인텔이 CPU 제조공정을 10nm로 전환하는 데 상당한 지연이 발생할 수 있다는 소식이 나오면서 오랫동안 반도체 업계를 지배해온 무어의 법칙(Moore's Law)을 유지할 수 없게 되는 날이 다가오고 있다는 말이 나오고 있다.

무어의 법칙은 반도체 집적회로의 트랜지스터 수가 2년마다 2배가 된다는 것이다. 인텔 창업자 가운데 하나인 고든 무어가 페어차일드에 근무하던 1965년 논문을 내면서 제창한 것이다. 무어의 법칙 자체는 반도체 업계의 기술을 무어가 경험에 따른 예측으로 내놓은 것이지만 이후 반도체 혁신은 거의 무어의 법칙대로 진화를 했다. 반도체 산업에선 법칙이라고 부를만한 절대적인 지표로 간주되어 왔던 것이다.

또 컴퓨터 성능은 18개월 만에 2배가 된다고 표현할 수 있지만 무어의 법칙에 따라 작아지는 집적회로는 스마트폰에선 2016년 14nm에 도달했다. 스마트폰 같은 모바일 단말도 고성능화 뿐 아니라 사물인터넷 실현을 염두에 둔 프로세스 규칙은 앞으로 10nm, 7nm 등 더 미세화될 것이 요구되고 있다.

1960년대부터 50년 이상 반도체 산업에서 통용되어 온 무어의 법칙은 우연이 아니었다. 반도체 산업은 기술을 진화시키려는 지표로 무어의 법칙에 따라 실현 계획을 만들었고 대부분이 무어의 법칙을 기준으로 삼아왔다. 다시 말해 무어의 법칙을 견지할 수 있게 기술을 개발하고 법칙이 무너질 것 같게 되면 돌파구가 되는 기술을 만들어오는 등 어떻게든 무어의 법칙을 유지해왔다. 따라서 무어의 법칙은 단순한 결과론이 아닌 것이다.





이렇게 무어의 법칙을 지켜온 반도체 산업이지만 이미 미세화 기술은 교착 상태를 보이고 있다. 미세화가 진행되면서 소비전력 절감이 어려워지고 소비전력 제약이라는 관점에서 전력을 공급하는 다크실리콘이라는 영역 비율이 증가하는 문제도 있다. 이 점에서 미세화 작업을 진행하는 데 어려움이 높아지고 있다. 무어의 법칙을 유지하는 게 점점 어려워지고 있는 것이다.

만일 무어의 법칙대로라면 2020년에는 제조공정은 2nm에 도달해야 한다. 하지만 이는 원자 10개분이라는 스케일로 양자적인 영향이 지금까지보다 더 커진다. 따라서 전자의 안정적 동작을 기대할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 더 이상 미세화할수록 성능이 향상된다는 단순한 세계를 그릴 수 없는 영역에 도달할 시간이 임박하고 있는 것이다.



하지만 중요한 건 무어의 법칙이 끝난다고 해서 기술 전화가 끝은 아니라는 것이다. 아이오와대학 대니얼 리드 교수는 반도체 업계의 진화를 비행기에 빗대 설명하면서 보잉787은 1950년대 보잉707보다 속도가 빠른 건 아니지만 성능은 확실히 진화했으며 전혀 다른 비행기라는 것. 다시 말해 비행기 성능을 단순히 속도 경쟁으로 말하는 게 아니라는 얘기다. 반도체 성능 역시 집적회로 밀도만으로 얘기해선 안된다는 설명이다.

컴퓨팅 중심이 데스크톱PC나 노트북에서 스마트폰, 태블릿을 중심으로 하는 모바일 단말로 빠르게 옮겨가고 클라우드 서비스가 보급되는 지금 무어의 법칙 다음에 올 지표는 연산 능력 이상으로 절전 성능이 중요시되며 CPU와 메모리, GPU, 무선칩 등 여러 칩을 하나로 묶는 패키징 기술도 반도체 성능을 측정할 지표가 될 수 있다.

무어의 법칙을 유지할 수 없게 된 원인 가운데 하나로 꼽히는 기술 발전에 따라 증가하는 생산비용 문제도 여전히 중요한 요소인 건 틀림없다. 또 반도체 소재로 실리콘에도 변화가 일어 다양한 재료 연구가 진행 중이다. 예를 들어 탄소나노튜브와 그래핀 등 탄소로 이뤄진 물질이 실리콘을 대체할 반도체 재료의 유력 후보로 연구되고 있다. 원자 1층분인 궁극의 두께를 가진 실리콘인 실리신(Silicene)이 차세대 반도체에 어울릴 것이라는 연구도 있다.

반도체 집적회로 밀도가 2년마다 2배로 증가한다는 무어의 법칙은 조만간 종말을 맞이하게 될 것이다. 하지만 무어의 법칙을 대체할 법칙이 무엇이 될지 또 언제 나타나게 될지를 떠나 사용자가 얻는 가치가 2년마다 2배로 증가한다는 것 같은 형태로 새로운 무어의 법칙을 향해 반도체의 진화는 계속될 것이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.

이석원 기자  lswcap@techholic.co.kr

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