[딜사이트 김민기 기자] 삼성전자가 차기 프리미엄 스마트폰 시리즈인 갤럭시S25에서 3나노미터(㎚·10억분의 1m) 공정으로 양산한 모바일 애플리케이션프로세서(AP) '엑시노스 2500' 탑재를 위해 총력을 기울이고 있다. 3나노 칩의 코드명을 '솔로몬'으로 정하고 양산 준비에 들어갔다.  

최근 삼성전자가 3나노 AP 제품 설계를 완료하고 삼성 파운드리 사업부를 통해 대량 양산 준비의 마지막 단계인 첫 테이프아웃(Tape-Out·시제품 양산)에 성공하면서 기대감이 올라가고 있다. 다만 본격적인 양산을 위해서는 수율과 성능이 중요한 상황이지만 아직까지는 부족한 부분이 많아 하반기 수율과 성능 향상에 총력을 기울여야 할 것으로 분석된다.

업계에 따르면 삼성전자는 글로벌 설계자동화(EDA) 기업인 시놉시스와의 협업을 통해 3나노 기반 모바일 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU) 등 시스템온칩(SoC) 설계와 시제품 양산에 성공했다.

이번 제품은 업계 최초로 3나노 공정에 삼성전자의 게이트올어라운드(GAA) 기술이 적용된 것으로 알려졌다. GAA는 트랜지스터의 채널과 게이트가 4면에서 맞닿게 하는 기술로, 채널과 게이트 접촉면이 3면에 그치는 기존 핀펫(Fin-Fet) 방식보다 반도체가 동작하는 전압을 낮추고 성능을 개선할 수 있다.

경쟁사인 대만 TSMC는 최근 3나노 2세대(N3E) 기술을 비롯한 3나노 파운드리 파생 공정을 잇따라 도입하면서 고객사 확대에 힘을 싣고 있다. TSMC는 3나노 2세대에 해당하는 N3E에 이어 N3P, N3X, N3AE 등으로 다양화해 고객사에 제공하겠다는 계획을 세우고 있다. 삼성전자는 이를 추격하기 위해 TSMC가 상용화하지 못한 GAA 기술을 적용해 격차를 줄이겠다는 전략이다.

삼성전자는 파운드리에서 TSMC와 3나노에서 치열한 경쟁을 벌이고 있지만 모바일AP 시장에서도 애플, 퀄컴 등과 함께 모바일 두뇌 싸움 선점에 총력을 기울이고 있다. 애플은 아이폰의 두뇌 역할을 하는 모바일 AP 'A 시리즈'를 내놓고 있다. 지난해 TSMC의 3나노 공정에서 A17을 양산해 애플 아이폰15 프로에 탑재했다.

반면 삼성전자는 지난 2022년 '갤럭시 S22' 시리즈에 '엑시노스 2200'을 얹었으나 당시 발열과 성능 저하 논란에 휩싸였다. 갤럭시 S23 시리즈에는 퀄컴의 AP인 스냅드래곤 시리즈를 사용했다. 올해 출시한 갤럭시 S24에는 기본형과 플러스 모델에 다시 엑시노스 2400을 탑재하면서 엑시노스의 복귀를 알렸다.

이런 상황에서 애플이 최근 신형 아이패드 프로를 발표하면서 전격적으로 M4 칩을 선보이는 파격적인 행보를 진행 중이다. 통상 1년 주기로 새로운 칩을 선보이는데 이번에는 전작인 M3 칩이 등장한 지 6개월 만에 M4를 선보였다. 최근 AI시대가 본격 도래하면서 AI 기능을 담당한 뉴럴엔진(NPU)의 성능을 강화한 M4를 빠르게 내놓은 것이다. 애플은 차기작인 '아이폰16'에도 TSMC의 2세대 3나노 N3E 공정으로 제조된 'A18' 칩을 사용할 것으로 알려졌다.

삼성전자 입장에서는 모바일 AP 경쟁과 3나노 경쟁에서 모두 승기를 잡기 위해서는 올해 하반기가 3나노 제품 양산 본격화가 이뤄져야한다. 이를 통해 내년 갤럭시 S25에 3나노 GAA기술이 적용된 엑시노스 2500으로 TSMC와의 파운드리 경쟁, 애플과의 모바일AP 경쟁에서 승기를 잡아야한다. 특히 삼성전자는 갤럭시S25에 들어갈 3나노 칩의 코드명을 '솔로몬'으로 정하고 칩 양산을 위한 본격적인 준비 작업에 들어갔다.

삼성전자는 전초전으로 올해 하반기 3나노 1세대 공정이 적용된 '갤럭시 워치7'용 애플리케이션프로세서(AP) '엑시노스 W1000'(가칭)을 내놓을 전망이다. W1000은 전작 대비 연산 성능과 전력 효율성이 20% 이상 개선된 것으로 알려졌다. 삼성전자는 갤럭시 워치7을 통해 3나노 제품 기술력과 안정성을 강화할 것으로 보인다. 삼성은 2022년 6월 세계 최초로 3나노 제품 양산을 시작했지만 이후 수율을 확보하지 못하면서 한 발 늦게 3나노 양산을 시작한 TSMC에 오히려 뒤쳐진다는 평가를 받았다.

삼성전자가 3나노 AP제품에서 TSMC를 따라잡기 위해서는 전력 효율이나 수율 등에서 성능 개선이 절실하다. 이번에 테이프아웃된 3나노 제품 수율은 20% 수준대로 알려졌다. 반면 A17은 트랜지스터를 이전 세대 제품인 A16 바이오닉(160억개)보다 18% 늘렸고 연산 성능은 약 20% 향상시켰다. 삼성전자가 A17과 향후 나올 A18을 뛰어넘기 위해서는 연산 성능 20%, 전력 효율 20% 수준의 개선 효과가 필요할 전망이다.

업계 관계자는 "삼성전자는 올해 하반기 갤럭시 워치에 3나노 제품을 넣어 최적화 등을 진행하면서 모바일AP 성능 향상에 힘을 기울일 것"이라면서 "하반기 본격 양산이 진행되고 수율과 성능 개선이 진행되면 내년 갤럭시 S25 전 시리즈에 엑시노스를 전격 탑재할 것"이라고 말했다.

김민기 기자 peniel@dealsite.co.kr

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