그동안 반도체 기술은 놀라운 발전을 이루어냈습니다. 무어의 법칙을 따라 발전한 반도체 기술은 곧 1 나노 기술이 실현될 것으로 예상됩니다. 자랑스럽게도 우리나라의 기업 삼성이 그 중심에 있는데요. 하지만 양자 터널링 효과 때문에 반도체 기술이 앞으로도 이렇게 빠르게 발전할 수 있을지는 의문입니다. 이번 글에서는 이런 반도체 발전과 관련하여 이야기를 해보겠습니다..
1. 무어의 법칙
무어의 법칙(Moore's Law)은 반도체 기술이 발전하는 속도가 매년 지수적으로 증가하며, 이로 인해 반도체 칩의 성능이 2년에서 2년 반마다 2배씩 향상된다는 법칙입니다. 이 법칙은 1965년 인텔(Intel)의 공동 창업자인 고든 무어 (Gordon Moore)가 발표한 논문에서 처음으로 제시되었습니다.
무어의 법칙은 초기에는 반도체 칩의 집적도(Transistor Count)에 따라 성능을 예측하는 법칙으로 제시되었지만, 이후에는 반도체 제조 공정의 발전으로 인해 칩의 속도와 용량, 성능 등에도 미치는 영향이 커졌습니다. 따라서 현재에는 무어의 법칙은 "반도체 칩의 성능이 2년에서 2년 반마다 지수적으로 향상된다"는 의미로 사용되고 있습니다.
2. 전기 회로의 선폭을 의미하는 나노미터의 싸움
앞서 말한 것처럼 인텔은 무어의 법칙을 따르며 지속적인 혁신을 이어왔습니다.
그러나 2014년부터 인텔은 미세공정 기술 발전의 ‘암흑기’를 맞으며 더 이상 무어의 법칙을 선도하는 기업이 아니라는 평가를 받았습니다. 14 나노 공정을 2014년 출시한 이후, 인텔은 5년 동안 활용해 왔지만, 이는 경쟁 업체들과 비교할 때 다소 늦은 시점이었습니다.
이에 반해 삼성과 TSMC는 계속 앞서 나가며 현재 3 나노 공정의 싸움을 본격화하고 있습니다.
TSMC가 3나노 양산을 선보이면서 기대 이상의 수율을 보이고 있는데요. 일방적인 주장이지만 TSMC의 3㎚ 공정 수율이 최고 75~80% 수준에 도달한 것으로 알려지면서, 머지않아 90% 이상의 '골든수율'을 달성할 것으로 예상됩니다.
다만 파운드리사업은 반도체 생산 수율과 원가 경쟁력, 충분한 고객사 기반 확보 등에 크게 좌우되는 사업인 만큼 인텔의 본격적 시장 진출에 아직 많은 변수가 남아있습니다.
3. 1나노의 의미와 양자 터널링 문제
삼성전자와 TSMC는 인텔의 추격을 의식해 미세공정 기술 발전에 더욱 속도를 내고 있습니다. 삼성전자는 2022년 말에 2027년까지 1.4 나노 공정 도입 계획을 공식화했고, TSMC는 더 나아가 1 나노 반도체 생산 투자 계획도 구체화하며 격차를 벌리는 데 집중하고 있습니다.
한동안 삼성전자와 TSMC의 ‘2파전’ 양상을 보이던 반도체 파운드리시장 기술 경쟁 판도는 이제 해당 기업들이 인텔의 추격을 뿌리칠 수 있을지를 두고 시험대에 놓이며 더욱 치열한 각축전을 보이게 될 것으로 예상된다.
사실 1나노대의 공정 미세화는 매우 어려운 기술적 도전입니다. 이는 머리카락 굵기의 10만 분의 1로 매우 작은 크기입니다. 따라서, 이 크기에서부터는 양자역학적인 현상이 나타나기 시작합니다. 이러한 현상은 "양자 터널링"이라고 불리며 정보 유실을 일으킬 수 있습니다.
반도체 제조에서는 전자의 흐름을 효과적으로 제어해야 합니다. 하지만 1 나노미터의 크기에서는 전자의 흐름이 길이에 따라 좁아지고, 설계된 경로에서 벗어나 다른 곳에서 전자가 나타나는 터널 효과가 발생할 수 있습니다. 터널 효과는 양자역학적인 입자나 파동이 고전적으로 통과할 수 없는 물체를 통과하는 현상을 말합니다. 이러한 현상은 전자 흐름의 제어를 더욱 어렵게 합니다.
이러한 이유로 1나 공정 미세화는 매우 복잡한 기술적 도전이며, 이를 성공적으로 수행하기 위해서는 높은 수준의 기술력과 지식이 필요합니다.
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