작아져야 하는 반도체?
반도체 첨단 공정에 대한 뉴스를 살펴보면 첨단 공정으로 갈수록 공정을 부르는 숫자가 작아지는 것을 알 수 있다. 대표적으로 삼성전자의 14nm FinFET 첫 양상 공정에서부터 현재 GAA 첫 양산 공정은 3nm로 불린다. 반도체는 세대가 지날수록 더욱더 작게 만들려고 노력한다. 반도체는 세 대를 거듭하여 작아지는 이유가 있을까? 일차적으로 첨단 반도체의 수요가 모바일 사업에서 크기 때문이다. 우리가 사용하는 핸드폰이나 각종 전자기기는 갈수록 작아지고 갈수록 가벼워지고 있다. 그만큼 탑재되는 부품들도 갈수록 적은 소모 전력과 작은 사이즈가 요구되고 있다. 작아지지 않는 전자기기들도 점점 더 다양한 기능을 요구로 하고 그만큼 동일한 면적에 더 많은 트랜지스터를 탑재를 필요하다. 그런 관점에서 반도체의 발전은 당연하게 트랜지스터를 작게 만들 수 있는 방향으로 발전되었다. 최근 많이 둔해지기도 했지만 공정은 같은 면적에 두배의 트랜지스터를 탑재하는데 1~2년이 걸린다는 무어의 법칙을 얼추 따르고 있다. 반도체 공정의 발달로 작아진 트랜지스터가 주는 장점에 대해서 조금 더 자세히 알아보자.
작아질수록 좋아지는 성능
일반적으로 트랜지스터는 작아지면 기존 대비 속도가 빨라진다. 트랜지스터 속도는 0과 1의 신호를 바꾸는 속도를 말한다. 이때 이 속도는 RC delay에 달려 있는데, 이 RC delay가 전류량을 높일수록 낮아진다. 트랜지스터가 작아지면 channel의 길이도 물리적으로 작아진다. 트랜지스터에 흐르는 전류량은 이 Channel의 길이와 반비례한다. 결국 트랜지스터가 작아지면 Channel의 길이가 작아지고 RC delay가 작아져 속도가 빨라지게 된다. 속도 외에도 트랜지스터가 작아지면 얻을 수 있는 이점은 소모전략이 감소한다는 점이다. 트랜지스터가 작아지면서 전반적인 길이가 작아져 적은 전압으로도 원하는 전류량을 얻게 되어 트랜지스터당 동작하기 위한 소모 전력이 감소하기 때문이다. 트랜지스터는 작아질수록 Short Channel Effect에 의해 속도가 한계점에 이르는데, 이를 극복하기 위해 트랜지스터의 구조적인 변화를 가져왔고 그 변화의 흐름이 Planar FET, Fin FET, MBC FET, Gate All Aound FET으로 나타났다.정리하자면, 트랜지스터가 작아지게 되면 전반적으로 Channel의 길이가 작아지면서 전류량이 높아지고 RC delay가 감소한다. 감소한 RC Delay는 트랜지스터가 신호 처리를 빠르게 할 수 있게 한다. 그리고 작아진 트랜지스터로 적은 전압으로도 원하는 전류량을 만들 수 있어 소모 전력 또한 적어진다. 이런 이유에서 세대를 거듭할수록 각종 반도체 Chip 들이 더욱더 빠른 속력과 적은 소모 전력을 자랑할 수 있는 것이다.
작아질수록 높아지는 경제적 가치
반도체의 수율은 Chip의 크기가 작아질수록 유리해진다. 이는 반도체의 수율을 계산하는 방식을 살펴보면 이해하기 쉽다. 반도체는 동일한 면적의 Wafer에서 생산한다. 그리고 수율은 Wafer에서 생산할 수 있는 전체 Chip 수 중 살아남은 Chip의 숫자가 된다. 만약 Wafer에서 생산 가능한 Chip을 10개인 경우와 100개인 경우를 나눠서 생각해보자. 전체 Wafer에서 공정상 평균 3개의 결함이 산발적으로 발생한다고 가정하면, 결함이 발생한 3개의 Chip은 죽게 될 것이다. 이때 전체 생산할 수 있는 chip 수가 10개인 경우 7개가 살아남아 수율은 70%가 될 것이다. 반면에 100개인 경우는 97개가 살아남게 되어 수율은 97%가 된다. 이런 관점에서 생산하는 chip의 size가 수율과 직접적으로 연결된다. 이는 동일한 공정에서 Big Die가 수율이 상대적으로 더 작은 이유이기도 하다. 실제 생산 능력과 공정 능력을 평가하기 위해서는 단순 수율이 아닌 단위면적 당 Defect의 개수인 D0라는 개념을 사용한다.
Chip의 사이즈가 작아지지 않는 경우라면, 트랜지스터를 동일면적으로 더 많이 사용할 수 있게 된다. 더 다양한 기능을 동일 사이즈의 Chip에 탑재할 수 있게 되고 이는 경제적으로 더 높은 부가가치의 칩을 생산할 수 있게 된다는 의미이다.
트랜지스터는 작아질수록 더 빠르고 적은 전력을 소모하게 된다. 더 좋은 성능을 가지게 된다. 생산 관점에서도 Chip을 작게 만들게 되면 기존 대비 높은 수율로 값싸게 칩을 생산할 수 있게 된다. Chip이 작아지지 않더라도 도일 면적에 더 많은 기능이 들어간 Chip으로 부가가치를 높일 수 있다. 이런 이유에서 오늘도 반도체 엔지니어들은 조금 더 작은 트랜지스터를 만들기 위해 물리적 한계를 넘어서기 위해 노력하고 반도체 업계도 천문학적인 금액으로 첨단 공정을 개발하고 있다.
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