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사진은 권력이다

반도체 미세화의 한계 때문에 무어의 법칙은 사라진다. 본문

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반도체 미세화의 한계 때문에 무어의 법칙은 사라진다.

썬도그 2016. 2. 15. 11:21

2015년 7월 15일 인텔은 2015년 2분기 결산을 발표하면서 10nm 제조 공정의 전환에 상당한 장애가 발생하고 있음을 밝혔습니다. 여기서 10nm(10나노미터)가 뭘 의미하는 지 모르는 분들을 위해서 조금 설명하겠습니다.


인텔 펜티엄3입니다. 정말 오래전에 나온 cpu입니다. 이 펜티엄3의 가운데 있는 파란 부분이 cpu의 핵심입니다. 


이 파란 부분을 깨서 확대해보면



이렇게 작은 기판이 나옵니다. 10마이크로미터로 확대한 모습입니다. 눈에 보이지 않을 정도로 작은 크기의 트랜지스터와 배선을 볼 수 있습니다. 이렇게 눈에 보이지 않을 만큼의 작은 크기의 반도체 속의 배선과 트렌지스터를 더 작고 촘촘하게 만드는 것이 nm 제조 공정이라고 합니다.

CPU를 구성하는 반도체는 그 회로 선폭이 미세하면 미세할수록 반도체 칩의 소형화와 속도 성능 향상을 실현하기 쉬워집니다. 따라서 CPU 제조 공정은 성능 수준의 기준으로 자주 언급됩니다. 현재는 주로 나노미터(nm)이용되고 있습니다. 2008년 3월에 인텔은 45nm공정을 제조했고 최근인 2015년에는 12nm 공정까지 나온 상태이고 상용화는 14nm입니다. 인텔의 최신제품은 14nm 공정의 제품인 코드명 Broadwell입니다. 

다만, 제조 공정의 미세화는 소비 전력이 커진다는 단점이 있습니다. 

인텔 CEO는 애널리스트를 위한 컨퍼런스에서 차기 프로세서의 규격인 10nm로 전환하는데 차질이 있다면서 10nm 프로세서 채용한 제품인 코드면 Cannonlake는 예정보다 느린 2017년 후반이 될 것이라고 예상하고 있습니다. 이는 인텔의 창업자인 고든 무어가 1965년에 제창한 "집적 회로의 트랜지스터 수는 18개월마다 2배가 된다"는 무어의 법칙에 어긋나게 됩니다. 
사실 이 무어의 법칙은 1965년에는 CPU의 트랜지스터 수가 18개월 마다 2배가 된다고 했다가 1975년에는 24개월에 2배가 된다고 조금 더 늘렸습니다. 
그런데 이걸 이제는 30개월 마다 2배가 된다로 수정해야할 상황이 발생했네요. 



반도체 미세 공정은 어디까지 진행될 것인가?

출처 : http://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338

무어의 법칙은 조금씩 변하기는 했지만 여전히 반도체 산업의 절대적인 법칙입니다. 스마트폰 전성 시대인 현재 집적 회로는 회로 폭이 14nm에 도달했습니다. 그러나 사물인터넷과 스마트폰과 같은 모바일 단말기의 고성능화를 위해서는 CPU를 10nm, 7nm로 더 미세해져야 합니다. 

이 무어의 법칙은 1965년에 고든 무어의 논문에서 나온 말이지만 반도체 업계가 이 무어의 법칙을 지키려고 부던히 노력한 것도 있습니다. 즉, 무어의 법칙을 지키기 위해서 반도체 기술자들이 하나의 절대적 목표라고 여겨서 외계인을 납치해서 만들 정도로 미세화에 총력을 기울였습니다. 

그러나 10nm 제조 공정의 개발에서 교착 상태에 빠졌습니다. 교착 상태에 빠진 이유는 전력 때문입니다. 이 미세화 공정이 진행되면 반도체가 작아지는데 이에 맞게 전력도 저전력으로 같이 축소 되어야 합니다. 그런데 소비 전력은 낮춰지지 않고 있네요.  소비 전력이 낮춰지지 않게 되면 여러가지 문제가 발생하는데 대표적인 것이 '다크 실리콘'문제입니다. '다크 실리콘'이란 반도체 칩에 전력이 공급되지 않는 영역으로 반도체 칩에서 쓸모 없는 영역이 됩니다. 

2020년까지 2nm 제조 공정을 만들 예정이지만 이 크기가 얼마나 작냐면 원자 10개 정도의 크기입니다. 이렇게 크기가 작아지면 거시 세계의  물리 역학이 아닌 미시 세계를 지배하는 양자 역학이 작동합니다. 이렇게 되면 반도체의 이동 물질인 전자의 안정된 동작을 기대할 수 없습니다. 이때가 되면 양자 컴퓨터가 나와야겠죠. 따라서 회로가 미세해질수록 성능이 향상된다는 기존의 법칙은 무용지물이 됩니다. 

이런 난관을 네이처의 글에 따르면  무어의 법칙은 미세 공정의 법칙을 지나서 다른 방향으로 진화를 할 것으로 예측하고 있습니다. 예를 들어서 보잉 787은 1950년대에 나온 보잉 707보다 속도가 더 빠르지는 않습니다. 그러나 다른 쪽 성능은 크게 진화했습니다. 마찬가지로 반도체의 성능이 속도와 밀도 경쟁을 지나서 다른 쪽으로 진화 될 것으로 보인다고 주장하고 있습니다.

예를 들어 처리 속도 문제로만 진화를 거듭했지만 앞으로는 클라우드나 모바일 기기의 발달으로 연산 능력과 함께 절전 성능이 중요한 지표가 될 것입니다. 또한, CPU, 메모리, GPU, 무선 칩 등의 다양한 칩을 하나로 묶는 패키징 기술인 SoC도 반도체 성능 측정의 지표로 대두되고 있습니다. 

그렇다고 미세 공정이 의미 없다는 것도 아닙니다. 현재 이  미세화 공정의 난관을 타계하기 위해서 탄소 나노 튜브와 그래핀 같은 타소로 구성된 물질을 기존의 실리콘 반도체 재료를 밀어내고 대체 물질 후보로 오르고 있습니다. 원자 1층 분의 두께를 가진 Silicene도 차세대 반도체 물질 후보에 올라와 있습니다. 

무어의 법칙은 사라질 것입니다. 또한, 실리콘 소재의 반도체 기술도 조만간 종말할 것입니다. 그리고 우리는 또 다른 진화를 하겠죠. 인류의 유일한 장점은 진화 속도가 빠르다는 것입니다. 

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