잭 킬비와 로버트 노이스에 의해 집적회로의 초기 모델이 제안되면서 보다 간단한 공정을 통하여 대량 생산이 가능하도록 트랜지스터의 구조와 공정 기술이 발전되어 왔습니다. 벨 연구소의 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)에 이어서 페어차일드 반도체는 상보형 MOSFET(Complementary MOSFET, CMOS)의 기본이 되는 자기 정렬형(self-aligned) 게이트 구조를 제시하였고, 이를 적용하여 제조 공정이 수월하고 기생 정전용량을 줄인 실리콘 게이트 트랜지스터가 만들어지기 시작하였죠.
1960년대 초기의 집적회로는 트랜지스터가 단순히 몇 개 정도 들어가 있는 수준으로, 이를 소규모 집적(Small-Scale Integration, SSI)이라 일컫습니다. 트랜지스터를 더욱 작고 간단하게 만들 수 있도록 구조의 개선과 공정 기술이 발전되면서 성능은 향상되고 크기는 점점 작아졌고, 따라서 같은 면적에 점점 더 많은 수의 소자들을 만들 수 있게 되었죠.
이러한 집적도의 발전 과정을 살펴보면, 1960년대 후반에는 수십 개에서 백 개 수준의 중규모 집적(Middle-Scale Integration, MSI), 1970년대에는 수백 개에서 만 개에 이르는 트랜지스터가 집적화된 대규모 집적(Large-Scale Integration, LSI) 수준까지 발전합니다.
이후로 집적도는 더욱 증가하면서 1980년대 이후로 VLSI(Very LSI), ULSI(Ultra-LSI) 등이 순차적으로 출현하며, 트랜지스터의 수는 수만 개에서 수백만 개로 증가하고, 2000년대를 넘어서면서 나노급 공정 기술의 도입을 통해 수십억 내지는 수백억 개의 트랜지스터가 반도체 칩 위에 집적화되는 수준에 이르렀습니다.
집적도가 꾸준히 향상되어 온 원동력으로는 소자들, 특히 트랜지스터의 구조와 제조 공정의 개선을 들 수 있습니다. 즉, 게르마늄 반도체를 이용하여 점 접촉 트랜지스터를 최초로 작동시킨 후, 실리콘 반도체로 전환하여 면 접촉형, 쌍극성 접합 트랜지스터(BJT), 금속-산화막-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 더 나아가서 상보형 MOSFET(CMOS)으로 진화되어왔습니다. 성능면에서는 빠른 동작 속도와 낮은 소비 전력, 제조면에서는 간단한 구조와 쉬운 공정, 높은 집적도를 갖출 수 있도록 기술 개발이 진행되었죠.
최근에 이르러서는 공정과 구조에서의 퀀텀 점프, 즉 한계를 돌파하는 작동 개념과 신개념 물질의 적용, 나노급 공정과 구조들이 트랜지스터와 집적 회로의 새로운 지평을 열고 있습니다. 하나의 전자로 작동하는 단전자 트랜지스터, 원자가 한 겹으로 배열된 2차원 물질, 나노 크기의 트랜지스터를 위한 FinFET과 GAA(Gate All Around) 구조 등이 새로운 물질, 신개념 구조와 공정을 대표하는 용어들입니다.
집적도의 발전과 함께 반도체 기판 위에 보다 많고 다양한 회로들을 집적시키려는 시도가 이어져왔죠. 데이터 저장용 메모리의 경우, 진공관이나 전자 계전기, 자기 코어 등이 이용되었으나 1970년대에 들어서면서 반도체 메모리의 시대가 본격적으로 시작됩니다.
1971년에 인텔이 1Kb(킬로비트)용 DRAM(Dynamic Random Access Memory)을 출시한 이래로 더 좁은 면적에 더 많은 데이터를 저장하기 위한 개발이 지속되었죠. 메모리의 저장 용량은 10년 주기로 1,000배씩 증가하여 왔는데 1980년대는 메가 비트, 1990년대는 기가 비트로 발전되었고 2000년대에는 NAND 플래시 메모리를 중심으로 하여 테라 비트 영역으로 들어서게 됩니다.
이와 함께 인텔은 1971년에 최초로 민간용 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU)인 인텔 4004를 선보입니다. 크기는 1.2cm 정도로 2,250개의 트랜지스터가 들어갔죠. 중앙 처리 장치라 함은 컴퓨터의 두뇌에 해당하는 부분으로, 기억 장치와 연계하여 입력 장치로부터 받는 데이터를 처리하여 출력 장치로 보내는 역할을 합니다.
데이터를 비교 판단하고 산술적인 처리를 하는 연산 회로, 해석 및 실행을 담당하는 제어 회로 등으로 구성되며, 이들을 하나의 칩으로 구현한 것을 마이크로프로세서(microprocessor)라 부르죠. 16비트, 32비트, 64비트 등의 수식어가 앞에 붙는데 이는 처리할 수 있는 데이터의 크기를 나타내며, 물론 데이터의 크기가 증가할수록 더욱 높은 집적도를 필요로 합니다.
인텔의 예에서 볼 수 있듯이 반도체 소자는 두 갈래 길로 발전하여 왔습니다. 데이터의 기억 혹은 저장을 담당하는 메모리 반도체와 연산과 처리, 제어를 맡는 시스템 반도체의 길이죠. 메모리 반도체는 한국이 최강자입니다. 선행 투자를 할 수 있는 자본력, 생산 시설 확보, 제조 공정 기술의 개발에 절대적으로 의존하며 제조 기술이 확보되면 일괄 대량 생산으로 가격 경쟁력을 갖추게 됩니다.
반면에 시스템 반도체는 주력 기업들이 주로 미국에 있습니다. 공정보다는 설계 기술이 핵심이 되고, 제품도 매우 다양하며, 시설 투자보다는 인적 자원의 노하우에 절대적으로 의존합니다. 가격 경쟁력이 아닌 기술력으로 승부하죠. 시장 규모도 커서 반도체 전체 시장에서 60~70%를 차지하고 있습니다.
작가의 관점에서 본다면 메모리 반도체는 필기구에 비유할 수 있습니다. 종이가 얇거나 연필심이 가늘다면 노트에 더 많은 필기를 할 수 있겠지요. 더 많은 내용을 쓸 수 있도록 더 얇지만 질긴 종이, 더 가늘지만 부러지지 않는 연필심을 대량으로 만들어내면 됩니다. 제품이죠.
반면에 시스템 반도체는 시를 쓰는 것입니다. 어떤 시를 쓸까, 어떻게 표현할까. 작가의 창의력과 함께 읽는 독자를 향한 공감의 전달이 필요합니다. 시스템 반도체는 하나의 작품이라고 볼 수 있겠습니다.
시스템 반도체의 중요성을 더 강조해보겠습니다. 일반적으로 반도체 산업은 연구 개발, 설계, 생산(전공정), 패키징(후공정), 테스트 단계로 진행되며, 이 단계들을 종합적으로 갖춘 종합 반도체 기업(Integrated Device Manufacturing, IDM)과 특정 단계에서 강점과 사업성을 갖는 단계별 전문 기업으로 구분됩니다.
메모리 반도체 분야는 한국의 삼성전자와 SK하이닉스와 같은 종합 반도체 기업이 세계 시장의 70%를 점유 중입니다. 반면에 시스템 반도체 분야는 주로 각 단계별로 전문 기업들이 역할을 담당하고 있죠.
이러한 전문 기업들을 분류하여 보면 우선 설계만 전문적으로 하는 기업인 팹리스(Fab-less)를 들 수 있습니다. 생산 설비인 팹을 가지고 있지 않아서 팹리스라 하는데, 설계에만 집중하고 제조 공정은 모두 외주로 진행하며 생산된 집적회로의 소유권을 가지고 자사 브랜드로 공급하죠. 대규모 투자가 필요한 시설 부담이 없이 오로지 아이디어와 설계 노하우만으로 승부하며, 특히 소량 다품종인 시스템 반도체를 대상으로 합니다.
유사한 형태로 IP(Intellectual Property, 지적재산권) 기업이 있는데, 역시 설계를 전문으로 하지만 외주 생산은 하지 않고 개발된 설계 블록, 셀라이브러리를 종합 반도체 기업이나 팹리스에 제공하고 로열티를 받습니다.
다음으로 생산 전문 기업인 파운드리(Foundry)가 있죠. 수많은 팹리스 기업들의 생산기지로 팹리스가 설계한 칩을 위탁 받아서 생산을 합니다. 대만의 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), 삼성전자의 파운드리 사업부, UMC, 글로벌 파운드리 등이 대표적이죠.
파운드리와 팹리스 사이에는 디자인 하우스가 있습니다. 즉, 팹리스가 설계한 설계 도면을 파운드리 생산 공정에 맞도록 제조용 도면으로 전환하는 역할을 하죠.
그리고 끝 단계로 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체가 있습니다. 용어 그대로 생산된 반도체 칩을 테스트하고 최종 조립하는 역할을 합니다.
이러한 단계별 특화 기업들의 분업을 통하여 4차 산업혁명의 시대의 키워드인 인공 지능과 사물 인터넷, 스마트 모빌리티 등에서 필요로 하는 시스템 반도체들이 생산되고 있습니다. 가격 경쟁력에 의존하는 메모리 반도체와는 달리 다품종 소량 생산을 통하여 데이터 경제 사회의 곳곳에서 나름대로의 역할을 하고 있는 시스템 반도체, 그 필요성은 더욱 증대될 것입니다.
데이터에 의존하는 제품군들의 확산으로 수요처가 다변화됨과 동시에 수요에 따른 맞춤형 생산으로 시장을 확보함으로써 메모리 반도체가 가질 수밖에 없는 높은 수요 의존도에서 비교적 자유롭죠. 설계 기술력과 우수한 인적 자원으로 시장과 수요에 흔들리지 않는 차별화된 경쟁력을 독자적으로 보유할 수 있다는 점은 매우 큰 매력입니다. 시장 규모도 메모리 반도체의 두 배 이상이죠. 시스템 반도체는 한국 반도체의 앞날을 위해서 반드시 도약하여야 할 종목입니다.
