반도체 공정 기술 - 7nm, 5nm, 3nm 차이점과 발전 방향

반도체 공정 기술 - 7nm, 5nm, 3nm 차이점과 발전 방향

1. 반도체 공정 기술이란?

반도체 공정 기술은 실리콘 웨이퍼 위에 트랜지스터를 형성하는 미세 가공 기술로, 반도체 성능과 전력 효율을 결정하는 핵심 요소입니다. 공정 기술이 발전할수록 트랜지스터 크기가 작아지면서 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있으며, 이는 성능 향상과 전력 소비 절감으로 이어집니다.

오늘날 반도체 산업에서 가장 주목받는 공정 기술은 7nm, 5nm, 3nm 노드입니다. 삼성전자와 TSMC를 중심으로 초미세 공정 경쟁이 치열하게 진행되고 있으며, 향후 2nm 및 1.4nm까지 발전이 예고되어 있습니다.

---

2. 7nm, 5nm, 3nm 공정의 차이점

반도체 공정 노드는 나노미터(nm) 단위로 표현되며, 일반적으로 트랜지스터의 게이트 길이를 의미합니다. 하지만 최근에는 단순한 물리적 크기보다 성능 및 전력 최적화 정도를 나타내는 마케팅 용어로 사용되는 경향이 있습니다.

공정 기술별 주요 차이점 비교

공정 노드	주요 제조사	트랜지스터 밀도 (MTr/mm²)	성능 및 전력 특성
7nm	TSMC, 삼성	약 90~100	기존 10nm 대비 전력 40% 감소, 성능 20% 향상
5nm	TSMC, 삼성	약 130~170	7nm 대비 전력 30% 절감, 성능 15% 향상
3nm	TSMC, 삼성	약 200~300	기존 5nm 대비 전력 35% 절감, 성능 15% 향상

공정 노드별 특징

1) 7nm 공정

• 최초로 EUV(극자외선, Extreme Ultraviolet) 공정을 도입하여 미세 패터닝 가능
• 10nm 공정 대비 트랜지스터 밀도가 증가하여 고성능, 저전력 설계 가능
• 2018년 TSMC가 애플 A12 칩을 통해 최초 양산

2) 5nm 공정

• 기존 7nm 대비 트랜지스터 밀도 80% 증가
• FinFET(핀펫) 기술 유지, 더욱 정밀한 패터닝 공정 적용
• 스마트폰 AP(애플 A14, 삼성 엑시노스 2100 등) 및 서버용 프로세서(AMD EPYC)에서 주로 활용됨

3) 3nm 공정

• FinFET 구조에서 GAAFET(Gate-All-Around FET) 구조로 전환
  (삼성전자는 MBCFET™이라는 자체 GAAFET 기술 적용)
• 전력 소비를 기존 대비 최대 50% 절감하면서도 성능 30% 향상 가능
• 2022년 삼성전자가 3nm GAAFET 공정으로 첫 양산 성공

---

3. 반도체 공정 기술의 주요 발전 방향

반도체 공정 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 현재 3nm를 넘어 2nm, 1.4nm까지 연구가 진행되고 있습니다. 주요 발전 방향을 살펴보겠습니다.

(1) GAAFET에서 MBCFET으로의 전환

• 기존 FinFET 대비 전류 흐름을 더욱 정밀하게 제어할 수 있어 전력 효율 향상
• 삼성전자는 MBCFET(Multi-Bridge Channel FET) 기술을 통해 3nm 이후 공정의 경쟁력을 강화하고 있음

(2) High-NA EUV 도입

• 현재 EUV(Extreme Ultraviolet Lithography) 기술이 활용되지만, 2nm 이하에서는 High-NA EUV가 필요
• ASML에서 High-NA EUV 장비 개발 중이며, 2025년 이후 본격 도입 예상

(3) 3D 패키징 기술과의 융합

• 단순한 공정 미세화가 어려워지면서 3D 적층 패키징(Chiplet, Foveros, CoWoS) 기술과 병행 발전
• AMD, 인텔, TSMC, 삼성 등이 적극적으로 연구 진행 중

(4) 저전력 설계 및 AI 최적화

• AI 및 엣지 컴퓨팅 시장 확대에 따라 전력 효율 최적화가 핵심 이슈
• 저전력 고성능 설계를 위해 PPA (Power, Performance, Area) 최적화 전략이 중요해짐

---

4. 반도체 공정 기술의 미래 전망

반도체 공정 기술은 매 2~3년마다 새롭게 진화하고 있으며, 다음과 같은 방향으로 발전할 것으로 예상됩니다.

1. 2nm 및 1.4nm 공정 도입 (2025~2027년 예상)
2. GAAFET 기술의 성숙과 High-NA EUV 적용
3. 3D 적층 및 Chiplet 아키텍처 대중화
4. 탄소 중립 및 친환경 반도체 제조 기술 발전

특히, 반도체 업계는 3D 패키징과 공정 미세화를 병행하며 성능과 전력 효율을 극대화하는 방향으로 나아가고 있습니다.

---

📌 추가로 읽어볼 만한 주제

• ASIC vs FPGA: 반도체 설계 방식의 차이점
• DDR 메모리의 동작 원리와 발전 과정
• SoC(System on Chip)란?
• AI 하드웨어 가속기(NPU, TPU)