도체와 부도체 사이, '스위치의 마법'
무어의 법칙: 50년간 3,500만 배의 진화
글로벌 기술 혁명의 새로운 국면으로 에너지 효율 시대가 도래하면서 전력반도체가 전기 시스템의 핵심 요소로 떠오르고 있다. 메모리와 중앙처리장치(CPU)가 정보의 저장과 연산을 담당하는 것과 달리, 전력반도체는 전기의 흐름을 제어하고 조절함으로써 시스템 전반의 작동을 실질적으로 가능하게 하는 역할을 수행한다. 모빌리티, 에너지 인프라, 인공지능(AI) 데이터센터 등 전기를 생산하거나 소비하는 모든 산업 분야에서 전력 효율을 극대화하고 에너지 손실을 최소화하는 기술력이 미래 경쟁력을 결정짓는 핵심 척도로 자리매김하고 있다. 이런 추세는 전력반도체 기술의 중요성을 더욱 부각시키며 관련 시장의 성장을 견인할 것으로 전망된다. 이에 <알파경제>는 전력반도체 시리즈를 준비하게 됐다. [편집자주]
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| (사진=디시오 제공) |
[알파경제=박남숙 기자] "모래로 컴퓨터를 만든다"
얼핏 들으면 황당한 농담처럼 들리지만, 이는 현대 과학기술이 이룩한 가장 정교한 사실이다.
우리가 매일 손에서 놓지 않는 스마트폰부터 자율주행 자동차까지, 현대 문명의 심장이라 불리는 '반도체'는 실제로 해변의 흔한 모래에서 시작된다.
평범한 실리카(이산화규소)가 어떻게 초당 수십억 번의 연산을 수행하는 칩으로 탈바꿈하는지, 그 경이로운 여정을 취재했다.
◇ 11개의 9, '신의 영역'에 도전하는 순도
모래의 주성분인 이산화규소(SiO₂)에서 산소를 제거하면 규소(실리콘, Si)가 남는다. 하지만, 컴퓨터 칩이 되기 위해서는 상상을 초월하는 정제 과정이 필요하다.
반도체용 실리콘에 요구되는 순도는 무려 **99.99%**. 이른바 '일레븐 나인(11개의 9)'이라 불리는 이 수치는 올림픽 규격 수영장에 소금 한 알갱이가 섞인 정도의 결벽에 가까운 순수함을 의미한다.
이 고순도 실리콘을 섭씨 2000도의 전기로에서 녹인 뒤, 씨앗 결정을 담가 천천히 회전시키며 뽑아 올리면 거대한 실리콘 기둥인 '잉곳(Ingot)'이 탄생한다.
이 잉곳을 다이아몬드 톱으로 얇게 썰어낸 원판이 바로 반도체의 도화지라 불리는 '웨이퍼(Wafer)'다.
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◇ 도체와 부도체 사이, '스위치의 마법'
반도체(Semiconductor)라는 이름에는 그 성질이 그대로 담겨 있다.
전기가 잘 통하는 '도체'와 통하지 않는 '절연체'의 중간 성질을 띠며, 외부 조건(전압, 온도 등)에 따라 전기 흐름을 조절할 수 있다.
이 조절 능력을 활용해 아주 작은 '전자식 스위치'를 만드는데, 이것이 바로트랜지스터(Transistor)다.
현대의 최첨단 칩인 Nvidia H100에는 손톱만 한 크기에 무려800억 개의 트랜지스터가 집적되어 있다.
대한민국 인구의 1600배에 달하는 스위치가 찰나의 순간에 0과 1의 신호를 만들어내며 복잡한 AI 연산을 수행하는 것이다.
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◇ 무어의 법칙: 50년간 3,500만 배의 진화
지난 1965년 인텔 창업자 고든 무어는 "반도체 칩의 트랜지스터 개수는 2년마다 2배로 늘어난다"고 예측했다.
이 '무어의 법칙'은 지난 50년간 현실이 됐다. 지난 1971년 단 2,300개였던 트랜지스터는 오늘날 수천억 개 시대를 목전에 두고 있다.
이는 자동차 속도가 50년 만에 시속 60km에서 21억km로 빨라진 것과 맞먹는 기적적인 발전 속도다.
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◇ "먼지 한 톨도 허용 못 해" 수술실보다 100배 깨끗한 클린룸
이토록 미세한 회로를 그리기 위해 반도체 공장은 극도로 청정한 상태를 유지한다.
일반 대기 중에는 수천만 개의 먼지가 떠다니지만, 반도체 클린룸은 1세제곱미터당 먼지가 1개 미만이어야 한다.
머리카락 두께의 3만분의 1에 불과한 3나노미터(nm) 공정에서는 눈에 보이지 않는 미세 먼지 하나가 거대한 바위처럼 작용해 회로를 끊어버릴 수 있기 때문이다.
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◇ 21세기의 석유, 대한민국이 주도한다
반도체는 이제 단순한 부품을 넘어 '21세기의 석유'이자 국가 안보의 핵심 자산이 됐다.
스마트폰 한 대에 수십 개, 전기차 한 대에 3,000개 이상의 칩이 들어가는 세상에서 반도체 공급망의 붕괴는 곧 문명의 멈춤을 의미한다.
이 전략적 요충지에서 대한민국은 독보적인 위상을 자랑한다.
삼성전자와 SK하이닉스를 필두로 한 한국은 전 세계 메모리 반도체 시장의 60% 이상을 점유하고 있는 세계 1위 강국이다.
모래에서 일궈낸 이 반도체 신화는 오늘도 우리 경제와 전 세계 IT 기기를 움직이는 원동력이 되고 있다.
*다음 4회차 예고
"AI란 무엇인가? 컴퓨터가 생각한다는 것의 의미"라는 주제로 ▲알파고는 어떻게 이세돌을 이겼을까? ▲ChatGPT는 어떻게 대화를 할까? 딥러닝의 비밀을 파헤칠 예정이다.
알파경제 박남숙 기자(parkns@alphabiz.co.kr)
