7nm 공정
7nm 공정
개요
7nm 공정(7나노미터 공정)은 반도체 제조에서 트랜지스터의 게이트 길이 또는 특정 특징 치수(feature size)를 기준으로 명명된 첨단 마이크로프로세서 제조 공정 기술을 의미합니다. 이는 반도체 소자의 미세화 수준을 나타내는 지표로, 7nm는 약 7나노미터(10억 분의 1미터)의 스케일에서 트랜지스터를 설계하고 제작할 수 있음을 나타냅니다. 이 공정은 10nm 공정보다 더 높은 집적도, 낮은 전력 소모, 그리고 향상된 성능을 제공하며, 모바일 기기, 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI), 데이터센터 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
7nm 공정은 2018년경부터 본격적으로 상용화되기 시작했으며, TSMC, 삼성전자, 인텔 등의 주요 파운드리 업체들이 경쟁적으로 개발 및 양산에 나섰습니다. 특히 극자외광 리소그래피(EUV, Extreme Ultraviolet Lithography) 기술의 도입이 7nm 공정의 실현 가능성을 크게 높였습니다.
기술적 특징
1. 미세화와 성능 향상
7nm 공정은 이전 세대인 10nm 공정보다 트랜지스터 밀도가 약 1.6배 이상 증가했으며, 동일한 칩 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있습니다. 예를 들어, TSMC의 7nm 공정에서는 약 9,650만 트랜지스터/㎟를 구현했습니다. 이는 CPU, GPU, SoC 등의 성능을 획기적으로 향상시키고, 전력 효율을 개선하는 데 기여합니다.
- 성능 향상: 동일 전압에서 약 15~20% 성능 향상
- 전력 소모 감소: 동일 성능 기준 약 40~65% 전력 절감
2. EUV 리소그래피 도입
7nm 공정의 핵심 기술 중 하나는 EUV 리소그래피의 도입입니다. 기존의 아르곤 플루오라이드(ArF) 듀얼 패터닝 기술은 패턴화 과정이 복잡하고 공정 단계가 많아 비용과 오류 가능성이 높았습니다. 반면, EUV는 13.5nm 파장의 극자외광을 사용하여 더 정밀한 패터닝이 가능하며, 공정 단계를 줄여 생산성과 수율을 향상시킵니다.
- EUV 미사용 공정: 다중 리소그래피(multiple patterning) 필요 → 복잡성 증가
- EUV 도입 공정: 단일 노광으로 복잡한 패턴 구현 가능
삼성전자는 7nm 공정에서 초기부터 EUV를 적용했으며, TSMC도 후속 7nm+ 공정에서 EUV를 도입했습니다.
주요 제조업체별 7nm 공정
| 업체 | 공정 명칭 | EUV 사용 | 주요 고객/제품 예시 |
|---|---|---|---|
| TSMC | N7, N7+, N7P | N7+부터 도입 | 애플(A12, A13), AMD(Ryzen 3000, Radeon RX 5000) |
| 삼성전자 | 7LPP, 7LPU | 7LPP부터 부분 적용 | 퀄컴(Snapdragon 865), 엔비디아(GeForce GTX 16 시리즈 일부) |
| 인텔 | — (7nm는 공식명칭 미사용) | 없음 | 인텔은 10nm Enhanced SuperFin 이후 7nm급 공정 개발 중 |
참고: 인텔은 자체적으로 "7nm"라는 명칭을 사용하지 않고, Intel 4로 불리는 공정이 실질적으로 7nm급 기술에 해당합니다.
주요 응용 분야
1. 모바일 SoC
7nm 공정은 모바일 기기의 두뇌 역할을 하는 시스템온칩(SoC)에 널리 사용됩니다.
- 애플 A12 Bionic: 세계 최초의 7nm 모바일 SoC (2018년)
- 퀄컴 Snapdragon 865: 삼성 7LPP 공정 사용
- 화웨이 Kirin 980: TSMC 7nm 공정 기반
이들 칩은 높은 성능과 긴 배터리 수명을 동시에 실현했습니다.
2. 고성능 컴퓨팅 (HPC) 및 서버
- AMD EPYC 2nd Gen (Rome): 7nm 공정 기반, 최대 64코어 지원
- AMD Radeon RX 5000 시리즈: RDNA 아키텍처 기반 그래픽 카드
7nm는 다수의 코어를 하나의 다이에 집적할 수 있어 서버 및 데이터센터용 프로세서에 적합합니다.
3. AI 및 가속기
- 구글 TPU v3, 애플 Neural Engine 등 AI 전용 프로세서도 7nm 공정을 활용하여 고속 연산과 전력 효율을 극대화하고 있습니다.
기술적 도전 과제
- 양자 터널링 현상: 나노미터 수준으로 미세화되면서 전자가 게이트를 통과하는 현상이 발생, 누설 전류 증가
- 열 관리 문제: 고집적화로 인한 발열 밀도 증가 → 열 설계 중요성 증대
- 제조 비용 증가: EUV 장비 도입 비용이 매우 높으며, 공정 수율 관리가 핵심
향후 전망
7nm 공정은 현재는 5nm, 3nm, 그리고 2nm급 공정으로 진화하고 있지만, 여전히 많은 제품에서 사용되는 메인스트림 공정입니다. 특히 수율 안정성과 비용 효율성을 고려할 때, 7nm는 장기간 양산이 지속될 전망입니다.
향후 GAAFET(게이트 올 어라운드 트랜지스터) 구조의 도입과 함께 7nm급 공정도 성능을 지속적으로 개선할 수 있을 것으로 예상됩니다.
관련 문서 및 참고 자료
- TSMC Technology Roadmap
- Samsung Foundry 7nm Process
- "Silicon Photonics and Advanced CMOS Nodes", IEEE Journal of Solid-State Circuits
- 반도체 미세화 기술의 한계와 돌파구, 전자재료학회지, 2020
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