진짜 0.7nm는 아니지만, 혁신은 맞다…서브 1㎚ 공정 기술 공개한 IBM [고든 정의 TECH+]

IBM이 세계 최초의 ‘sub-1㎚’(1나노미터 미만) 공정인 0.7나노(7옹스트롬) 노드 기술을 공개했습니다. 현재 반도체 최첨단 기술은 2㎚ 혹은 18A 공정에 도달한 상태인데, 최근 점점 더 공정 미세화가 어려워지면서 1㎚ 혹은 10A 이하 공정 진입이 쉽지 않은 상태입니다. 실제로 TSMC의 최신 로드맵을 보더라도 2029년까지 12A, 13A 계획만 잡혀 있고 그 이후 공정은 없습니다. 따라서 IBM의 발표는 2030년대 반도체 업계가 서브 1㎚ 혹은 10A 이하 공정에 도달할 수 있다는 점을 보여줬다는 데서 주목됩니다.

물론 현재 반도체 업계에서 관행으로 사용하는 ㎚나 옹스트롬은 모두 실제 물리적 크기와 연관이 없습니다. 과거에는 반도체 노드(Node) 명칭이 트랜지스터의 실제 물리적 크기(게이트 길이 또는 하프 피치)에서 유래됐지만, 현재는 물리적 크기를 줄이기 힘들어지면서 실제 크기가 아닌 이전 세대 대비 성능 향상을 의미하는 마케팅 용어로 변했습니다. 예를 들어 ‘우리의 5㎚ 공정은 10㎚ 공정보다 회로폭이 절반인 건 아니지만, 성능을 두 배 높였다’라는 식입니다.


IBM의 0.7㎚ 공정 공개에 대해 일론 머스크가 “이런 명명 방식은 전혀 의미가 없고 오해를 불러일으킨다. 원자 수로 노드를 명명해야 한다”라고 지적한 것도 이 때문입니다. 다만 원자 수로 명명하더라도 0.7㎚ 공정은 첨단 반도체 공정의 극한을 보여주고 있습니다. 실제 회로에서 0.7㎚인 부분은 존재하지만, 않지만, 5㎚에 불과한 나노시트의 실리콘 원자 두께는 15개에 불과합니다.

IBM 0.7㎚ 공정의 핵심은 ‘나노스택’(Nanostack) 아키텍처에 있습니다. 이는 기존의 나노시트 GAA(Gate-All-Around) 구조를 한 단계 더 발전시킨 3D 트랜지스터 기술입니다. 트랜지스터를 단순히 평면적으로 배치하는 것이 아니라, 수직으로 쌓아 올리면서 서로 어긋나게 배치하는 방식으로, 초미세 구조에서도 실제 작동 가능한 트랜지스터를 구현했습니다.

제조 방식도 혁신인데, IBM은 서로 다른 웨이퍼에서 n형과 p형 트랜지스터를 각각 제작한 뒤, ‘초박막 유전체 본딩’(ultra-thin dielectric bonding) 기술을 통해 결합하는 3D 순차적 집적 방식을 사용했습니다. 이를 통해 수평적 축소로 인한 물리적 한계를 수직 방향의 밀도 향상으로 극복한 것입니다.

덕분에 손톱 크기의 칩 하나에 거의 1000억 개의 트랜지스터를 탑재할 수 있어, IBM이 2021년 발표된 2㎚ 공정 대비 트랜지스터 밀도가 거의 2배에 달합니다. 또 기존 2㎚ 공정과 비교해 성능은 최대 50% 높이면서도 에너지 효율은 70%까지 끌어올렸다는 게 IBM의 설명입니다. 그리고 고대역폭을 요구하는 AI 워크로드에 유리하도록 SRAM(정적 랜덤 액세스 메모리) 밀도를 40% 정도 더 높였습니다. 실제 회로에서 0.7㎚인 부분은 없어도 0.7㎚ 공정이 반도체 기술의 혁신인 이유입니다.

참고로 IBM은 2014년 15억 달러를 주고 글로벌 파운드리에 반도체 생산 시설을 매각한 상태입니다. 그럼에도 과거 반도체를 포함해 IT 산업 전반에 지대한 영향력을 끼친 기업으로 각종 특허가 많기 때문에 여기서 나오는 라이선스 수입이 적지 않습니다. 반도체 생산 시설을 매각한 후에도 IBM은 최첨단 반도체 공정 기술을 계속 개발하고 있으며 주요 반도체 생산 기업들에게 도움을 주고 있습니다.

다만 0.7㎚ 공정의 상용화까지는 넘어야 할 산이 많습니다. 현재 이 기술은 기능적 CMOS 인버터 등을 통해 실험적 검증을 마친 단계로, 실제 양산에 적용되기까지는 최소 5년 정도의 시간이 소요될 전망하고 있습니다. 단순히 샘플을 제작하는 것이 아니라 웨이퍼를 대량 생산하기 위해서는 적합한 신소재 발굴부터 새로운 리소그래피(노광) 장비 설계, 그리고 대규모 생산 라인 구축에 이르기까지 방대한 공정 최적화 과정이 필수적이기 때문입니다.

이번 연구 결과는 반도체 업계가 1㎚의 벽을 뚫을 수 있다는 점과 함께 이제 물리적 한계가 다가오고 있다는 점 역시 같이 보여주고 있습니다. 지금도 회로 선폭이 너무 좁아서 트랜지스터의 안정적인 작동을 보장하기 어려운데, 실리콘 원자 15개 이하에서는 더 힘들 것이고 나중에는 원자 몇 개 정도만 남을 수 있기 때문입니다.

따라서 양자 컴퓨터처럼 완전히 다른 형태의 컴퓨터나 혹은 실제 뇌를 모방한 뉴로모픽 칩 같이 새로운 시도가 이어지고 있습니다. 점점 원자의 물리적 한계에 도달하고 있는 시대에 미래 반도체와 IT 산업이 어떻게 변모할지 주목됩니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com