학문
반도체 공정이 미세해질수록 성능은 무조건 좋아지는 걸까요?
안녕하세요.
최근 반도체를 보면 3나노, 2나노처럼 더 미세한 공정을 계속 개발하고 있는데요.
공정이 미세해지면 성능과 전력 효율은 무조건 좋아지는 건지, 오히려 단점도 생길 수 있는지 궁금합니다.
알고싶습니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
반도체 공정이 미세해지면 동일한 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있어 연산 성능과 전력 효율이 대폭 향상되는 것이 기본 원리입니다 하지만 미세화가 극도로 진행될수록 전류가 의도치 않게 새어 나가는 누설 전류 현상과 발열이 심해지는 물리적 한계에 봉착하게 됩니다. 또한 회로 선폭이 좁아지면서 전자 간의 간섭 문제와 정밀 제작에 필요한 극은가시광선 등 고가의 노광 장비 도입으로 인해 생산 단가가 급격히 상승하는 단점이 발생합니다 결과적으로 일정 수준 이하의 미세화에서는 수율 저하와 비용 대비 성능 개선 폭이 줄어들어 무조건적인 성능 이점보다는 설계 구조 개선등의 기술적 완충책이 함께 요구됩니다 따라서 공정이 미세해진다고 해서 성능이 조건 없이 무제한으로 좋아지는 것은 아닙니다
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
공정이 미세해지면 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있습니다. 그러면 일반적으로 성능과 전력 효율이 높이기에 유리한 측면이 있습니다. 트랜지스터가 작아지면 신호가 이동하는 거리도 짧아지는데 이로 인해 더 빠르게 동작할 수 있고, 같은 작업을 더 적은 전력으로 처리할 가능성 또한 커지게 됩니다.
하지만 공정이 작아질수록 문제도 발생되는데, 누설전류, 발열, 제조 난이도, 수율 등의 문제가 커질 수 있기 때문에 성능이 무조건 적으로 좋아진다고 보기는 어렵습니다. 또한 배선 저항과 신호 간섭이 커지고, 트랜지스터 구조도 복잡해지기 때문에 설계 비용과 생산 비용이 크게 증가할 수 있습니다.
그래서 같은 2나노 공정이라도 설계 방식이나 트랜지스터 구조, 전력 관리, 패키징 등에 따라서 실제 성능의 차이가 크게 날 수 있습니다. 미세공정은 성능 향상에는 유리한 기술은 맞습니다만, 공정 숫자가 작다고 해서 무조건 더 빠르고 좋은 반도체라고 보기는 어렵다고 생각합니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
공정이 미세해지면 트랜지스터가 작아져서 같은 면적에 더 많이 넣을 수 있고 켜고 끄는 데 드는 전압과 전하도 줄어들어요. 그래서 대체로 성능은 오르고 같은 일을 할 때 전력은 덜 쓰게 돼요. 그런데 무조건 좋아지기만 하지는 않아요.
가장 큰 문제는 누설 전류예요. 전류를 막는 절연막과 채널이 원자 몇 개 두께 수준까지 얇아지면 스위치를 꺼도 전자가 조금씩 새어 나가요. 수도꼭지를 잠가도 물이 똑똑 떨어지는 것과 비슷해서 칩이 쉬고 있을 때도 전력을 먹고 열이 나요.
배선도 문제예요. 트랜지스터를 잇는 금속선이 가늘어질수록 저항이 커져서 신호가 늦게 전달되고 열도 더 생겨요. 좁은 면적에 소자가 빽빽하게 모이니 그 열을 빼내기도 어려워지고요.
이런 한계를 넘으려고 게이트가 채널을 사방에서 감싸는 GAA 구조를 쓰고 회로를 새기는 EUV 노광 장비처럼 비싼 설비를 들이는데요. 그만큼 공정 비용이 오르고 수율(정상 칩 비율)을 맞추기도 까다로워져요. 요즘은 한 단계 미세화할 때 얻는 성능 향상 폭이 예전보다 작아졌어요 :)