학문
14살꿈많던아이
무어의 법칙은 왜 최근 들어 한계에 부딪히고 있나요?
반도체 집적도가 2년마다 두 배씩 늘어난다는 무어의 법칙이 있다고 배우는데, 최근 이 법칙이 물리적 한계에 부딪히고 있다는 얘기를 들었어요. 어떤 기술적 벽에 부딪히고 있는지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
무어의 법칙... 2년마다 두배씩 집적도가 높아진다는 말인데, 이게 법칙이라고 되어는 있지만 경험적인 경향이지 반드시 지켜져야 하는 물리적인 법칙은 아닙니다.
최근에 트랜지스터의 크기 보면 수 나노미터 수준까지 작아졌습니다. 이렇게 작아지다 보니 원하지 않는 곳으로 새는 누설전류와 양자효과 또한 커지고 있습니다. 그리고 트랜지스터를 더 촘촘하게 넣을수록 발열과 전력밀도도 높아져 냉각과 전력 공급이 어려워지는 문제가 있습니다.
트랜지스터의 크기가 작아지면서 EUV 노광, 미세배선, 공정 오차 관리가 극도로 어려워지면서 공장과 장비 투자비 또한 크게 증가하고 있어, 최근에는 단순하게 선폭을 줄이는 것보다 GAA 트랜지스터, 칩렛, 3D 적층, HBM과 같은 방식으로 성능을 높이는 방향이 더 중요해지고 있습니다.
무어의 법칙이 끝났다기보다는 미세화만으로는 점점 한계에 부딪히고 있어 새로운 구조나 패키징 기술로 이를 보완하고 있는 중이라고 생각하시면 되겠습니다.
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채택된 답변안녕하세요.
무어의 법칙은 실제 물리 법칙은 아니고 반도체 기술 발전 속도를 나타낸 일종의 경험적인 기준에 가까워요.
가장 큰 문제는 트랜지스터가 원자 수준으로 작아지면서 전자가 장벽을 뚫고 지나가는 터널링과 누설전류가 커진다는 점이죠. 또 선폭이 줄어드니 EUV 같은 초정밀 노광 장비가 필요해지고 공정도 복잡해져서 제조 비용이 크게 올라가는 문제가 있죠.
트랜지스터만 작아지는 것이 아니라 칩 안의 금속 배선까지 좁아지면서 저항과 신호 지연이 커지는 문제도 발생하고요. 그래서 최근에는 GAA 같은 새로운 구조와 후면 전력 공급, 3D 적층과 첨단 패키징으로 성능을 높이는 방향으로 가고 있어요.
감사합니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
무어의 법칙이 흔들리는 건 트랜지스터가 원자 크기에 가까워졌기 때문이에요. 지금 최첨단 트랜지스터의 핵심 부위는 원자 수십 개 폭이에요. 더 줄이면 그동안 무시하던 양자 현상이 회로를 망가뜨려요.
첫 번째 벽은 전자가 새는 문제예요. 트랜지스터는 얇은 절연막으로 전류를 막았다 열었다 하는 스위치인데, 이 막이 원자 몇 층 두께가 되면 전자가 벽을 그냥 통과해버려요. 터널링이라고 하는 양자 현상인데, 꺼진 스위치에서도 전류가 새니 전력 낭비와 발열이 커져요. 두 번째 벽은 열이에요. 좁은 면적에 트랜지스터를 더 넣을수록 단위 면적당 열이 늘어나는데, 이미 CPU는 같은 면적 기준으로 전기다리미보다 뜨거워서 모든 트랜지스터를 동시에 켤 수도 없어요. 세 번째는 만드는 비용이에요. 회로를 새기는 EUV 장비가 한 대에 수천억 원이고, 공정이 미세해질수록 수율이 떨어져서 트랜지스터 하나당 가격이 예전처럼 내려가지 않아요. 무어의 법칙은 성능 법칙이면서 경제 법칙이었는데 그 경제 쪽이 먼저 무너진 거예요.
그래서 업계는 방향을 바꿨어요. 트랜지스터를 평면에서 세워 올리고 채널을 사방에서 감싸는 구조로 누설을 막고, 칩 여러 개를 수직으로 쌓거나 한 기판에 붙이는 패키징으로 성능을 끌어올리고, 범용 CPU 대신 AI 전용 칩처럼 특정 계산에 맞춘 설계로 효율을 얻어요. 회로를 작게 만드는 경쟁에서 구조와 조합의 경쟁으로 넘어간 거예요. 무어의 법칙은 숫자 그대로는 끝나가지만, 컴퓨터 성능이 계속 오르게 만드는 다른 길들이 그 자리를 채우고 있어요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
반도체 공정이 나노미터 단위 이하로 미세화되면서 전자가 의도하지 않은 방향으로 넘어가 전력이 새어나가는 양자 터널링 현상과 과도한 발열 문제가 발생하여 단순한 미세화가 한계에 도달했습니다 또한 트랜지스터 크기를 줄이더라도 배선의 폭이 좁아지면서 신호 지연과 저항이 급증해 작동 속도를 올리기 어려워지는 기술적 병목 현상이 생겼습니다. 여기에 더해 미세 공정을 위한 첨단 극자외선 노광 장비 가격이 천문학적으로 치솟으면서 단위 면적당 제조 비용을 낮추는 경제적 가성비마저 떨어지게 되었습니다 결국 이러한 물리적 기술적 경제적 장벽들이 복합적으로 작용함에 따라 과거처럼 순수 미세화만으로 퍼포먼스를 2년마다 2배로 늘리는 무어의 법칙이 점차 둔화되고 있습니다