에세 세계최초 타이틀을 내줬다.

파운드리 역시 선단공정 도입 경쟁으로 수율 저하가 일어나면서 대형 고객사들은 모두 TSMC 3나노 공정에 뺏기는 상황이다. 실제 퀄컴과 미디어텍은 올해 말 스냅드래곤 8 Gen4와 디멘시티 9400을 TSMC의 3나노 N3E 공정으로 양산할 전망이다. 업계 관계자는 "파운드리의 경우 다양한 고객사 확보와 양산 경험을 통해 수율을 잡고 불량을 줄여나가야하는데 고객사가 TMSC로 넘어가면서 삼성전자는 수율을 올릴 기회도 줄고 있다"고 말했다. 

최근에는 삼성전자가 고대역폭메모리(HBM) 개발에 힘을 쏟으면서 상대적으로 파운드리에 대한 투자와 인력 보충 등도 중요도에서 밀리는 상태다. 파운드리 사업부의 경우 적자도 6개 분기 연속 이어지고 있고 이로 인한 인센티브도 적어 직원들의 동기부여도 떨어지고, 인력 이동도 많아 사실상 업무 과부하가 일어난 지 오래다. 부서 중심이 아닌 직무 중심의 조직 변화로 인해 조직간 이기주의와 갈등도 문제가 되고 있다.

업계 관계자는 "TSMC는 높은 근무강도로 직원들이 밤낮 없이 일하고 있지만 한국은 선진국이 되면서 과거처럼 강도 높은 근무가 더 이상은 어렵다보니 경쟁에서 밀릴 수 밖에 없는 구조"라며 "실패를 보고할 수 없는 문화, 고객사에게 수율과 성능을 제대로 보고하지 않는 문제 등도 하루빨리 개선돼야한다"고 말했다.