가장 까다로운 고성능 응용 분야를 충족시키기 위해 필요한 다양한 유형의 현대 반도체 소자가 있다는 사실을 알고 계셨나요? 현대 반도체 소자는 20세기 중반에 만들어져 맨눈으로 보고 손에 쥘 수 있었던 단순한 바이폴라 트랜지스터와는 다릅니다. 이제는 나노미터 규모의 미세 소자로서 훨씬 더 정교해졌으며, 주머니 속 스마트폰부터 최첨단 인공지능 시스템, 심지어 군사 응용 분야에 이르기까지 거의 모든 현대 소비자 기술을 가능하게 합니다.
집적회로를 위한 5대 현대 반도체 소자가 무엇인지, 이들이 어떤 응용 분야를 구동하는지, 그리고 왜 그렇게 중요한지 함께 알아보겠습니다.
현대 반도체 소자가 필요한 이유
오늘날 현대 사회에서 반도체 소자는 점점 더 필수적인 존재가 되고 있습니다. 통신 지원부터 휴대용 기기, 사물인터넷(IoT) 구동에 이르기까지 우리 일상생활에서 두드러진 역할을 합니다. 자동차와 항공기부터 개인용 컴퓨터와 의료 장비에 이르기까지 모든 곳에 집적회로가 적용되면서 반도체에 대한 수요는 그 어느 때보다 높습니다.
인쇄 회로 기판의 모습.
기술이 계속 발전함에 따라 더 강력한 반도체 소자는 사회의 요구를 충족하는 데 매우 중요해지고 있습니다. 개선된 반도체 설계는 메모리 용량과 처리 속도를 높이고 더 나은 에너지 효율을 제공하는 데 사용될 수 있습니다. 전 세계 모든 산업이 현대 반도체 소자에 접근함으로써 이익을 얻을 것입니다.
새롭게 개선된 마이크로칩은 더 빠르고 강력할 뿐만 아니라 크기도 더 작아지고 있습니다. 최신 설계 중 많은 것들이 이제 나노미터 규모에 도달하여, 더 많은 반도체 구성 요소를 작은 공간에 집적할 수 있게 되었습니다. 이는 훨씬 더 정교한 집적회로 응용을 가능하게 합니다. 다만 이러한 첨단 반도체 소자 기술을 제조하려면 최첨단 소자 제조 기술이 필요합니다.
다행히도 이 분야를 선도하는 전기·전자 엔지니어들은 생산 수율과 품질을 개선하기 위해 새로운 설계 및 회로 시뮬레이션 도구, 공정 방법, 제조 장비, 업계 관행을 개발하고 있습니다. 이러한 현업 엔지니어들은 고체 회로에 사용되는 반도체 소재의 소자 물리학, 계측, 합성을 연구하는 과학자들의 뛰어난 공헌으로부터도 도움을 받고 있습니다.
집적회로를 위한 현대 반도체 소자 Top 5
오늘날 사용되는 집적회로용 반도체 소자 중 가장 중요한 것들을 함께 알아보겠습니다.
고성능 컴퓨팅(HPC)용 마이크로프로세서
Intel Xeon 마이크로프로세서.
인공지능 응용, 기상 모니터링, 사물인터넷, 주식 시장 동향 분석, 산업 모니터링 시스템 등 고성능 컴퓨팅(HPC) 응용 분야는 실시간으로 방대한 양의 데이터를 처리할 수 있는 컴퓨터를 필요로 합니다. 이러한 컴퓨터 서버 유닛은 흔히 데이터센터에 클러스터 형태로 모여 있으며, 고급 알고리즘이 이 시스템에서 실행되어 모든 데이터를 처리합니다.
노트북에 탑재된 일반적인 3GHz급 마이크로프로세서는 초당 약 30억 번의 연산을 수행할 수 있습니다. 이에 비해 HPC에서 사용되는 마이크로칩은 초당 1000조(1 quadrillion) 번의 연산을 처리할 수 있습니다. Intel의 Xeon 마이크로프로세서 제품군이 이러한 소자의 대표적인 예입니다. 1971년에 만들어진 Intel의 첫 중앙처리장치(CPU)인 4004는 2,300개의 트랜지스터를 탑재했습니다. 2017년에 만들어진 Xeon Platinum 8180에는 80억 개 이상의 트랜지스터가 들어 있습니다.
플래시 메모리 기술
삼성 3D V-NAND 플래시 메모리 칩.
플래시 메모리는 디지털카메라의 메모리 카드, 컴퓨터에 사용되는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 스마트폰, USB 드라이브, iPod과 같은 디지털 음악 플레이어, 심지어 음악 신시사이저에 이르기까지 다양한 소비자 전자기기에 사용되는 저장 및 데이터 전송 기술입니다. 플래시 메모리는 내구성과 빠른 읽기 속도 덕분에 기계식 하드 드라이브보다 데이터 저장용으로 선호됩니다. 산업용 로봇공학, 과학 계측기, 의료 장비에도 사용됩니다.
플래시 메모리는 1980년대 도시바에서 근무하던 마스오카 후지오(Fujio Masuoka) 박사가 발명했습니다. 플래시 메모리 소자 내부에는 플래시 셀 배열이 있습니다. 각 셀은 컨트롤 게이트가 있는 저장 트랜지스터를 갖추고 있습니다. 또한 얇은 유전체 또는 산화막으로 트랜지스터와 절연된 플로팅 게이트도 있습니다. 전하는 플로팅 게이트에 저장되며, 이 전하가 전류를 제어합니다. 플로팅 게이트에서 전자를 더하거나 빼면 저장 트랜지스터의 임계 전압이 바뀝니다. 이 전압에 따라 셀이 현재 1을 저장하고 있는지 0을 저장하고 있는지가 결정됩니다.
멀티 레벨 셀(MLC) 플래시 메모리 기술과 같은 최근의 발전으로 하나의 플래시 셀 안에 2비트 이상을 저장할 수 있게 되었습니다. 3D 집적회로(3D IC) 기술은 제조업체가 여러 플래시 메모리 소자를 층층이 적층할 수 있게 해줍니다. 실리콘 질화막을 사용해 전하를 저장하는 V-NAND 플래시 아키텍처는 읽기와 쓰기 속도가 두 배 빠르며, 전력 소모도 적고 수백 개 층을 수직으로 적층할 수 있습니다. 삼성은 현재 160층 V-NAND 플래시 칩을 개발하며 이 분야의 혁신을 선도하고 있습니다.
필드 프로그래머블 게이트 어레이
Intel FPGA 프로세서.
필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 제조사가 아니라 최종 사용자가 필요한 기능에 따라 직접 구성할 수 있는 집적회로의 한 유형입니다. 이를 통해 소자 제조업체는 다양한 분야의 복잡한 작업에 최적화된 하드웨어 솔루션을 개발할 수 있습니다. 여기에는 스마트 전력망의 모니터링 및 제어, 자동차 안전 시스템, 빅데이터 처리, 머신러닝용 신경망, MRI 영상 장비, 항공우주 및 방위 응용까지 포함됩니다.
FPGA는 구성 가능한 로직 블록(CLB), 프로그래머블 인터커넥트, 라우팅, 입출력 패드 등 여러 구성 요소로 이루어져 있습니다. CLB는 주요 빌딩 블록으로, 로직 관련 작업을 수행하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 입출력 블록은 내부 회로를 입력 및 출력 신호와 관련된 외부 회로와 연결합니다.
또한 RAM을 제공하는 온칩 메모리 블록과 통신 응용에 필요한 디지털 신호 처리 블록도 있습니다. 이 모든 블록은 반도체 스위치로 구축된 프로그래머블 인터커넥트와 라우팅을 통해 연결되며, 최종 사용자는 블록을 원하는 방식으로 연결하도록 구성할 수 있습니다.
FPGA의 구성은 Verilog나 VHDL과 같은 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용해 이루어집니다. 애플리케이션 개발자는 이러한 언어를 사용해 로직 블록이 어떻게 연결되고 작동해야 하는지 기술할 수 있습니다. 이러한 명령을 ‘넷리스트(netlist)‘라고 합니다. 디지털 테스트베드를 사용해 회로가 원하는 기능을 어떻게 수행하는지 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 테스트를 실행하는 데는 전자 설계 자동화(EDA) 도구가 사용됩니다. 시뮬레이션 결과에 만족하면 사용자는 제조사의 전용 배치 및 라우팅 소프트웨어를 사용해 이 구성을 FPGA 하드웨어에 기록할 수 있습니다.
EDA 도구는 FPGA를 프로그래밍하고 시뮬레이션하는 것 외에도 집적회로 설계에도 사용됩니다. EDA 도구에 대해 더 알아보려면 오늘날 고급 칩 설계가 이루어지는 방식을 읽어보세요.
응용 특정 집적회로
비트코인 채굴에 사용되는 Intel Blockscale ASIC 칩.
응용 특정 집적회로(ASIC)는 지금까지 언급한 범용 또는 프로그래머블 소자와 달리, 매우 특정한 목적을 위해 설계 및 제조되는 칩입니다. ASIC은 보통 전자기기 제조업체인 특정 최종 사용자를 위해 제조사가 맞춤 제작합니다. 통신위성부터 어린이 장난감에 쓰이는 전자기기, 비트코인 채굴, 비디오 코덱 소자, 네트워크 인터페이스, 오디오 컨버터까지 응용 범위가 매우 넓습니다.
ASIC은 일반적으로 독점 기술이며, 해당 응용에 맞춰 크기를 줄이고 전력 소비를 개선하며 성능을 향상시키는 등의 장점을 제공합니다. 단점은 소량으로 제작할 경우 비용이 더 많이 들고 제조 기간이 더 길어질 수 있다는 점입니다. 생산 주기를 줄일 수 있는 미리 정의된 구성 요소를 갖춘 반맞춤형(semi-custom) ASIC도 있습니다.
FPGA와 마찬가지로 ASIC의 기능도 Verilog나 VHDL과 같은 언어로 기술되며, EDA 도구를 사용해 설계하고 시뮬레이션합니다. ASIC에 사용되는 메모리나 로직 구성 요소와 같은 빌딩 블록 다수는 FPGA와 유사하지만, 차이점은 제조 후에는 대부분 재프로그래밍할 수 없다는 것입니다. 소자 제조업체는 신제품을 프로토타이핑할 때는 FPGA를 사용하고, 본격적인 양산에 들어갈 때는 ASIC을 사용합니다.
기타 프로그래머블 로직 소자
복합 프로그래머블 로직 소자(CPLD).
프로그래머블 로직 소자(PLD)는 구성 가능한 마이크로칩으로, 제조 후 언제든지 재구성할 수 있는 디지털 회로를 만드는 데 사용됩니다. 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 PLD의 한 종류일 뿐입니다. FPGA는 수백만 개의 게이트를 포함하는 가장 복잡한 형태입니다. 이에 비해 단순 프로그래머블 로직 소자(SPLD)는 600개 이하의 게이트를 가지며, 복합 프로그래머블 로직 소자(CPLD)는 약 1만 개의 게이트를 갖습니다.
CPLD는 게이트 수가 적어 FPGA에 비해 처리 능력이 낮습니다. 하지만 CPLD에는 비휘발성 EEPROM이 내장되어 있어 전원이 꺼져도 정보를 유지할 수 있습니다. 이는 휘발성 메모리를 사용하는 FPGA에서는 불가능한 특성입니다. 또한 CPLD는 FPGA보다 상대적으로 저렴하고 전력 소모가 적으며 발열도 적습니다. 이러한 특성 덕분에 휴대용 배터리 구동 기기에 적합합니다.
CPLD는 주로 FPGA를 포함한 더 복잡한 프로그래머블 시스템의 부트로더로 사용됩니다. 또한 FPGA는 신호 지연이 예측 불가능한 반면, CPLD는 예측 가능한 타이밍 특성을 제공하여 실시간 제어 응용에 적합합니다.
첨단 반도체 소자 제조 기술
반도체 소자 기술은 벨 연구소의 윌리엄 쇼클리가 만든 최초의 바이폴라 트랜지스터에서 시작해, 이제는 몇 나노미터 크기 안에 수십억 개의 트랜지스터를 담은 Intel의 복잡한 마이크로프로세서에 이르기까지 크게 발전해 왔습니다. 첨단 반도체 소자 제조에서는 복잡성이 커지고 크기가 계속 줄어들면서 트랜지스터의 신뢰성을 확보하는 것이 점점 더 어려운 과제가 되고 있습니다.
심자외선(DUV)은 반도체 기판에 회로 패턴을 만드는 데 사용된 기존 기술이었습니다. 많은 이들이 다음 단계인 극자외선(EUV)으로 넘어가는 것은 불가능하다고 생각했고, Canon과 Nikon 같은 여러 기업이 포기했습니다. 하지만 네덜란드 기업 ASML이 극자외선(EUV) 리소그래피 기술을 개발해 냈고, 이를 통해 반도체 제조업체들은 마침내 5나노미터급, 혹은 그보다 더 작은 수준까지 작업할 수 있게 되었습니다.
현재 ASML은 이 최첨단 기술로 반도체 시장을 독점하고 있으며, 이는 인공지능 응용에 필요한 고성능 마이크로칩 제조에 있어 매우 귀중한 존재입니다. 진행 중인 미중 반도체 무역 갈등으로 인해 ASML은 미국으로부터 중국에 이 기술을 제공하지 말라는 압박까지 받고 있습니다.
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FAQ
집적회로에 사용되는 현대 반도체 소자는 무엇인가요?
고성능 컴퓨팅에 사용되는 마이크로프로세서, 플래시 메모리 소자, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 응용 특정 집적회로(ASIC), 복합 프로그래머블 로직 소자 등이 오늘날 집적회로 응용에서 가장 중요한 반도체 부품에 속합니다.
현대 반도체 부품은 어떻게 제조되나요?
전자 설계 자동화 도구가 소자의 설계와 시뮬레이션에 사용되며, 극자외선(EUV) 리소그래피, 습식 공정, 건식 식각 반도체 공정을 포함한 다양한 제조 방법이 조합되어 제조에 사용됩니다.