우리가 일상적으로 사용하는 전자기기에는 다양한 반도체가 들어가 있죠. 지금 이 글을 보고 있는 스마트폰, 컴퓨터에도요! 대표적인 예로는 배터리의 효율적 사용을 도와주는 PMIC와 터치 기능 구현을 도와주는 Touch IC를 들 수 있는데요. 이 2가지 반도체의 공통점은 무엇일까요? 그건 바로 명칭 말미에 ‘IC’라는 글자가 들어간다는 것!
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집적 회로를 의미하는 IC는 비단 앞에서 언급한 2개의 반도체뿐만 아니라 다양한 반도체 이름에서 찾아볼 수 있는데요. 이것이 무엇이고, 어떤 기능을 하는지 이제부터 자세히 알려드릴게요.
▪ 집적 회로(Integrated Circuit) : 수많은 독립적 소자를 하나의 기판에 분리 불가능한 상태로 결합한 소형 전자 칩. ‘모아서 쌓는다’ 즉, 집적한다고 하여 집적 회로라 명칭
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[분류]
▪ 아날로그 IC (Analog IC) : 빛, 속도, 소리, 온도 등 연속적인 자연 신호를 처리하는 집적 회로로, 전기 신호의 증폭, 필터링, 변환 등의 기능 수행
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▪ 디지털 IC (Digital IC) : 이진수(0과 1) 형태로 표현되는 이산 신호를 처리하는 집적 회로로, 복잡한 논리 연산을 수행
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▪ 혼합 IC (Mixed-signal IC) : 아날로그 신호와 디지털 데이터를 모두 처리하도록 설계되어 아날로그 센서와 디지털 프로세스 간 원활한 통신을 지원
현재의 집적 회로에는 수백억 개의 트랜지스터가 들어갈 수 있는데요. 처음부터 이렇게 많은 소자를 담을 수 있던 것은 아닙니다. 10개 이하의 트랜지스터로 구성되었던 1960년대 초기의 모델에서 발전을 거듭하며 현재 수준에 이르게 된 거죠.
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트랜지스터 수를 약 60년간 10억 배 이상으로 늘려온 집적 회로! 이것이 가능했던 이유는 ‘트랜지스터 구조와 제조 공정을 지속 개선’해 왔기 때문. 반도체 소자의 사이즈를 축소시키는 스케일링 기술과 함께 대량 생산을 가능하게 하는 MOSFET 구조 등이 개발되며 동일한 면적에 점점 더 많은 수의 트랜지스터를 집적할 수 있게 되었죠. 특히, 2000년대 이후에 도입된 나노 공정*은 수백억 개의 트랜지스터로 구성된 지금의 집적 회로를 만드는 데 결정적인 역할을 했어요.
* 나노 공정 : 반도체 회로 폭을 100nm 이하로 생산하는 공정 기술
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하나의 집적 회로(IC)에 더 많은 트랜지스터를 담기 위한 노력은 현재 진행중! 그렇다면, ‘집적도’를 높이는 게 왜 중요할까요? 그건 바로 반도체의 성능 향상에 지대한 영향을 미치기 때문입니다. 소자가 빽빽하게 배치될수록 전기 신호를 빠르게 전달할 수 있어 데이터 처리 속도가 향상되는 것은 물론! 더 많은 기능을 담아 활용도를 더욱 높일 수 있어요.
집적 회로가 등장한 지 얼마 되지 않은 시점인 1965년, 집적도의 발전 속도를 꽤나 정확하게 예측한 이론이 등장합니다. 인텔의 공동 설립자 고든 무어가 발표한 ‘무어의 법칙’인데요. 약 2년마다 집적 회로에 들어갈 수 있는 트랜지스터 수가 2배씩 증가한다는 내용의 이 법칙은 현실과 맞아떨어지며 약 50년간 반도체 산업에서 하나의 지침으로 통용되었어요.
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하지만, 최근 무어의 법칙이 더 이상 유효하지 않다는 의견이 제기되었습니다. 물리 법칙상 트랜지스터의 크기는 무한정 작아질 수 없으며, 기술상 가능하더라도 제조 비용이 크게 상승해 선뜻 개발하려는 기업이 없다는 이유에서죠. 실제로 집적도 향상 속도가 점점 느려지고 있는 추세이기에 ‘무어의 법칙이 한계에 다다랐다’는 주장에 힘이 실리고 있습니다.
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<관련 기사 더 보기>
기술적·비용적 한계에… ‘무어의 법칙’ 이제 종말 맞나?[Science]
(문화일보, 2025.01.13)
‘트랜지스터의 크기를 더 이상 줄이기 어렵다면… 집적 회로의 발전은 끝난 걸까?’라고 생각했다면, 큰 오해입니다. 반도체 기업들은 한계에 좌절하는 대신, 기존 방식과는 다른 새로운 시도를 통해 회로 발전을 꾀하고 있는데요. 그 대표적인 예로 ‘3차원 적층 집적’과 ‘이종 집적’을 들 수 있어요.
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3차원 적층 집적은 기존 평면 모양의 칩을 3차원 큐브로 전환, 트랜지스터를 수직으로 쌓아 시스템을 구현하는 방식입니다. 2차원의 평면 패널에 펼쳐져 있는 칩 설계와 비교했을 때 데이터 이동 거리가 짧아 처리 속도가 빨라지고, 공간이 절약된다는 이점이 있죠.
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이종 집적은 서로 다른 기능을 가진 반도체를 하나의 반도체처럼 동작하도록 하는 패키지 기술입니다. 2개 이상의 반도체 칩을 수평 또는 수직으로 결합해 2.5차원 / 3차원의 칩을 구현! 기존과 비교해 더 작은 패키지에 더 많은 트랜지스터를 담을 수 있어요.
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위 2가지 기술 외에도 트랜지스터의 구조를 변화시키는 GAA와 같은 다양한 방법을 통해 ‘미세화의 한계’를 극복해 나가고 있는데요. 기존에 생각하지 못했던 방식으로 장애물을 극복하고, 새로운 기술의 지평을 열어가는 모습이 정말 멋있지 않나요? 앞으로 또 어떤 형태의 회로가 등장해 사람들을 놀라게 할지 기대가 됩니다.
▪ Monolithic IC : 각각의 개별 소자를 하나의 기판에 집적하여 분리할 수 없도록 조합한 회로
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▪ Hybrid IC : 2종류 이상의 IC, 혹은 개별 소자와 IC를 조합한 형태의 회로
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