[초점] 미래 반도체 기술 환경 형성할 5가지 트렌드

4차 산업혁명과 융합 시대가 본격화되면서 반도체의 쓸모는 더욱 더 확대되고 있다.

PC와 노트북 시대에서 스마트폰 시대로 옮겨가고 데이터센터 기능이 AI와 자율주행, 우주 상업시대 도래 등 이제 모든 전자장비에 들어가는 반도체는 더 미세화 되고 더 적은 전력을 사용하고 더 빠른 속도로 정보를 처리할 것을 요구받고 있다.
진화하는 시장 수요를 반도체는 과연 어떻게 수렴해 낼 것인지가 향후 반도체 미래를 좌우할 것으로 보인다.

기술이 또 다른 기술 진화를 촉진한다. 한 분야의 벌전을 시현하려면 반도체 성능은 더 개선되어야만 필요 기능을 수행할 수 있다.
지난 수십 년 동안 글로벌 반도체 산업의 성장은 데스크톱, 랩톱 및 스마트폰 제품과 같은 첨단 전자 장치에 대한 수요와 클라우드 기반 컴퓨팅의 부상에 의해 주도되었다.

향후에도 반도체 시장은 고성능 컴퓨팅 시장 부문을 위한 새로운 애플리케이션 드라이버와 함께 성장은 계속될 수밖에 없다.

전망은 밝다. 첫째, 데이터양이 기하급수적으로 계속 증가하고 이는 5G 네트워크에 이어 6G 네트워크가 출시되면 더욱 가속화될 것이다.

데이터를 처리하고 저장하는 서버는 점점 더 고도화될 것이다. 서버의 핵심인 고급 CPU(중앙 처리 장치)와 GPU(그래픽 처리 장치)의 연간 복합 성장률은 두 자리 수가 예상된다. 슈퍼컴퓨팅 및 고성능 컴퓨팅 같은 데이터 센터 애플리케이션의 호스트를 지원할 것이다.

CPU와 GPU를 넘어 데이터 중심 컴퓨팅이 필요해짐에 따라 데이터 센터에서 데이터를 이동시키는 DPU 시대가 도래했다. DPU는 데이터센터 전용 컴퓨팅 부상의 산물이다.

클라우드 게임 및 인공 지능 같은 새로운 애플리케이션에 의해 촉발된 GPU의 더 빠른 성장률이 예상된다. 최근 코로나로 원격근무와 교육도 인터넷 트래픽에 큰 성장을 기록할 것이다.

두 번째 주요 동인은 스마트폰의 칩인 모바일 SoC(시스템 온 칩)이다. 이 부문도 빠르게 성장할 것이다. 더 많은 기능에 대한 요구로 인해 추가 기술 혁신을 주도할 것이다.


#추세 1. 무어의 법칙은 향후 8~10년 동안 계속

CMOS 트랜지스터 밀도 스케일링은 향후 8~10년 동안 계속 무어의 법칙(Moore's law)을 따를 것으로 보인다.

무어의 법칙은 반도체 집적회로 성능이 24개월마다 2배로 증가한다는 법칙이다. 경험적인 관찰에 바탕을 두고 있다. 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 내 놓은 것이다.

그러나 기술 한계로 더 작고 성능이 좋은 반도체를 개발하려는 시도인 ‘모어 무어’(More Moore)에 학계 관심이 쏠리고 있다.

최근 작아질 대로 작아진 반도체 공정으로 무어의 법칙은 그 유효성에 한계가 도래했다. 무어의 법칙과 모어 무어가 혼재하는 상황이다.

5nm(10억 분의 1m) 이하로까지 접어들면서 이런 극단적 미세화는 기존 공정 기술로는 도저히 도달할 수 없는 경지로, 결국 EUV(극자외선) 공정 같은 천문학적 투자를 수반하게 됐다.

CMOS 트랜지스터 구조는 전력 소모가 적고, 단위 면적당 생산량이 높으면서, 신뢰성과 수율이 높다. 인공지능 서버와 데이터 센터에 쓰이는 반도체 대부분은 실리콘 기반 CMOS 트랜지스터 구조다.


이것은 극자외선(EUV) 미세화 기술인 패터닝의 발전과 논리 표준 셀 스케일링을 가능하게 하는 새로운 아키텍처의 도입으로 가능해졌다.

극자외선 리소그래피는 이제 3nm 기술 노드에 도입되어 단일 노출 단계에서 가장 중요한 칩 구조 중 일부를 패턴화하고 있다.

다중 미세화 극자외선 리소그래피가 일반화되면서 웨이퍼 비용이 크게 증가하고 있지만 미세화 공정 기술 진화로 비용, 수율 및 주기 시간 완화가 기대된다.

확률적 결함의 개선은 더 낮은 선량 노출의 사용으로 이어져 처리량과 비용을 개선할 수 있다. 우리는 확률적 오류를 이해, 감지 및 완화하기 위해 노력하고 있다.


고정 전력에서 노드 간 성능 향상은 공급 전압을 확장할 수 없기 때문에 느려진다. 전 세계 연구원들은 속도 저하를 보상하고 칩 성능을 더 향상시킬 방법을 찾고 있다.


업계에서는 2.5D 또는 3D 연결을 활용하는 이기종 통합을 통해 구축되는 시스템을 더 많이 활용할 전망이다.

이기종 컴퓨팅(heterogeneous computing)은 하나 이상 프로세서 또는 코어를 사용하는 시스템을 가리킨다. 이런 시스템들은 특정한 작업을 수행하기 위해 동일한 종류의 프로세서를 장착하지 않고 유사하지 않은 코프로세서를 장착함으로써 성능 또는 에너지 효율성을 얻는다.

이 옵션은 메모리 벽을 해결하고, 컴퓨터 부품 규격이 제한된 시스템에 기능을 추가하거나, 대형 칩 시스템의 수율을 개선하는 데 도움이 된다.

느린 로직 PPAC(성능-전력-면적-비용)를 통해 SoC(시스템 온 칩)의 스마트 기능 분할은 확장을 위한 또 다른 기여를 제공할 수 있다.

SoC가 점점 더 이기종화 됨에 따라 칩의 다양한 기능(로직, 메모리, I/O 인터페이스, 아날로그 등)은 단일 CMOS 기술에서 나올 필요가 없다. 설계비용과 수율을 최적화하기 위해 서로 다른 하위 시스템에 대해 서로 다른 프로세스 기술을 사용하는 것이 더 유리할 수 있다. 이런 진화는 또한 더 많은 칩 다양화 및 맞춤화에 대한 요구 사항을 해결할 수 있다.


전체 메모리 IC 시장은 코로나에도 불구하고 온라인 공간의 활동이 더 늘어나면서 4차 산업 혁명이 지속되자 계속 성장세를 보였다.

신흥 비휘발성 메모리 시장은 주로 내장형 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 및 독립형 위상 변화 메모리(PCM)에 대한 수요에 의해 50% 이상의 복합 연간 성장률로 성장할 것으로 예상된다.

모든 입력이 참일 때에만 거짓인 출력을 내보내는 논리 회로인 NAND는 점진적으로 계속 확장될 전망이다. 오늘날 가장 진보된 NAND 제품은 128개 레이어의 스토리지 기능을 갖추고 있다. 3D 스케일링은 잠재적으로 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩에 의해 활성화되는 추가 레이어로 계속될 것이다.


나노 전자 및 디지털 기술 분야에서 활동하는 국제 연구 개발 기관인 유럽의 반도체 연구 중심인 IMEC(Interuniversity Microelectronics Center)는 저저항 금속을 개발하고, 대체 메모리 유전체 스택을 연구하고, 채널 전류를 개선하고, 적층된 레이어 수의 증가로 인해 발생하는 스트레스를 제어하는 ​​방법을 식별한다.

또한 NAND 주변부 평면 논리 트랜지스터를 보다 발전된 FinFET 장치로 교체하는 데 중점을 둔다. 고급 스토리지 애플리케이션에서 3D NAND 대체품으로 3D FET(FeFET)를 탐구하고 있다. 기존 3D NAND를 대체하기 위해 새로운 유형의 메모리 가능성을 평가하고 있다.

DRAM의 경우 셀 스케일링이 느려지고 있으며 미세화를 개선하기 위해 EUV 리소그래피가 필요할 수 있다.

IMEC는 DRAM 구조를 미세화하기 위한 EUV 리소그래피를 탐구하는 것 외에도 진정한 3D DRAM 솔루션을 위한 빌딩 블록을 제공한다.

속도, 전력 소비 또는 메모리 밀도를 개선해 메모리 병목 현상을 극복하려는 연구는 지속되고 있다.


데이터를 소스에서 최대한 가까운 곳에서 수집하고 처리하는 개념인 엣지 컴퓨팅에 AI 기능을 탑재한 엣지 AI 칩은 향후 5년 동안 100% 이상의 성장이 예상된다.

클라우드 기반 AI와 달리 추론 기능은 휴대폰 및 스마트 스피커와 같이 네트워크 가장자리에 있는 사물인터넷(IoT) 끝점에 로컬로 포함된다.

IoT 장치는 비교적 가까운 곳에 위치한 엣지 서버와 무선으로 통신한다. 이 서버는 클라우드 서버로 보낼 데이터(일반적으로 시간에 덜 민감한 작업에 필요한 데이터)와 엣지 서버에서 처리할 데이터를 결정한다.

AI를 기반으로 결정을 내리는 자율주행 자동차를 상상해 보면 결정을 매우 빠르게 내려야하기 때문에 시스템은 데이터가 서버로 갔다가 다시 올 때까지 기다릴 수 없다. 일반적으로 배터리로 구동되는 IoT 장치에 부과되는 전력 제약으로 인해 이러한 IoT 장치의 추론 엔진도 매우 에너지 효율적이어야 한다.

오늘날 상업적으로 이용 가능한 엣지 AI 칩(엣지 서버 내부의 칩)은 연산을 위해 고속 GPU 또는 ASIC을 사용해 와트당 초당 1-100테라 작업(Tops/W) 정도의 효율성을 제공한다. IoT 구현의 경우 훨씬 더 높은 효율성이 필요하다.


미국 과학계는 20세기의 최고의 발명품을 자동차도, 비행기도, 심지어 인터넷도 아닌 반도체로 규정한다.

최초의 성공적인 반도체 시연이 이뤄진 1947년 벨연구소(Bell Labs)에서 성과가 나온 이래 게르마늄에서 실리콘 전도체로의 전환은 빠르게 획기적인 상업 및 군사 응용 프로그램으로 이어졌다.

마이크로칩이라고도 하는 반도체는 스마트폰, 세탁기, TV와 같은 일상적인 장치에서 전기 및 자동화 차량과 같은 신기술에 이르기까지 오늘날 전자 제품의 두뇌 역할을 한다. 국방에 필수적이며 유도 미사일에서 전투기에 이르기까지 모든 것의 구성 요소다.

최근 반도체 수요의 급증은 자동차, 개인용 전자 제품 및 가전제품을 포함한 여러 부문의 공급망에 영향을 미쳤다. 당분간은 단기적인 수요 문제가 이슈이나 가장 시급하고 헌신적 노력이 필요한 것은 이 산업의 장기적인 미래다.

미국은 제조 분야에서 보편적인 지배력을 해외 생산업체에 양도했다. 전 세계 반도체의 12%만이 미국에서 생산된다. 반도체 산업 협회(SIA)에 따르면 '팹'으로 알려진 반도체 제조 시설의 거의 80%가 아시아에 집중되어 있다.

SIA에 따르면 중국이 팹과 이를 구동하는 공급업체의 점유율을 계속 증가시켜 궁극적으로 2030년까지 세계 반도체 제조의 최고 점유율을 차지할 것이라고 예상하고 있다.

이에 미국에서는 반도체 국가 전략이 가동되고 있다.

미국의 경제적 번영, 기술 발전 및 국가 안보를 지원하기 위해 산업, 학계 및 주 정부 파트너 연합은 2021년에 NSER(National Semi conductor Economic Roadmap)을 발표했다. 인력, 공급망, 인프라에 중점을 두어 반도체 연구 및 개발, 설계, 제조 및 최종 애플리케이션을 지원함으로써 반도체 경쟁력을 견고히 하겠다는 선언이었다.

민간 부문 회사, 고등교육기관 및 산업 협회를 포함한 NSER 참가자는 현재 기술 과제, 인프라 및 공급망, 새로운 인력 기술 요구 사항을 식별하기 위해 긴밀한 협력을 강화하고 있다.

예를 들면, 애리조나는 대규모 반도체 이니셔티브를 발표했다. 인텔이 200억 달러를 투자하여 3000개의 일자리를 창출하고, TSMC가 피닉스에 2000개의 일자리를 창출하기 위해 120억 달러를 투자했다.

애리조나에는 200개 이상의 반도체 제조 시설에서 2만2000명 이상의 직원을 고용하고 있다. 이는 우수한 인력을 구하기 쉽기 때문이다.

지난 7년 동안 미국에서 가장 혁신적 대학으로 선정된 아리조나 주립대학은 미국에서 가장 큰 엔지니어링 대학이다. 모든 주요 엔지니어링 분야, 건설 및 컴퓨터 과학에서 25개의 학부 및 47개의 대학원 프로그램을 제공하는 'Fulton School of Engineering'에는 2만5000명 이상 학생들이 등록해 있다.

특히 실리콘벨리에서 이뤄지는 모든 기술 혁신들이 서로 융합되면서 최첨단 전자제품들이 기능을 원활히 수행하는데 근본이 되는 반도체의 고도화, 미래 모습을 이론적으로 정립하고 이를 실제 실험하는 과정이 더 가속화되고 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com