4차산업혁명의 시대로 깊이 들어갈수록 반도체의 중요성은 높아집니다. 사물과 기계가 지능화되면서 반도체의 역할은 인간의 두뇌, 오감, 가슴과 심장, 신경망으로 확장되어 지식과 감성, 지성을 무생명에게 부여하려고 합니다. ‘인공 지능의 혁명,’ ’세미콘 휴머노이드,’ ‘인간형 반도체,’등의 혁신적인 기술 영역의 중심부에는 반도체가 깊게 자리하고 있죠. 나아가서는 인공지능과 빅데이터 기술을 기반으로 하는 ‘실시간 핵심운영체계’까지 예측이 되고 있습니다.
미래 사회에서 시스템이 ‘인간에 이르느냐’, 혹은 ‘인간을 넘어서느냐’는 전적으로 반도체 기술에 의존합니다. 5감에 감응하는 인간형 반도체에서 알 수 있듯이, 신호의 감지부터 기억, 처리와 변환 등 휴머노이드의 피부에서부터 뇌에 이르기까지 모든 영역을 반도체가 감당하여야 합니다.
메모리 반도체는 한국 주도, 시스템 반도체는 미국 주도라는 기존 구도의 변형과 확장은 시간 문제입니다. 제조 기술의 명가인 대만은 물론 한숨 돌리고 있는 거인 일본, 그리고 거대 공룡인 중국은 우리에게는 늘 큰 위협이죠. 미국은 설계와 연구개발, 일본은 제조 장비와 소재, 한국과 대만은 각각 메모리와 비메모리 제조 기술을 강점으로 역할을 담당하면서 시장 선점을 노리지만, 이미 대규모 투자가 진행되었고 큰 시장을 가지고 있는 중국이 주변국들의 이러한 성장세로 인해서 반도체를 포기하는 일은 없을 겁니다. 이런 상황에서 한국은 한쪽으로 다소 기울더라도 균형을 완전히 잃지는 않아야 할 것이며, 기술 경쟁력을 더욱 강화하면서 미국과 중국, 어느 쪽에서도 무시당하지 않을 ‘슈퍼 을(乙)’ 전략을 구가하여야 합니다.
한국은 표면상의 동맹을 유지하면서 스스로의 능력을 키우고 지평을 넓혀가야 합니다. 반도체 산업을 견인하는 두 힘은 ‘생산력(수율)과 기술력(집적도)’이죠. 경쟁국들과의 외교적 균형을 유지하면서 특정 분야에서의 ‘슈퍼 을’ 전략과 함께 시스템 반도체로의 영역 확장이 급선무입니다. 특히 생산력을 가늠하는 산업을 더욱 키워야 하며, 외국 반도체 기업들을 유치하기 위한 반도체 단지들을 조성하여야 합니다. 기술력은 신기술 개발 자체도 필요하지만 이를 경쟁국으로 유출하는 산업 스파이들을 막기 위한 기술 보호 수단과 정책 또한 매우 중요합니다. 그리고, 더욱 왕성한 전문 인력 양성은 급선무이죠. 더 우수한 청소년, 젊은이들을 더 많이 필요로 하며, 이러한 두뇌들의 미래가 한국 반도체의 희망을 이어가기를 바래봅니다.
한 때 소부장(소재 부품 장비) 수출 규제 정책은 국내 반도체 산업에 혼란을 야기하였지만, 시간이 경과하면서 우리는 원천 기술 개발과 인프라 구축을 통하여 이 위기를 잘 극복하고 있고, 이를 통하여 한국의 핵심 원천 기술도 진일보하였습니다. 그러나 아직도 부족합니다. 평균 국산화율은 50% 정도, 더욱 분발하여 70% ~ 80% 이상은 되어야 반도체 산업의 안정된 자립화를 이룰 수 있습니다. 이를 위해 개발된 소재, 부품, 그리고 장비의 시험과 검증을 위한 공동 테스트 베드 구축이 빠르게 진행되고 있죠. 유럽의 종합 반도체 연구소인 IMEC의 한국형 모델 발굴을 예로 들 수 있습니다. 이와 함께 중소, 중견 기업이 개발 생산한 제품들의 활성화를 위해서 규격과 인증, 안전 등의 표준화를 적극 추진 중입니다. 이와 같이 반도체 산업의 전후방 산업 토대가 굳건해지고 있는 만큼 앞을 향해 더욱 발전된 이론과 원리, 기술 개발을 필요로 합니다.
앞으로는 초미세 공정보다는 첨단 패키징 기술이 집적도를 좌우합니다. 반도체 칩에는 소자나 부품 차원을 넘어 시스템 차원의 회로가 집적화되고 있죠. 시스템의 기능이 다양해질수록 칩의 크기가 증가하여야 하는데 여기에는 한계가 있습니다.
이의 해결책으로 여러 칩들을 차곡차곡 쌓는 3차원 적층 집적과 하나의 패키지에 여러 종류의 미소칩들을 접합하여 시스템 수준을 구현하는 이종 집적(heterogeneous integration)이 시도되고 있죠.
하나의 칩으로 시스템을 구현하는 SoC(System-on-Chip), 한 패키지에 시스템을 넣는 SiP(System-in-Package)에 더하여 더욱 복잡 다양한 시스템들을 칩 안에 넣고 있습니다. 서로 다른 종류의 반도체 칩들을 수직 또는 수평으로 연결하면서 시스템을 구현하죠. 즉, 3차원 적층에서는 일반적으로 로직칩 위로 메모리칩을 쌓아 올리며, 하나의 3차원 칩 안에서 연산과 저장이 함께 수행됩니다. 집적도에 더하여 신호 전송 경로가 짧아지므로 신호 대 잡음비와 데이터 처리 속도를 높일 수 있고 메모리를 계속 쌓아 올려 저장 공간을 키울 수 있죠. 이종 집적의 경우, 하나의 기판에 로직칩과 메모리칩을 같이 올리는 방법으로 다양한 칩들을 하나의 패키지 안에 배치하여 집적도를 높일 수 있습니다.
이렇게 칩의 집적도는 점점 패키징에 의존하고 있습니다. 파운드리의 경쟁력은 패키징 기술에 의존할 가능성이 커지고 있죠. ‘다수의 칩들을 함께 집적화한다’ 라는 의미의 MDI(Multi Die Integration)라는 패키지 협의체의 명칭이 이를 잘 표현하고 있습니다. ‘뭉쳐야 산다’는 당연지사가 반도체에도 적용됩니다.
트랜지스터의 구조를 개선하거나 나아가서는 트랜지스터가 아닌 소자들로 스위칭 기능을 얻으려는 노력도 꾸준히 이어져 왔습니다. 트랜지스터의 구조는 일반적인 MOSFET, 즉 평면 구조의 채널을 갖는 planar FET의 채널 길이를 줄이는 시도를 통하여 15나노급까지는 도달하였죠. 채널 길이가 줄어들면서 소스와 드레인간 흐르는 누설 전류의 제어가 어려워졌고, 이를 해결하기 위해 물고기 지느러미 모양의 3차원 채널 구조를 형성하여 세개의 면을 채널로 사용함으로써 전류 제어 능력과 동작 전압을 향상시켰습니다. 이를 FinFET 구조라 하며, 4나노급까지 집적도를 끌어올렸죠. 4나노급 이하에서는 채널을 감싸는 게이트 구조인 GAA형이 등장하였습니다. 이에 더하여 스위치 소자로서 MOSFET이 아닌 다른 구조의 소자들을 적용하려는 시도도 활발합니다. 일례로 터널링 현상을 이용하는 터널 FET, 마이너스 정전용량을 갖는 트랜지스터 등을 들 수 있습니다.
실리콘 반도체에 칩을 만들되 캐리어가 흐르는 채널을 다른 소재들로 대체하여서 전하 이동도를 높이고 이를 통하여 더욱 빠른 속도를 실현하기 위한 노력도 한창입니다. 게르마늄(Ge)을 실리콘과 혼합한 SiGe 채널을 써서 전하이동도를 높이기도 하고, 인듐(In) – 비소(As)와 같은 III-VI족 반도체 나노 와이어를 게이트 전극에 두르는 GAA(Gate-All-Around) 구조, 그리고 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)나 그래핀 등과 같이 실리콘에 비하여 전하 이동도가 훨씬 큰 소재들이 앞으로의 채널로서 연구가 되고 있죠. 이러한 나노 와이어 혹은 2차원 물질 구조는 전기적인 성능 향상과 더불어 휘거나 접을 수 있는 전자 소자에 어울리는 형상적인 특성도 함께 지니고 있습니다. 이와 함께 낮은 대기전력 소모를 위해, 인듐(In), 갈륨(Ga), 산화아연(ZnO)으로 구성된 4성분계 IGZO 금속 산화물 소재가 제안되기도 합니다. 새로운 채널 소재들은 3차원 적층 채널 소재로도 적용되어 신개념 아키택처를 제안하고 있죠.
이에 더하여 컴퓨터의 기본적인 메커니즘이나 아키택처 자체를 바꾸려는 시도도 매우 활발합니다. 기존의 폰 노이만 아키텍쳐에서 인간의 두뇌 신경망, 인공 지능을 활용하는 두뇌 모사 컴퓨팅, 디지털 체계를 뛰어넘는 양자 컴퓨팅 등은 반도체가 이룰 수 있는 신개념의 컴퓨터 시대를 그리고 있습니다. 예를 들어 폰 노이만 구조가 지니고 있는 메모리와 중앙 처리 장치(CPU)간의 데이터 병목 현상을 해소할 수 있도록 생물학적 신경망의 효율적인 연산 처리 기능을 모사하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기능을 도입하고 있죠. 이를 통하여 기존 컴퓨팅에 비해 수천배 빠른 속도의 연산 처리가 가능하며 이를 위해 신경망 기능을 반도체 소자로 실현하려는 시도가 활발합니다.
정보 디스플레이 패널의 운동장(기판, substrate)이 유리에서 플라스틱으로 확장되었듯이 반도체 소자도 실리콘이 아닌 또 다른 웨이퍼나 기판으로 움직여갈까요? 많은 전자 기기들의 폼팩터가 휘고 접고 동그랗게 말 수 있는 유연성, 나아가서는 신축성을 향하고 있는데 반도체 소자도 이에 걸맞도록 변화가 필요할지, 더욱 폭넓게 생각해 볼 일입니다.
반도체와 디스플레이, 한국 산업을 견인하고 있는 축이죠. 그리고 한국 경제의 발전을 견인하는 핵심 분야입니다. ‘Winner takes all.’ 기술에서는 선두(first mover)가 모두를 독식하고, 나머지는 뒤따라오는 경쟁자(fast follower)가 취합니다. 추격자는 있는 길을 따라가지만 선두는 없는 길을 만들며 나아가야 합니다. 탄탄한 기반의 전문성과 함께 창의력과 도전 정신이 강하게 요구되죠. 우수한 인력 양성이 급선무입니다. 지금까지의 반도체 이야기가 반도체 분야의 관심을 촉진하고, 반도체 산업으로 첫발을 딛는 단초가 되기를 소망합니다.
