반도체 산업은 무어의 법칙(Moore’s Law)에 따라 지속적으로 공정 노드를 축소하며 기술 발전을 이루어 왔다. 10nm, 7nm, 5nm 공정을 넘어 이제 3nm와 2nm, 나아가 앙스트롬(A) 수준의 제조 기술로 진입하고 있는 현재, 이러한 미세 공정의 진화는 반도체 성능과 전력 효율을 획기적으로 향상시키며 새로운 시장 기회를 창출하고 있다. 본 칼럼에서는 공정 노드 축소의 의미와 기술적 도약, 주요 기업들의 전략, 그리고 투자자들이 주목해야 할 요소들을 학술적이고 전문적으로 분석한다.

기술 노드의 축소와 그 의미

공정 노드(Process Node)는 반도체 회로의 최소 선폭(feature size)을 나타내는 단위로, 10nm, 7nm, 5nm와 같이 표기된다. 이는 트랜지스터의 크기 축소를 의미하며, 소자의 밀도와 성능을 높이면서 전력 소모를 줄일 수 있다. 최근에는 물리적 한계에 도달함에 따라, 기존의 노드 축소와 함께 핀펫(FinFET)에서 게이트 올 어라운드(GAA) 구조로의 전환과 같은 아키텍처 혁신도 함께 이루어지고 있다.

1. 밀도(Density)의 증가
   
   
   
   • 노드 축소는 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있음을 의미하며, 이는 고성능 프로세서와 메모리 집적도 증가로 이어진다. 예를 들어, 3nm 공정에서는 5nm 대비 30% 이상 트랜지스터 밀도가 증가한다.
   
   
   
   


2. 전력 효율(Power Efficiency)의 향상
   
   
   
   • 소형 트랜지스터는 전자 이동 거리를 단축시켜 전력 소모를 줄이면서 성능을 향상시킨다. 2nm 공정에서는 기존 노드 대비 25% 이상 소비 전력 절감이 가능하다.
   
   
   
   


3. 성능(Performance)의 향상
   
   
   
   • 공정 노드 축소는 처리 속도를 증가시키고 AI, 머신러닝, 자율주행 등 고성능 응용에서 성능 요구를 충족한다.
   
   
   
   

기술 혁신과 극자외선(EUV) 리소그래피의 역할

공정 노드 축소의 핵심은 EUV 리소그래피 기술의 도입이다. 기존의 DUV(Deep Ultraviolet) 기술로는 10nm 이하 노드 구현이 어려웠으나, EUV(Extreme Ultraviolet)는 13.5nm 파장의 빛을 사용해 원자 수준의 정밀한 패터닝을 가능하게 한다.

ASML은 EUV 시스템의 독점 공급업체로서 시장을 주도하고 있으며, 최근에는 High-NA(수치 개구수) EUV 시스템을 개발하여 2nm 이하 공정 실현을 앞당기고 있다. 이 기술은 트랜지스터 밀도와 패터닝 정밀도를 획기적으로 향상시켜 미래 반도체 소자의 성능을 극대화할 것으로 기대된다.

주요 기업들의 경쟁 전략

1. TSMC:
   
   
   
   • 세계 최대 파운드리 업체로, 3nm 공정 양산을 시작했으며, 2nm 공정 개발을 통해 고성능 컴퓨팅 및 AI 가속기 시장을 선도하고 있다.
   
   
   • 고객사인 애플, 엔비디아와의 협력 강화로 안정적 수익 모델을 구축하고 있다.
   
   
   
   


2. 삼성전자:
   
   
   
   • 3nm 공정에서 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 도입하여 전력 효율과 성능을 극대화했다.
   
   
   • 2nm 공정 로드맵을 통해 AI 및 자율주행 반도체 시장을 겨냥하고 있다.
   
   
   
   


3. 인텔:
   
   
   
   • 제조 공정 재정비와 함께 5노드 4년 전략을 발표하며 TSMC와 삼성에 도전장을 내밀었다.
   
   
   • RibbonFET 및 PowerVia와 같은 새로운 아키텍처 도입을 통해 경쟁력을 회복 중이다.
   
   
   
   

미래 전망: 앙스트롬(Å) 시대와 Beyond-CMOS

반도체 기술은 앙스트롬(Å) 시대에 접어들며, 공정 노드는 더 이상 단순한 크기 축소를 의미하지 않는다. 2D 재료, 카본 나노튜브, 양자 소자 등 새로운 소자 기술이 병행 도입되면서 Beyond-CMOS 시대가 열리고 있다.

1. GAA 및 CFET 아키텍처의 확산
   
   
   
   • 기존 FinFET 구조에서 GAA로 전환된 이후, 트랜지스터 성능과 전력 효율이 크게 향상되었다.
   
   
   • CFET(Complementary FET)는 수직 쌓기 기술을 활용하여 밀도를 극대화한다.
   
   
   
   


2. 3D 스택 및 칩렛 통합
   
   
   
   • 공정 축소와 함께 칩렛(Chiplet) 설계와 3D 집적 기술이 가속화되면서, 데이터 전송 지연 최소화 및 소비 전력 절감이 가능해졌다.
   
   
   
   


3. 양자 및 뉴로모픽 소자 도입
   
   
   
   • AI 및 양자 컴퓨팅을 지원하기 위한 특화된 소자 개발이 추진되고 있으며, 반도체 제조업체들은 이 기술에 적극 투자하고 있다.
   
   
   
   

투자자들을 위한 통찰

공정 노드 축소는 단순한 기술 발전이 아닌 산업 구조 재편과 밀접하게 연결되어 있다.

1. 기술 리더십 확보:
   
   
   
   • ASML과 같은 장비 제조사, TSMC, 삼성전자와 같은 파운드리 업체들의 공정 개발 로드맵을 주목해야 한다.
   
   
   
   


2. 신규 시장 창출:
   
   
   
   • AI, 자율주행, 6G 통신 인프라와 같은 응용 시장이 고급 노드 수요를 견인할 것이다.
   
   
   
   


3. 비용 효율성과 수익성:
   
   
   
   • 초기 비용이 높은 만큼 장기 투자 관점에서의 수익률 분석이 필요하다.
   
   
   
   

반도체 시장의 미래를 재정의하는 공정 기술

반도체 공정 노드의 축소는 성능 향상, 전력 효율 최적화, 고밀도 설계를 가능하게 하며, AI, 5G, 자율주행 등 첨단 기술을 지원하는 핵심 기반이 되고 있다. 투자자들은 공정 노드 축소와 관련된 장비, 소재, 파운드리 업체들의 전략적 움직임을 면밀히 분석함으로써 장기적 투자 기회를 포착할 수 있다.

미래 반도체 시장은 단순한 크기 축소가 아닌 구조적 혁신과 신소자 개발을 통해 새로운 시대를 열어갈 것이며, 이를 주도하는 기업들이 글로벌 기술 경쟁에서 우위를 점할 것이다.