반도체 구조 원리 교과서
미래 산업의 향방을 알아채는 반도체 메커니즘 해설
[ 글을 시작하기 전에 ]
반도체의 기본적인 의미와 어떤 형태의 반도체는 어떤 성질을 가지고 있는지를 아는 것은 산업을 이해하는데 많은 도움을 준다.
공학적인 내용이나 실제 설계 과정을 배우는 것은 쉬운 일이 아니지만 대략적인 과정이나 목적을 알아두는 것은 새로운 기술을 판단하는 데에도 큰 도움이 된다.
그런 의미에서 반도체의 원리와 대략적인 내용을 알아보도록 하자.
Ⅰ. 고성능 전자기기를 실현하는 LSI란 무엇인가?
저항, 콘덴서, 다이오드, 트랜지스터 등의 전자 부품을 실리콘으로 만든 반도체 기판 위에 집적한 전자회로를 집적회로라고 부른다.
그중에 대규모인 것은 LSI라고 하는데 현재는 IC나 LSI나 거의 동의어로 사용한다.
LSI가 초래한 것
소형화/경량화 : 프린트 기판 1장짜리 전자회로가 몇 mm밖에 안 되는 실리콘 칩 1개만큼 작아졌다.
고성능화 : 반도체 소자를 작게 만든 덕분에 처리 속도가 올라갔다.
고기능화 : 매우 많은 반도체 소자를 IC/LSI 1개에 탑재하자 고기능 전자회로가 실현됐다.
저전력 소비화 : 반도체 소자 자체가 작아지고 배선이 감소하면서 전력 소비가 큰 폭으로 줄어들었다.
경비 절감 : 실리콘 웨이퍼 1장 위에 칩을 대량으로 생산할 수 있다.
IC/LSI가 나타나고 발전하자, 기존에 많은 전자 부품을 이용했던 전자회로를 부품 딱 1개에 집적해서 실리콘 웨이퍼 위에 실현할 수 있었다.
그 덕분에 우리가 항상 사용하는 가전제품, 정보 영상 재품 등은 눈부신 발전을 이뤘다.
우리가 일상생활에 사용하는 전자 기기에는 다음과 같은 종류로 크게 구분하는 LSI가 조합돼 있거나 혹은 원칩에 탑재되어 있다.
마이크로프로세서 : PC로 대표되는 연산 처리 기능을 갖춘 중추 LSI
메모리 : 컴퓨터가 작동할 때 쓰는 프로그램이나 데이터 정보가 저장되는 기억 소자
플래시메모리 : 전원을 꺼도 데이터가 사라지지 않는 메모리 LSI
DSP : 음성이나 화상 데이터를 고속 연산 차리하는 전용 LSI
MPEG : 동영상의 데이터 압축과 코드 표현을 담당하는 표준 방식을 처리하는 전용 LSI
ASIC : 가전 기기, 산업 기기 등의 응용 분야를 간추린 특정 용도의 LSI
Ⅱ. 반도체 미세화는 어디까지 가능한가?
반도체 제조가 시작된 이후로 무어의 법칙 (반도체의 집적도가 18~24개월마다 배로 증가한다) 대로 미세화는 발전해 왔다.
하지만 프로세스 룰 32nm를 경계로 미세화 속도는 더뎌지고 있다.
가장 큰 원인은 노광 기술의 성능 한계 때문이다.
32nm이후에 페이스가 떨어지긴 했지만, 미세화는 진행되고 있다.
그것은 노광 기술에 의존하지 않고 성막 식각 기술에만 의존하는 더블 패터닝을 채택하면서 초미세화가 진전됐기 때문이다.
나아가 EUV 노광을 본격적으로 가동하면서 반도체 미세화는 프로세스 룰 1nm의 가능성까지 보이고 있다.
Ⅲ. 미세화는 전자 기기의 고성능화를 가속한다.
집적도가 늘어남
시스템 LSI는 100만 ~ 수 억 개 이상의 트랜지스터를 탑재해 고성능 전자 시스템을 실현했다. PC성능을 결정하는 CPU도 트랜지스터 수를 대폭으로 늘려 만들고 있다.
예를 들어 1971년 인텔 4004의 트랜지스터 개수는 2,300개였는데 2019년 Corei9은 20억 개, 2019년 iPhone에 탑재한 A13 Bionic 프로세서는 85억 개나 되는 트랜지스터를 탑재했다.
작동 주파수의 고속화 (CPU의 고속 처리화)
트랜지스터의 작동 주파수는 채널 길이가 짧을수록 빨라진다. PC의 고성능화도 CPU에 탑재된 트랜지스터의 작동 주파수에 의존하기 때문에 트랜지스터가 더 미세해지고 빨라질수록 명령 실행 시간은 짧아진다.
CPU 작동 주파수는 인텔 4004가 100KHz였는데, Corei9에서는 5000 MHz다. 작동 주파수만으로 단순 비교하면 Corei9은 약 5만 배 빠르게 고속 처리가 가능하다는 계산이 나온다.
(단 실제 처리 속도는 작동 주파수만으로 결정되지는 않는다.)
소비 전력 절감소비 전류 절감 효과가 있는 것은 부하 용량 C와 전원 전압 V다. 부하 용량 C는 트랜지스터 면적에 상당하므로 미세화에 따른 면적 축소는 비례적으로 소비 전력을 줄일 수 있다.
게다가 전원 전압 V의 향은 2 제곱으로 효과가 있어서 작동하는 전원 전압을 내리면 소비 전력을 크게 줄일 수 있다.
예를 들어 전원 전압을 1/2로 하면 소비 전력은 (1/2) 제곱 = 1/4가 된다.
[ 글을 마치며 ]
반도체의 미세 공정 전쟁이 심화되고 있다.
가장 선두에서 미세 공정 기술을 달리고 있는 업체는 TSMC이며 그 뒤를 삼성, 인텔이 도전하고 있는 형태이다.
TSMC는 현재 3nm 공정 상용화에 성공한 상태이며 삼성도 3nm 상용화에 성공했지만 수율적인 차이가 발생되고 있다고 평가받고 있다.
인텔은 아직 3nm에 도달하지 못했지만 7nm공정에서 2nm공정으로 바로 건너뛰겠다고 발표한 상태이다.
실질적으로 2nm 공정에 도달하기 위해서는 2025년 후에나 가능할 것으로 여겨지기 때문에 상용화에는 빨라야 2025년이나 되어야 대량 생산이 가능하지 않을까 짐작해 볼 수 있다.
물론 이 경우도 2024년에 개발이 완료되고 시제품이 생산된 후에 범용으로 적용한다는 계획이 모두 일정대로 완료될 경우에 가능한 순서라고 보인다.
그럼 여기에서 미세 공정은 왜 필요한지에 대해서 살펴보도록 하자.
반도체가 발전하게 되면서 가장 크게 변화하게 된 것은 집적도가 높아지게 되고 최종적으로 사용하는 전자기기의 크기가 줄어들 수 있게 된 것이다.
성능은 향상되면서도 반도체의 크기는 줄어들게 되면서 이동하면서도 인터넷을 활용할 수 있게 되었다.
여기에 미세화된 반도체는 전력 소모도 적게 사용하게 되면서 더 오래 전자기기를 사용할 수 있게 되었다.
마지막으로 미세화된 전자칩은 웨이터 사용성을 증가시켜 주기 때문에 생산 단계에서도 더 적은 비용으로도 더 높은 생산성 향상을 만들어낼 수 있다.
물론 이 경우는 대량 생산 공정이 적정 수율을 달성했을 때에 가능한 이야기라고 생각해야 한다.
반도체의 미세 공정 기술의 발전은 곧 새로운 시대의 새로운 기술이 우리에게 올 수 있게 되는 것이라고 이해해도 무방하다.
미세 공정을 만들어낸다고 했을 때에 과연 어떤 형태로 사용할 것인가가 최종적으로 정해지지 않으면 큰 의미가 없다.
더 미세한 공정으로 반도체 칩을 만드는 것보다 현재의 기술로 반도체 칩을 만들었을 때에 기술적인 제약이나 한계가 존재하지 않는다면 심화된 미세 공정을 활용할 이유가 없다.
이 때문에 미세 공정이 필요한 이유를 기술적인 측면에서 살펴볼 이유가 존재한다.
대표적으로 미세 공정이 필요한 이유는 더 빠른 속도로 중앙처리장치가 기계를 통제하기 위함이다.
더 많은 업무를 수행하기 위해서 더 많은 사물과 연결된 반도체 칩이 더 빠른 속도로 지연시간 없이 정보를 처리해 준다면 예전과는 다른 목적으로도 사물을 사용할 수 있게 된다.
자율주행이 가장 큰 수혜를 받는 기술이 될 수 있다.
자율 주행을 탑재한 자동차가 증가하게 될 경우 지연시간 없이 자동차와 인공지능이 서로 호환될 수 있어야 한다.
현재의 반도체 칩으로는 이 기술의 실현이 불가능하다.
자동차를 통제하는 중앙 처리 장치가 지연시간이 기대치에 미치지 못하기 때문에 (현재보다 100배 이상 빨라져야 한다는 논리로 보면 된다.) 새로운 반도체 칩이 필요하게 된다.
에지 AI의 시대가 완벽하게 실현되기 위해서도 새로운 공정이 필요하게 된다.
데이터 센터와 중앙 인공지능 없이 스마트폰에서 자체적으로 데이터를 처리하기 위해서 반도체의 개별적인 처리 능력이 올라가야 한다.
이를 미뤄 볼 때에 앞으로 우리가 주목해야 할 기술이나 발전은 어떤 쪽에 있는지 대략적으로 윤곽이 잡히게 된다.
아직 구체적으로 누가 승자가 될 것인지는 모르는 상태이다.
4차 산업혁명의 초입에 있고 인공지능이 생성형 인공지능으로 발전되고 있다고 불리는 만큼 점점 더 빠르게 윤곽이 잡힐 수 있게 될 것이다.
앞으로도 꾸준히 어떤 형태로 발전하게 될 것인지 관심을 가지고 지켜볼 수 있도록 해야겠다.
참고 도서 : 반도체 구조 원리 교과서 ( 니시쿠보 야스히코 )
