TSMC, Intel, Samsung의 최첨단 파운드리 로드맵 — 1.4nm 노드 및 그 이후를 향한 경로 개괄

Intel Foundry, Samsung Foundry, TSMC 등 세 곳의 최첨단 파운드리 모두 2nm급 공정 기술을 사용한 칩의 양산에 착수했습니다. Samsung은 2025년 중반경 SF2 노드를 사용하여 가장 먼저 생산을 시작했습니다(비록 이것이 SF3P의 리브랜딩이라는 주장도 있을 수 있지만). Intel은 11월에 18A 노드로 그 뒤를 이었으며(애리조나의 생산 라인이 아닌 오리건의 개발 라인에서 진행됨), TSMC는 12월에 대만의 두 양산 팹(fab)에서 N2 공정을 사용하여 대량 제조(high-volume manufacturing)를 시작했습니다. 우리는 이 세 곳의 최첨단 파운드리가 다음에 나아갈 방향을 개괄합니다.

시장의 현재 상태

최첨단 공정 기술을 개발하고 첨단 노드를 지원하는 대량 생산용 팹(fab)을 구축하는 데 필요한 자본, 전문 지식 및 경험의 양이 매우 방대하기 때문에 현재 전 세계에서 이를 생산할 수 있는 기업은 단 세 곳뿐입니다. Rapidus와 같은 기업들은 아직 실행 가능한 최첨단 칩 제조사임을 증명하지 못했습니다. 한편, 세 곳의 선도적인 파운드리 모두 전통적인 노드 스케일링(node scaling)에서 더 세분화된, 아키텍처 및 제품 중심의 접근 방식으로 전환하고 있으나, 서로 다른 우선순위를 가지고 이를 수행하고 있습니다.

TSMC는 공격적인 전문화와 결합된 예측 가능한 스케일링에 집중하고 있으며, 이것이 TSMC의 로드맵이 후면 전력 공급 네트워크 (BSPDN, backside power delivery network)를 포함하는 고성능 컴퓨팅(HPC) 지향 기술과, 이를 포함하지 않는 비용/밀도 최적화 노드로 나뉘어 있는 이유입니다.

Samsung은 광범위한 노드 변형을 보유하고 있지만, 현재는 스케일링보다는 수율 개선에 더 집중하고 있으며, 이로 인해 Samsung의 로드맵은 돌파구 중심이라기보다는 반복적인(iterative) 성격이 강해 보입니다. 이것이 아마도 Samsung이 BSPDN 구현 측면에서 경쟁사보다 뒤처져 있는 이유일 것입니다.

Intel은 게이트 올 어라운드 (GAA, gate-all-around) RibbonFET 트랜지스터와 PowerVia BSPDN의 결합된 구현, 빠른 반복, 그리고 경쟁사들보다 몇 년 앞선 2027~2028년의 공격적인 High-NA EUV 리소그래피(lithography) 추구를 통해 가장 공격적인 기술 로드맵을 추진하고 있는 것으로 보입니다.

Intel Foundry: 가장 야심 찬 칩 제조사

파운드리 시장의 새로운 플레이어이자 대형 종합 설계 제조사 (IDM)인 Intel은 자사 제품의 요구 사항을 충족하는 동시에, 반드시 최첨단 공정 기술을 필요로 하지 않는 고객사들을 확보하는 것을 목표로 하는 다각적인 전략을 추진하고 있습니다.

Intel의 로드맵은 다른 선도적인 파운드리들의 계획과 비교했을 때 가장 야심 차지만, 동시에 가장 변동성이 크다고 할 수 있습니다. 한편으로 Intel은 자사의 소비자용 및 데이터 센터 제품을 차별화하기 위해 최고의 제조 기술이 필요합니다. 이를 위해 Intel은 18A 및 후속 공정 기술을 통해 성능, 전력 효율성, 그리고 트랜지스터 밀도를 극대화하고자 GAA 트랜지스터와 BSPDN의 동시 구현에 승부수를 던졌습니다. 다른 한편으로, Intel은 자동차 및 스마트폰 분야의 고객이 전무하기 때문에, 이러한 애플리케이션에 특화된 기술은 보유하고 있지 않습니다.

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| 15% perf. per watt | 10% perf. per watt | 18% | 25% - 35% | lower |
| 15% perf. per watt | 10% perf. per watt | 9% | 15% - 20% | higher |
| 1.3X | slightly higher | - | 1.3X | higher |
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Intel의 18A는 회사의 소비자용 CPU 생산을 다시 자사 팹 (fabs)으로 복귀시킬 것이기에, 지난 수년간 회사에 있어 아마도 가장 중요한 기술일 것이며, 이는 마진을 크게 개선할 것으로 기대됩니다. 비록 회사가 18A의 수율 (yield)을 개선하는 과정에 있고 현재 18A의 물량이 상당하지는 않지만, Intel은 이미 18A-P (향상된 성능 및 개선된 전력 효율성 제공) 및 18A-PT (관통 실리콘 비아 (TSVs)를 지원하며 3D 통합 시스템 인 패키지 (SiP)에 사용 가능)와 같은 후속 개선 기술을 준비하고 있습니다.

그 너머로, Intel은 2027 ~ 2028년 생산 준비 및 조기 양산을 목표로 14A 및 14A-E를 겨냥하고 있습니다. 이 노드들은 Intel의 2세대 RibbonFET GAA 트랜지스터, 개량된 PowerDirect 후면 전력 공급 (Backside Power Delivery), 그리고 핵심 데이터 경로의 성능을 향상시키기 위한 Turbo Cells를 도입할 예정입니다.

이들은 적어도 일부 14A 및 14A-E 변형 모델에 대해 High-NA EUV 리소그래피 (Lithography)를 사용하는 회사의 첫 번째 노드가 될 것이며, 이는 경쟁 노드와 비교하여 Intel을 차별화할 기술을 도입하려는 또 다른 시도가 될 것입니다. Intel은 외부 고객들의 14A에 대한 관심이 상당하다고 밝혔습니다. Musk의 Terafab 프로젝트는 고객이 아닌 라이선스 보유자 (Licensee)로서 Intel의 14A를 사용할 예정입니다.

동시에, Intel은 성능 향상 (P), 기능 향상 (E), 관통 실리콘 비아 (TSV) 지원 (T)을 포함하여 다양한 사용 사례를 해결하기 위해 노드 변형 (Node Variants)에 크게 의존하고 있습니다. 이러한 공정 기술은 Intel이 소비자 및 데이터 센터 애플리케이션을 위한 맞춤형 멀티 칩렛 (Multi-chiplet) 제품을 구축할 수 있도록 하는 데 필요하며, 이는 대부분의 제품을 사내 팹 (In-house fabs)에서 생산하려는 전략을 직접적으로 지원합니다.

Intel의 로드맵에는 안정적인 수익원을 확보하기 위해 최첨단 애플리케이션 이외의 수요를 포착하려는 전략을 추진함에 따라 Intel 16 및 UMC 12와 같은 성숙 공정 (Mature nodes)에 대한 지속적인 투자도 포함되어 있습니다.

Intel의 계획은 공격적이고 야심 차지만, 2024년 말 20A의 갑작스러운 취소는 이러한 로드맵과 관련된 실행 리스크 (Execution risks)를 부각시킵니다.

Samsung Foundry: 노드보다 수율이 더 중요한 시점

Samsung은 Intel 및 TSMC보다 3년 앞선 2022년에 SF3E 기술을 통해 GAA (Gate-All-Around) 트랜지스터를 도입한 첫 번째 기업이었습니다. 그러나 낮고 예측 불가능한 수율 (Yields)로 인해 이 기술의 채택은 암호화폐 채굴용 ASIC과 같은 니치 시장 (Niche applications)으로 제한되었습니다. SF3는 더 성숙한 기술이었음에도 불구하고, 주로 내부적으로 사용되는 일부 애플리케이션에만 채택되었습니다. 그 결과, Samsung이 제작하는 가장 고성능의 칩들은 FinFET 기반의 SF4P 및 SF4X를 사용하여 생산되고 있으며, 이는 회사를 경쟁사들보다 뒤처지게 만들고 있습니다.

현재 Samsung의 최우선 과제는 결함 밀도 (Defect density)를 줄이고, 수율을 높이며, 안정적인 수율을 확보하는 것입니다. 작년에 Samsung은 SF2 노드 (이를 '1세대 2nm GAA 공정'이라 부름)를 사용하여 모바일 SoC (System-on-chips)를 만들기 시작했지만, 올해 회사의 주요 목표 중 하나는 '2세대 2nm [SF2P]를 확대하고 성능 및 전력 최적화된 4nm 공정을 준비하는 것'이며, 이는 SF2의 채택이 제한적임을 시사합니다. 저전력 4nm급 노드가 회사의 주요 주력 제품 (Workhorse)이 될 것이라는 사실은 명확합니다. 또한 회사의 로드맵은 2026년 SF2X (HPC 지향)와 2027년 SF2A (자동차 애플리케이션용) 및 SF2Z (BSPDN이 적용된 SF2X)를 나타내고 있지만, 이러한 노드들이 널리 채택될지는 미지수입니다.

그럼에도 불구하고, SF2 노드의 진화에 대한 Samsung의 반복적인 접근 방식 (SF2 => SF2P => SF2X => 후면 전력 공급이 적용된 SF2X)은 분명하며, 이는 회사의 수율이 점진적으로 개선될 것이라는 희망을 줍니다.

Samsung의 다음 주요 노드는 소비자 및 스마트폰 애플리케이션에 최적화된 1.4nm급 공정 기술인 SF1.4가 될 것이며, 여기에는 후면 전력 공급 (Backside power delivery) 기술이 포함되지 않을 것입니다. Samsung의 슬라이드는 SF1.4를 SF3 및 SF2 제품군보다 상위에 배치하고 있는데, 이는 이 제조 공정이 새로운 GAA 트랜지스터 설계나 기타 주요 개선 사항과 같은 중대한 향상 기능을 포함할 수 있음을 시사합니다. Samsung은 2027년에 SF1.4 기술로 칩을 양산할 계획이며, 이를 통해 1.4nm 노드로 Intel 및 TSMC를 공식적으로 앞지를 수 있기를 기대하고 있습니다.

한 가지 큰 의문이 남아 있는데, 그것은 Samsung이 SF1.4를 시작으로, 혹은 그 이후에 EUV 리소그래피 (EUV lithography) 장비에 펠리클 (pellicle)을 마침내 사용하기 시작할 계획인지 여부입니다. 펠리클의 부재는 수율을 저하시킬 수 있는 확률론적 마스크 유래 결함 (stochastic mask-borne defects)의 수를 크게 증가시키며, 이러한 결함은 2nm 공정에서 점점 더 지배적으로 나타나고 있으며 더 미세한 노드에서는 훨씬 더 악화되고 있습니다.

TSMC: 시계태엽처럼 정확한 신기술 도입

TSMC의 로드맵은 세 기업 중 가장 구조화되어 있고 실행 중심적인 상태를 유지하고 있습니다. 세계 최대의 위탁 칩 제조사인 TSMC는 Apple의 스마트폰부터 AMD의 서버용 EPYC 'Venice' CPU에 이르기까지 광범위한 애플리케이션의 수요를 충족하기 위해, 작년 말 두 개의 팹 (fab)에서 동시에 GAA 나노시트 트랜지스터 (GAA nanosheet transistors)가 적용된 첫 번째 노드인 N2 공정 기술을 이용한 칩 양산을 시작했습니다. 두 개의 팹에서 동시에 대량 생산을 시작하는 것은 업계에서 드문 일이지만, AI 부문의 수요로 인한 구조적 변화가 업계의 많은 것을 바꾸고 있는 것으로 보입니다.

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| -15% ~ -20% | lower | 8% - 10% | -25% ~ -30% | ? | lower |
| 8% - 10% | 10% | 3% - 4% | 10% - 15% | ? | higher |
| 1.07x - 1.10x | ? | ? | 1.2x | ? | denser |
| ... |

TSMC는 전통적인 전면 전력 공급 (frontside power delivery) 방식을 사용하는 성능 강화형 N2P와, 그 위에 후면 전력 공급 (backside power delivery)을 추가한 A16 기술을 사용하여 칩 제조를 시작할 궤도에 올라 있으며, 이러한 분리는 최첨단 기술에 대해 점점 더 세분화된 접근 방식을 취하는 TSMC의 전략을 잘 보여줍니다.

앞으로 이 회사는 BSPDN (Backside Power Delivery Network)을 적용하거나 적용하지 않은 첨단 기술을 계속 제공할 예정입니다. 이 기능은 소비자 및 스마트폰 애플리케이션에는 비용이 너무 많이 들 수 있지만, 고성능 데이터 센터 프로세서에는 분명히 가치가 있기 때문입니다. 예를 들어, A14는 2028년에 스마트폰 지향 노드로 등장하지만, 2029년에 BSPDN이 도입되면서 다시 데이터 센터 지향 노드로 재등장하게 될 것입니다.

또한, 이 회사는 비용에 더 민감한 애플리케이션을 위해 N4C, N3C, 그리고 궁극적으로 N2C와 같은 주류 노드 (mainstream nodes)를 지속적으로 제공할 것입니다. 차량용 특화 노드 (N7A, N5A, N3A)는 성능과 트랜지스터 밀도보다 신뢰성과 수명을 우선시하기 때문에, 최첨단 노드보다 1~2세대 뒤처지게 될 것입니다.

TSMC의 세분화 (segmentation) 및 첨단 제조 노드의 연간 주기 (yearly cadence)를 통해, 이 파운드리는 Apple, AMD, Intel, Nvidia 또는 Qualcomm과 같이 가장 까다로운 고객들에게 경쟁력 있는 공정 기술을 제공할 수 있습니다. 궁극적으로, 이러한 주기와 폭넓은 노드 범위는 가장 예측 가능하고 상업적으로 규율 잡힌 파운드리로서 TSMC의 입지를 강화합니다.

분열된 미래

요약하자면, TSMC는 단순한 휴대폰에서부터 고성능 서버에 이르기까지 다양한 애플리케이션의 압도적인 수요를 충족하기 위해 두 개의 팹 (fabs)에서 2nm급 노드를 증설하며, 실행 규율 (execution discipline)과 세분화에 계속해서 승부수를 던지고 있습니다.

Intel은 아키텍처 측면의 야망에서 앞서 나가고 있는데, 현재 게이트 올 어라운드 (Gate-All-Around, GAA) 트랜지스터와 후면 전력 공급 (backside power delivery) 기술을 모두 특징으로 하는 공정 기술을 사용하는 유일한 기업이기 때문입니다. 하지만 이 회사는 수율 (yields)이 2027년이 되어서야 세계적인 수준에 도달할 것이라고 인정하고 있으며, 이는 Intel의 18A 노드가 까다로운 고객들에게 상당히 매력도가 떨어지게 만들 가능성이 높습니다.

Samsung은 그 중간 어디쯤에 위치하며, 다양한 애플리케이션을 위해 폭넓은 공정 기술을 제공하고 있습니다. 하지만 GAA 기반 노드의 수율이 과제가 되어 왔으며, 이로 인해 현재 이 회사는 경쟁사를 앞지르려는 시도보다는 수율 향상에 집중하고 있습니다.

Anton Shilov는 Tom’s Hardware의 기고가입니다. 지난 수십 년 동안 그는 CPU와 GPU부터 슈퍼컴퓨터, 현대적 공정 기술과 최신 팹 장비(fab tools)에서 하이테크 산업 트렌드에 이르기까지 모든 분야를 다뤄왔습니다.