7나노·5나노·3나노·2나노란 무엇일까?
숫자가 작아지면 무엇이 좋아질까
반도체 뉴스를 보면 이런 표현을 자주 볼 수 있습니다.
7나노 공정
5나노 공정
3나노 반도체
2나노 양산
숫자가 계속 작아지고 있습니다.
그래서 처음 반도체를 배우는 사람은 이렇게 생각하기 쉽습니다.
“3나노 반도체는 크기가 3나노미터라는 뜻일까?”
또는
“2나노는 4나노보다 정확히 두 배 더 좋은 반도체일까?”
하지만 실제 의미는 조금 더 복잡합니다.
이번 글에서는 ‘나노’가 무엇인지부터 시작해서, 왜 반도체 회사들이 더 작은 공정을 만들려고 하는지 쉽게 알아보겠습니다.
먼저 나노미터는 얼마나 작을까?
나노미터는 길이를 나타내는 단위입니다.
기호로는 nm라고 씁니다.
1나노미터는
1미터를 10억 개로 나눈 크기
입니다.
즉,
1nm = 0.000000001m
입니다.
숫자로 보면 너무 작아서 상상하기 어렵습니다.
머리카락과 비교해보자
사람의 머리카락 한 가닥 굵기는 보통 수만 나노미터 정도입니다.
그러니까 3나노, 2나노라는 숫자는 머리카락 굵기와 비교하면 정말 엄청나게 작은 세계의 이야기입니다.
반도체 회사들은 이런 아주 작은 크기에서 트랜지스터와 배선을 만들어냅니다.
그래서 반도체 제조가 어려운 것입니다.
그런데 3나노 공정은 정확히 무엇이 3나노일까?
여기가 가장 중요한 부분입니다.
과거에는 반도체 공정 이름이 트랜지스터의 특정 실제 길이와 비교적 직접적으로 연결되던 시기가 있었습니다.
하지만 오늘날의
7나노,
5나노,
3나노,
2나노
같은 이름은 특정 부품 하나의 실제 크기가 정확히 그 숫자라는 뜻이 아닙니다.
즉 3나노 공정이라고 해서 반도체 안의 모든 트랜지스터가 정확히 3nm 크기라는 뜻은 아닙니다.
그렇다면 왜 나노라는 이름을 사용할까?
오늘날에는 공정 기술의 세대 이름에 가깝다고 이해하면 쉽습니다.
예를 들어 자동차를 생각해보겠습니다.
어떤 자동차가
1세대,
2세대,
3세대
로 발전한다고 해보겠습니다.
3세대 자동차가 2세대보다 새로운 엔진과 더 좋은 전자장치를 갖고 있을 수 있습니다.
반도체에서도
7나노 → 5나노 → 3나노 → 2나노
처럼 새로운 세대의 제조기술이 등장합니다.
숫자가 작아질수록 보통 더 발전된 미세공정 기술을 의미합니다.
왜 이름을 정확한 크기로 보면 안 될까?
반도체 안에는 한 종류의 크기만 있는 것이 아니기 때문입니다.
트랜지스터 안에도 여러 부분이 있습니다.
전기가 들어가는 부분,
전기가 나오는 부분,
전기의 흐름을 조절하는 부분,
트랜지스터 사이의 간격,
금속 배선의 간격
등 여러 크기가 존재합니다.
그래서 현대 반도체를 숫자 하나만 가지고 실제 크기로 설명하는 것은 어렵습니다.
회사마다 같은 ‘3나노’도 다를 수 있다
이것도 꼭 알아야 합니다.
삼성전자의 3나노와
TSMC의 3나노가
모든 면에서 완전히 똑같은 것은 아닙니다.
회사마다
트랜지스터 구조,
설계 규칙,
회로를 얼마나 촘촘하게 넣을 수 있는지,
전력 특성,
성능,
제조방법
등이 다를 수 있습니다.
그래서 단순히
“둘 다 3나노니까 완전히 같은 기술이다.”
라고 생각하면 안 됩니다.
그러면 왜 숫자가 작으면 좋다고 할까?
일반적으로 새로운 미세공정 세대로 갈수록 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣거나, 더 높은 성능과 더 낮은 전력 소비를 목표로 합니다.
쉽게 말하면 세 가지가 중요합니다.
더 많은 트랜지스터
더 빠른 계산
더 적은 전력 사용
입니다.
첫 번째 장점: 같은 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있다
교실 하나가 있다고 생각해보겠습니다.
책상이 아주 크면 20개밖에 놓지 못합니다.
그런데 책상을 절반 크기로 줄이면 더 많은 책상을 놓을 수 있습니다.
반도체도 비슷합니다.
트랜지스터와 회로를 더 작고 촘촘하게 만들 수 있다면 같은 크기의 칩 안에 더 많은 기능을 넣을 수 있습니다.
트랜지스터가 많으면 무엇이 좋아질까?
트랜지스터가 많아지면 더 복잡한 회로를 만들 수 있습니다.
예를 들어
CPU 코어를 더 넣거나,
GPU 계산 장치를 늘리거나,
AI 전용 기능을 추가하거나,
더 큰 캐시 메모리를 넣는
등의 설계가 가능해집니다.
물론 트랜지스터가 많다고 무조건 좋은 반도체가 되는 것은 아닙니다.
설계를 어떻게 하느냐도 매우 중요합니다.
두 번째 장점: 성능을 높일 수 있다
새로운 미세공정은 트랜지스터를 더 빠르게 작동시키는 것을 목표로 합니다.
쉽게 말하면 전기 신호가 더 빠르게 움직이고 스위치를 더 빠르게 켜고 끌 수 있도록 만드는 것입니다.
그러면 CPU나 GPU가 더 많은 계산을 처리할 수 있습니다.
세 번째 장점: 전기를 줄일 수 있다
스마트폰에서 이 부분은 특히 중요합니다.
아무리 성능이 좋아도 배터리가 두 시간 만에 끝난다면 사용하기 불편합니다.
그래서 반도체 회사들은 같은 일을 하면서도 전기를 더 적게 쓰는 반도체를 만들려고 합니다.
새로운 공정 기술은 일반적으로 전력 효율 개선도 중요한 목표로 삼습니다.
스마트폰으로 생각하면 쉽다
예전 스마트폰과 최신 스마트폰을 비교해보겠습니다.
최신 스마트폰은
더 빠른 게임,
고화질 카메라,
AI 기능,
영상 편집
같은 훨씬 복잡한 일을 처리합니다.
그런데 스마트폰 크기는 과거보다 수십 배 커지지 않았습니다.
오히려 작은 공간에 더 많은 기능이 들어갔습니다.
이것이 가능한 이유 중 하나가 반도체 미세공정 발전입니다.
그렇다면 계속 작게 만들면 되는 것 아닐까?
여기서 큰 문제가 생깁니다.
트랜지스터가 작아질수록 제조가 점점 어려워집니다.
100m짜리 도로를 만드는 것과 1mm짜리 초정밀 도로를 만드는 것은 난이도가 다릅니다.
반도체도 회로가 작아질수록 아주 작은 오차가 큰 문제가 됩니다.
너무 작아지면 전기가 새는 문제도 생긴다
트랜지스터는 전기를 켜고 끄는 스위치라고 배웠습니다.
그런데 스위치가 너무 작아지면 전기를 완전히 막기가 어려워질 수 있습니다.
문을 닫았는데 문틈으로 바람이 새는 것과 비슷합니다.
반도체에서는 이런 원하지 않는 전류의 흐름을 잘 제어해야 합니다.
발열도 문제다
같은 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣으면 전력과 열을 어떻게 관리할지도 중요합니다.
아주 작은 방 안에 사람들이 수백 명 모여 있다고 생각해보겠습니다.
사람이 많아질수록 방이 더워집니다.
반도체도 많은 계산을 하면 열이 발생합니다.
그래서 고성능 CPU나 GPU에는 냉각장치가 매우 중요합니다.
그래서 트랜지스터 모양도 바뀌었다
반도체 회사들은 단순히 기존 트랜지스터를 계속 작게만 만들지 않았습니다.
트랜지스터의 모양 자체도 바꾸기 시작했습니다.
과거에는 평평한 구조를 많이 사용했습니다.
그 뒤에는 FinFET이라는 구조가 널리 사용되었습니다.
그리고 더 발전한 공정에서는 GAA라는 새로운 트랜지스터 구조도 등장했습니다.
FinFET을 쉽게 이해해보자
전기의 흐름을 물이 흐르는 수로라고 생각해보겠습니다.
예전 구조에서는 물길을 한쪽 방향에서 주로 조절했습니다.
FinFET은 전기가 흐르는 길을 지느러미처럼 세워서 여러 방향에서 더 잘 감싸고 조절하는 방식입니다.
그래서 작은 트랜지스터에서도 전기의 흐름을 더 잘 제어할 수 있습니다.
GAA는 무엇일까?
GAA는
Gate-All-Around
의 약자입니다.
이름 그대로 전기가 흐르는 통로를 게이트가 여러 방향에서 둘러싸는 구조입니다.
빨대를 손으로 한쪽만 누르는 것보다 사방에서 감싸 쥐면 흐름을 더 잘 조절할 수 있는 것과 비슷합니다.
이런 새로운 구조는 더 작은 공정에서 전기 흐름을 잘 제어하기 위해 개발되었습니다.
삼성의 3나노에서 GAA라는 말이 나오는 이유
반도체 뉴스를 보면
“3나노 GAA”
같은 표현을 볼 수 있습니다.
이 말은 단순히 회로 크기만 줄인 것이 아니라 트랜지스터 구조도 함께 발전하고 있다는 뜻입니다.
즉 미세공정 경쟁은
얼마나 작게 만들까?
뿐만 아니라
어떤 모양으로 만들어야 전기를 더 잘 제어할까?
의 경쟁이기도 합니다.
2나노가 3나노보다 무조건 50% 작은 것은 아니다
숫자만 보면
3 → 2
로 줄었으니 33% 정도 작아진 것처럼 생각할 수 있습니다.
하지만 앞에서 말했듯 오늘날 공정 이름은 실제 부품 하나의 길이를 그대로 나타내지 않습니다.
그래서
“2나노니까 3나노보다 모든 것이 정확히 33% 작다.”
라고 계산하면 안 됩니다.
성능 향상이나 전력 감소율도 단순한 숫자 비율로 계산할 수 없습니다.
공정이 작아지면 칩도 무조건 작아질까?
이것도 꼭 그렇지는 않습니다.
한 세대 더 발전된 공정을 사용하면 같은 회로를 더 작은 면적으로 만들 수 있는 가능성이 있습니다.
하지만 반도체 회사들은 그 여유 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣기도 합니다.
예를 들어 이전 GPU에는 트랜지스터 500억 개를 넣었는데,
새로운 GPU에는 1,000억 개를 넣을 수 있습니다.
그러면 공정은 작아졌지만 칩 자체는 여전히 클 수도 있습니다.
고성능 GPU가 계속 큰 이유
AI용 GPU는 엄청난 양의 계산을 해야 합니다.
그래서 많은 계산 회로가 필요합니다.
반도체 공정이 발전해 트랜지스터가 작아져도 제조사는 더 많은 회로를 넣어 성능을 높일 수 있습니다.
그래서 최신 고성능 GPU는 여전히 매우 큰 칩이 될 수 있습니다.
칩이 크면 어떤 문제가 생길까?
웨이퍼 한 장에서 만들 수 있는 칩의 수가 줄어듭니다.
큰 쿠키틀을 사용하면 한 장의 반죽에서 만들 수 있는 쿠키 수가 줄어드는 것과 같습니다.
또 칩이 클수록 작은 결함 하나가 칩 안에 들어갈 가능성도 커질 수 있습니다.
그래서 큰 칩은 생산 비용과 수율 관리가 어려워질 수 있습니다.
여기서 수율이 다시 중요해진다
웨이퍼 한 장에 큰 GPU가 50개 들어간다고 생각해보겠습니다.
그중 40개가 정상이라면 10개는 사용할 수 없습니다.
반대로 공정을 안정화해서 48개가 정상이라면 판매 가능한 제품이 크게 늘어납니다.
그래서 첨단 공정을 개발할 때는
“2나노 반도체를 만들었다.”
보다
“2나노 반도체를 높은 수율로 대량 생산할 수 있다.”
가 훨씬 중요합니다.
작은 공정은 왜 더 비쌀까?
첨단 미세공정을 만들려면 매우 비싼 장비와 복잡한 공정이 필요합니다.
앞에서 배운 EUV 장비도 필요할 수 있습니다.
더 정밀한
노광,
식각,
증착,
측정,
검사
기술이 필요합니다.
공정 단계도 복잡해질 수 있습니다.
그래서 최신 공정은 개발비와 공장 투자비가 매우 큽니다.
그러면 모든 반도체를 2나노로 만들면 안 될까?
그럴 필요가 없습니다.
이것도 매우 중요한 부분입니다.
자동차의 창문을 올리고 내리는 기능을 담당하는 반도체가 있다고 생각해보겠습니다.
이 반도체가 최첨단 AI 계산을 할 필요는 없습니다.
가격이 싸고 안정적으로 오래 작동하는 것이 더 중요할 수 있습니다.
이런 제품에 매우 비싼 최신 공정을 사용하면 오히려 낭비일 수 있습니다.
반도체에도 적합한 공정이 따로 있다
스마트폰의 핵심 프로세서
→ 첨단 공정이 중요할 수 있습니다.
AI GPU
→ 최첨단 공정이 매우 중요합니다.
자동차 제어칩
→ 성능보다 안전성과 신뢰성이 더 중요할 수 있습니다.
전력반도체
→ 다른 재료와 제조방식이 더 중요할 수 있습니다.
따라서 최신 공정이 무조건 모든 반도체에 최고의 선택은 아닙니다.
28나노 같은 오래된 공정도 여전히 사용될까?
그렇습니다.
반도체 뉴스에는 2나노, 3나노만 많이 나오지만 실제 세상에는 훨씬 다양한 공정의 반도체가 사용됩니다.
가전제품,
자동차,
산업기계,
센서,
통신장비
등에는 비교적 오래된 공정도 널리 사용됩니다.
이미 기술이 안정되어 있고 생산비가 낮다는 장점이 있기 때문입니다.
자동차를 최신 슈퍼컴퓨터처럼 만들 필요는 없다
자동차에 들어가는 모든 나사와 부품을 우주선용 최고급 소재로 만들 필요가 없는 것과 같습니다.
중요한 부품에는 최고 성능 기술을 사용하고,
단순한 기능에는 안정적이고 경제적인 기술을 사용하는 것이 효율적입니다.
반도체도 마찬가지입니다.
그렇다면 반도체 회사들은 왜 2나노 경쟁을 할까?
그럼에도 2나노, 3나노 같은 첨단공정 경쟁이 매우 중요한 이유가 있습니다.
최고급 반도체 시장에는 매우 큰 가치가 있기 때문입니다.
예를 들어
AI GPU,
스마트폰 최고급 프로세서,
고성능 CPU,
데이터센터 반도체
같은 제품은 높은 성능과 전력 효율이 매우 중요합니다.
이런 고객을 확보하면 반도체 제조기업에 큰 사업 기회가 될 수 있습니다.
그래서 TSMC와 삼성전자가 경쟁한다
반도체 설계 회사가 새로운 고성능 칩을 만들었다고 생각해보겠습니다.
하지만 자체 공장이 없습니다.
그러면 그 칩을 실제로 생산해줄 회사가 필요합니다.
이때 첨단 공정을 가진 TSMC나 삼성전자 같은 파운드리 회사에 생산을 맡길 수 있습니다.
따라서
누가 더 좋은 3나노, 2나노 공정을 가지고 있는가?
가 중요한 경쟁이 됩니다.
단순히 숫자가 작은 회사가 이기는 것일까?
그렇지 않습니다.
고객사는 여러 요소를 봅니다.
성능은 좋은가?
전력 소비는 낮은가?
칩을 얼마나 작게 만들 수 있는가?
수율은 높은가?
가격은 적절한가?
필요한 만큼 제때 생산해줄 수 있는가?
설계 지원은 좋은가?
이 모든 것을 종합합니다.
따라서 ‘2나노를 먼저 발표했다’는 것만으로 승자가 결정되지는 않습니다.
최고의 빵집을 생각하면 쉽다
어떤 빵집이
“우리는 세계에서 가장 최신 오븐을 샀습니다.”
라고 광고합니다.
하지만 실제 빵의 절반이 타버린다면 좋은 빵집이라고 하기 어렵습니다.
반도체도 같습니다.
첨단공정 이름보다
실제로 좋은 칩을 안정적으로 많이 만들어낼 수 있는가
가 중요합니다.
반도체 공정을 평가할 때 수율이 중요한 이유
앞으로 삼성전자와 TSMC의 경쟁을 공부하면 수율이라는 단어가 매우 자주 등장합니다.
같은 첨단공정을 가지고 있어도 수율이 다르면
생산비,
납기,
수익,
고객사의 선택
에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 수율은 반도체 제조기업의 진짜 실력을 보여주는 중요한 지표 중 하나입니다.
미세공정의 발전을 한 번에 정리해보자
반도체 회사들은 더 좋은 칩을 만들고 싶었습니다.
↓
트랜지스터를 더 작고 촘촘하게 만들기 시작했습니다.
↓
같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있게 됐습니다.
↓
성능과 전력 효율이 좋아질 수 있었습니다.
↓
하지만 너무 작아지면서 전기가 새고 제조가 어려워졌습니다.
↓
FinFET, GAA 같은 새로운 구조가 등장했습니다.
↓
DUV보다 정밀한 EUV 노광 기술도 중요해졌습니다.
↓
공정이 복잡해지면서 수율과 제조비용이 더욱 중요해졌습니다.
이것이 현대 미세공정 경쟁의 큰 흐름입니다.
오늘 내용 한눈에 정리하기
오늘은 일곱 가지만 기억하면 됩니다.
첫째, 나노미터는 1미터의 10억분의 1을 나타내는 매우 작은 길이 단위입니다.
둘째, 오늘날 7나노·5나노·3나노·2나노라는 이름은 실제 부품 하나의 정확한 크기라기보다 공정 기술의 세대를 나타내는 이름에 가깝습니다.
셋째, 숫자가 작아지는 새로운 공정에서는 일반적으로 더 높은 트랜지스터 밀도, 성능 향상, 전력 효율 개선을 목표로 합니다.
넷째, 반도체가 작아질수록 제조가 어려워지고 전기 누설과 발열 같은 문제가 커질 수 있습니다.
다섯째, 이런 문제를 해결하기 위해 FinFET과 GAA 같은 새로운 트랜지스터 구조가 등장했습니다.
여섯째, 모든 반도체에 가장 최신 공정이 필요한 것은 아닙니다.
일곱째, 첨단공정 경쟁에서는 숫자뿐 아니라 수율과 가격, 성능, 전력, 생산능력이 함께 중요합니다.
그렇다면 ‘수율’이 왜 그렇게 중요할까?
이제 다음 질문이 자연스럽게 생깁니다.
삼성전자와 TSMC가 똑같이 첨단 반도체를 만들 수 있다고 해도,
한 회사는 웨이퍼에서 90%의 칩이 정상이고,
다른 회사는 60%만 정상이라면
어느 회사가 더 경쟁력이 있을까요?
당연히 같은 재료와 시간을 사용하고도 정상 제품을 더 많이 만드는 회사가 유리합니다.
바로 이 차이를 보여주는 것이 수율(Yield)입니다.
그리고 수율은 반도체 회사의
생산비,
이익,
고객 확보,
공정 경쟁력
에 직접 연결됩니다.
다음 글에서는
「반도체 수율이란 무엇일까?｜똑같은 칩을 만들어도 회사마다 실력이 다른 이유」
를 통해 삼성전자와 TSMC의 경쟁에서도 계속 등장하는 수율이라는 개념을 아주 쉽게 알아보겠습니다.
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