1940년대 초기 전자식 컴퓨터는 많은 진공관을 사용했다. 장비의 크기가 컸고 전력 소비와 발열도 상당했기 때문에 더 작고 안정적인 전자소자가 필요했다. 이후 트랜지스터가 등장하고 집적회로가 개발되면서 전자기기의 크기는 줄어들고 처리할 수 있는 정보의 양은 크게 늘어났다.
이러한 변화는 어느 한순간에 이루어진 것이 아니다. 새로운 기술이 등장할 때마다 기존 기술이 가진 크기, 전력 소비, 발열, 제조 비용 등의 문제가 다음 세대 기술을 만들어내는 계기가 됐다.
오늘날 반도체 산업에서도 비슷한 변화가 이어지고 있다. 회로를 더 작게 만드는 미세공정이 여전히 중요하지만, 여러 종류의 칩을 효율적으로 연결하고 쌓는 첨단 패키징과 칩렛 같은 기술도 함께 주목받고 있다.
이 글에서는 지금까지 살펴본 반도체 기술의 흐름을 정리하면서, 반도체의 발전 방향이 어떻게 달라지고 있는지 살펴본다.
진공관에서 집적회로까지, 작아지는 전자소자
초기 전자식 컴퓨터에서 사용된 진공관은 전기 신호를 증폭하거나 스위치 역할을 할 수 있었다. 그러나 크기가 크고 많은 전력을 소비했으며 열도 많이 발생했다.
이러한 문제를 줄이는 데 중요한 역할을 한 것이 트랜지스터였다. 트랜지스터는 진공관보다 훨씬 작은 크기로 전기 신호를 제어할 수 있었고, 전자기기의 소형화와 신뢰성 향상에 기여했다.
하지만 전자회로가 복잡해지면서 또 다른 문제가 나타났다. 많은 트랜지스터와 부품을 하나씩 연결해야 했기 때문이다. 부품 수가 늘어날수록 회로 제작과 연결 과정도 복잡해졌다.
이 문제를 해결하는 방향으로 발전한 것이 집적회로, 즉 IC다. 여러 전자소자를 하나의 반도체 기판 위에 집적하면서 훨씬 작은 공간에서 복잡한 연산을 처리할 수 있게 됐다.
이후 집적도는 지속적으로 높아졌고 마이크로프로세서와 메모리 반도체가 발전하면서 컴퓨터뿐 아니라 가전제품, 자동차, 통신기기 등 다양한 분야에 반도체가 사용되기 시작했다.
미세공정은 왜 반도체 발전의 핵심이 되었을까
반도체 기술 발전에서 오랫동안 중요한 방향 가운데 하나는 회로를 더 작고 촘촘하게 만드는 것이었다.
같은 면적의 칩에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있다면 처리할 수 있는 연산량을 늘리거나 기능을 추가할 수 있다. 이러한 집적도 증가 흐름을 설명할 때 흔히 언급되는 개념이 무어의 법칙이다.
반도체 제조사들은 오랜 기간 더 미세한 회로를 구현하기 위해 노광 기술과 재료, 트랜지스터 구조 등을 발전시켜 왔다. 회로가 미세해지면서 기존 제조 방법만으로 원하는 패턴을 만드는 일이 점점 어려워졌고, EUV 노광과 새로운 트랜지스터 구조 등이 등장하게 됐다.
하지만 회로를 작게 만드는 것에는 기술적 어려움뿐 아니라 경제적인 문제도 따른다. 공정이 복잡해질수록 생산시설과 장비에 필요한 비용이 증가하고, 새로운 공정을 안정적으로 운영하기 위한 기술 역시 더 많이 필요하다.
그래서 최근의 반도체 발전은 단순히 회로 선폭을 줄이는 것만으로 설명하기 어려워졌다.
‘More than Moore’와 칩렛이 등장한 배경
이러한 변화와 함께 자주 언급되는 개념이 More than Moore다.
이 표현은 단순히 트랜지스터를 더 작게 만드는 방법 외에도 서로 다른 기능을 효과적으로 결합해 시스템 전체의 성능을 높이는 접근을 설명할 때 사용된다.
대표적인 사례가 칩렛(Chiplet)이다. 하나의 거대한 칩 안에 모든 기능을 넣는 대신, 각각 다른 기능을 담당하는 작은 칩들을 구성한 뒤 하나의 시스템처럼 연결하는 방식이다.
예를 들어 연산을 담당하는 칩과 입출력을 담당하는 칩, 메모리와 연결되는 부분 등을 서로 다른 공정으로 제작한 뒤 패키징 단계에서 결합하는 방법을 사용할 수 있다.
이 방식은 모든 기능을 하나의 공정에서 제작해야 하는 부담을 줄이고 목적에 따라 서로 다른 반도체 기술을 조합할 수 있다는 장점이 있다.
여기서 중요한 역할을 하는 것이 첨단 패키징(Advanced Packaging)이다. 과거 패키징이 완성된 반도체를 보호하고 회로기판과 연결하는 역할에 집중했다면, 오늘날에는 여러 칩 사이의 데이터 이동 속도와 전력 효율까지 고려해야 하는 기술 영역으로 발전하고 있다.
HBM과 같은 고대역폭 메모리 역시 이러한 변화와 관련이 깊다. 연산장치와 메모리 사이에서 많은 데이터를 빠르게 주고받아야 하는 시스템이 늘어나면서 칩 사이의 연결 방식 자체가 성능에 중요한 영향을 주게 됐다.
반도체 산업이 분업 구조로 발전한 이유
반도체의 발전은 기술뿐 아니라 산업 구조도 바꾸었다.
초기에는 하나의 기업이 설계부터 제조까지 모두 담당하는 형태가 일반적이었지만, 반도체 기술이 복잡해지면서 설계를 전문으로 하는 팹리스와 제조를 담당하는 파운드리 같은 분업 구조가 확대됐다.
반도체 제조공장을 운영하려면 대규모 시설과 장비가 필요하다. 반면 팹리스 기업은 제조시설을 직접 운영하지 않고 회로 설계와 제품 개발에 집중할 수 있다.
이러한 분업은 각 기업이 자신의 전문 영역에 집중할 수 있도록 했지만 동시에 반도체 공급망을 더욱 복잡하게 만들었다.
하나의 반도체가 만들어지기까지 설계 소프트웨어, 제조장비, 소재, 웨이퍼 생산, 패키징과 테스트 등 여러 기업과 지역이 연결된다. 특정 단계의 공급이 원활하지 않으면 다른 단계에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 공급망 관리의 중요성도 커졌다.
기술 경쟁과 공급망이 함께 중요해진 반도체 산업
반도체는 스마트폰이나 컴퓨터뿐 아니라 자동차, 통신망, 데이터센터, 산업 장비 등 다양한 분야에서 사용된다.
사용 범위가 넓어지면서 반도체 생산능력과 공급망은 기업만의 문제가 아니라 여러 국가가 관심을 가지는 산업 정책의 대상이 되기도 했다.
과거 반도체 산업에서는 기술과 생산비용이 핵심 경쟁 요소였다면, 오늘날에는 안정적인 생산능력과 소재·장비 확보, 여러 지역에 걸친 공급망 관리도 함께 중요하게 다뤄지고 있다.
그렇다고 반도체 산업이 완전히 한 국가 안에서 독립적으로 이루어지는 것은 아니다. 반도체는 매우 복잡한 산업이기 때문에 설계, 장비, 소재, 제조 등 각 분야에서 서로 다른 기업과 지역이 연결되어 있다.
따라서 반도체 산업의 변화를 이해하려면 개별 기업의 기술력뿐 아니라 산업 전체의 연결 구조도 함께 살펴볼 필요가 있다.
반도체 역사에서 반복되는 하나의 흐름
진공관에서 트랜지스터로, 개별 트랜지스터에서 집적회로로, 그리고 미세공정에서 칩렛과 첨단 패키징으로 발전하는 과정을 보면 한 가지 공통점을 찾을 수 있다.
기존 기술이 가진 문제를 해결하는 과정에서 새로운 방식이 등장했다는 점이다.
진공관의 크기와 발열 문제는 트랜지스터의 필요성을 키웠고, 수많은 전자부품을 연결해야 하는 문제는 집적회로의 발전으로 이어졌다. 회로를 계속 미세하게 만드는 일이 어려워지면서 이제는 여러 종류의 칩을 효과적으로 연결하는 방법도 중요해지고 있다.
따라서 미래의 반도체 발전을 단순히 ‘더 작은 칩’이라고만 설명하기는 어렵다.
앞으로는 미세공정의 발전과 함께 새로운 트랜지스터 구조, 첨단 패키징, 칩렛, 고대역폭 메모리, 새로운 반도체 소재 등이 서로 보완하는 방향으로 발전할 가능성이 크다.
지금까지의 반도체 역사가 보여주는 핵심은 특정 기술 하나가 모든 문제를 해결했다는 것이 아니다. 새로운 한계가 나타날 때마다 설계와 제조, 소재와 구조를 서로 다른 방식으로 개선하며 다음 단계로 이동해 왔다는 점이다.
핵심 요약
- 전자소자의 소형화: 진공관에서 트랜지스터와 집적회로로 발전하면서 전자기기의 크기와 전력 소비를 줄이고 집적도를 높일 수 있게 됐다.
- 미세공정의 발전: 더 많은 트랜지스터를 하나의 칩에 넣기 위해 노광 기술과 트랜지스터 구조가 발전해 왔다.
- 칩렛과 첨단 패키징: 하나의 칩을 무조건 크게 만드는 대신 여러 기능의 칩을 효과적으로 연결하는 방식이 중요해지고 있다.
- 복잡해진 공급망: 설계, 제조, 소재, 장비, 패키징 등이 분업화되면서 반도체 산업 전체의 연결 구조가 중요해졌다.
FAQ
More than Moore는 무어의 법칙이 끝났다는 뜻인가?
반드시 그런 의미는 아니다. 미세공정 발전을 포기한다는 뜻이라기보다, 공정 미세화만으로 성능을 높이는 방식 외에도 패키징, 칩렛, 새로운 소재와 구조 등 다양한 방법을 함께 활용한다는 개념에 가깝다.
칩렛은 하나의 반도체 칩과 무엇이 다른가?
기존의 대형 칩은 여러 기능을 하나의 다이에 통합하는 경우가 많다. 칩렛 방식은 기능별로 제작된 작은 칩들을 고속 연결 기술을 이용해 하나의 시스템처럼 구성한다는 차이가 있다.
앞으로 미세공정은 중요하지 않게 되는가?
그렇지 않다. 미세공정은 여전히 반도체 성능과 전력 효율을 높이는 중요한 기술이다. 다만 미세화만으로 모든 성능 향상을 해결하기 어려워지면서 첨단 패키징과 칩렛 같은 다른 기술의 중요성도 함께 커지고 있다고 보는 것이 적절하다.
시리즈를 마치며
이번 시리즈에서는 진공관과 트랜지스터의 등장부터 집적회로, 마이크로프로세서, DRAM, 반도체 산업의 분업화, 미세공정과 새로운 반도체 구조까지 기술의 변화 과정을 살펴봤다.
각 시대의 기술은 이전 기술을 완전히 지우기보다 그 한계를 보완하면서 발전해 왔다. 반도체 산업을 이해할 때도 특정 제품이나 기업만 보는 것보다 이러한 기술의 연결 과정을 함께 살펴보면 현재의 산업 구조를 이해하는 데 도움이 된다.
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