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전력 45% 절감, 성능 23% 향상… GAA는 어떤 기술

삼성전자 파운드리 사업부 정원철 상무(사진 왼쪽부터), 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. 삼성전자 제공

삼성전자는 초미세 공정의 한계를 돌파하기 위해 차세대 기술을 선제 도입했다. 3나노에 세계 최초로 게이트올어라운드(GAA, Gate-All-Around) 기술을 적용했다.

GAA는 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 4개면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태다. 트랜지스터는 반도체를 구성하는 주요 소자로 전류 흐름을 조절해 증폭하거나 스위치 역할을 한다. 트랜지스터에서 가장 중요한 부분은 게이트다. 게이트에 전압을 가하면 전류가 흐른다. 반도체 칩 하나에 트랜지스터가 수천만~수억개 들어가는데 미세공정이 이뤄지면서 트랜지스터 크기도 점점 작아져 정밀한 컨트롤이 필요해졌다.

채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 달리 GAA는 게이트가 채널의 아랫면까지 모두 감싸면서 면적이 넓어진다. 케이트와 채널이 접하는 면이 넓을수록 효율은 높아진다. GAA는 4면을 게이트가 둘러싸고 있어 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도, 전력 효율을 높인다.

삼성전자는 3나노 설계 공정기술의 최적화를 통해 PPA(Power·소비전력, Performance·성능, Area·면적)를 극대화했다. 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정에 비해 전력을 45% 절감하고, 성능을 23% 향상했다. 면적은 16% 축소됐다. 향후 GAA 2세대 공정에선 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소로 효율성이 더 높아진다.

TSMC는 2나노부터 GAA 기술을 적용할 계획이다. 업계에서는 삼성전자가 기술 선점을 통해 TSMC를 뛰어넘을 발판을 마련했다고 평가한다. 삼성전자 관계자는 “GAA는 3나노 이하 공정 한계를 극복할 수 있는 차세대 파운드리 의 ‘게임 체인저’가 될 것”이라고 말했다.

전성필 기자 feel@kmib.co.kr

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