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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 50년 반도체 지배해온 '무어의 법칙', 이제 끝났다

기사입력 : 2018년01월17일 10:20

최종수정 : 2018년01월18일 07:55

'무어의 법칙'은 2차원 반도체에 적용되는 개념
4차 산업혁명 시대엔 3차원 반도체 연구 발전시켜야

50년 반도체 산업 진리로 군림 '무어의 법칙'

지난 50년 반도체 기술과 산업의 '혁신'을 대표적으로 보여 주는 것이 '무어의 법칙'이다. 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년 주장한 것으로 반도체 집적회로(IC. Integrated Circuit)의 집적도가 24개월 마다 두 배씩 증가한다는 법칙이다.

무어의 법칙에 따라 단위 실리콘 웨이퍼 면적 당 집적할 수 있는 반도체의 개수가 증가한다. 그러면 반도체 집적회로의 가격이 하락해, 기업 이익이 증가하고, 결과적으로 반도체를 값싸게 보급해 오늘날과 같은 인터넷, 스마트폰 시대를 가능하게 했다. 결과적으로 무어의 법칙이 지금까지의 인터넷과 스마트폰으로 대표되는 3차 산업혁명을 가능하게 하는 원동력이 됐다.

무어의 법칙에 따라 이렇게 반도체 트랜지스터와 연결선의 폭이 줄어 들면 반도체의 장점도 많다. 일단 트랜지스터 게이트의 길이가 줄어들면 반도체의 신호 처리 속도가 빨라진다. 그 결과 당연히 컴퓨터와 메모리의 대응속도가 빨라진다. 인공지능(AI)과 빅데이터를 처리하기 위해선 이 스위칭 속도가 관건이다. 무어의 법칙에 따라 이러한 IC 의 데이터 처리 속도가 끊임없이 증가해 왔다. 또, 무어의 법칙에 따라 IC의 전력 소모도 줄어든다.

'무어의 법칙'의 개념을 보여주는 그래프. 출처: 구글 이미지.


'무어의 법칙'은 이제 끝났다

최근 삼성전자는 세계 최초로 10나노급 2세대 D램인 10나노급 8Gb(기가비트) DDR4(Double Data Rate 4)를 양산하기 시작했다고 발표했다. 이러한 무어의 법칙을 지속하기 위한 반도체 업계의 노력은 필사적이다. 하지만 필자는 기업들의 이러한 기술 혁신의 높이 평가하면서도 이제 발상의 전환이 필요하다고 본다.

일단 무어의 법칙이 지속되기 어려운 몇가지 근본적인 이유가 있다. 우선 나노미터 급의 길이가 되면 트랜지스터의 크기가 원자 10개 또는 수십 개의 크기가 된다. 수소 원자의 반경 크기에 가까워진다. 따라서 더 이상 전자 공학이 아니고 원자 공학이 된다. 두 번째 이유는 전류 누설 현상이 심각해진다. 특히 DRAM 에서는 전자를 캐패시터(Capacitor)에 가둬 두어야 하는데, 너무 작은 나노 구조이다 보니, 전자가 새어 나간다. 그래서 메모리가 데이터를 오랫동안 유지해 두기 어렵다.

그러니 데이터를 계속 유지하기 위해 단위 면적당 더 많은 전자를 가두려면 DRAM 구조가 점점 더 복잡해진다. 또는 데이터를 유지하기 위해 메모리 다시 쓰기를 반복해야 한다. 당연히 컴퓨터가 느려지고, 전력 소모가 많아진다.

이러한 전류 누설 현상은 반도체 동작 온도가 올라가면 더 심해진다. 그래서 데이터 센터의 냉각 기술이 중요해지고 있다. 아예 데이터 센터 전체를 영하 296도인 액체 질소에 넣자는 논의도 있다. 마지막으로 나노미터급 반도체 공장 건설 비용이 기하급수적으로 늘어난다. 나노미터 급 DRAM 공장 하나 짓는 데 10조원 이상 규모의 투자가 들어간다.

DRAM 의 내부 구조, 출처 : 테크닉인사이트닷컴.


3차원 반도체가 답이다

수년 전 필자는 미국 인텔의 세미나에 참석하기 위해 이 회사를 방문한 적이 있다. 무어를 잠시 만나기 위해 그의 사무 공간으로 갔지만, 아쉽게 하와이 휴가 중이라 만나지 못했다. 필자는 무어의 법칙은 이제 끝났다는 사실을 알려주고자 했다

수년전 미국 캘리포니아주 산타클라라에 있는 인텔 본사를 방문해 이 회사 공동 설립자인 고든 무어 사무 공간에 들렀다. 

지금까지의 반도체는 공정의 생산성을 높이기 위해 2차원 구조를 사용해 왔다. 그래서 실리콘 웨이퍼가 평평하고 둥글게 생겼다. 이게 바로 2차원 반도체이다. 필자는 바야흐로 4차 산업혁명 시대에는 3차 원 반도체 구조가 답이라고 주장한다.

앞으로 100년의 반도체 발전 방향이다. 삼성전자와 SK 하이닉스가 인텔을 진정으로 넘어서기 위해서는 새로운 패러다임의 개척이 필요하다. 그것이 빠른 추격자 (Fast Follower) 모델에서 창조적 선구자(Creative Leader) 로 성장하는 과정이다.

 

<김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수>

 

김정호 교수.

 

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[단독] 日 여행객 'K-쌀' 사간다 [세종=뉴스핌] 이정아 기자 = 일본 여행객이 한국을 방문, 한국 쌀을 직접 구매해 들고 나가는 사례가 급증하고 있다. 일본 내 쌀값이 고공행진을 이어가는 가운데 '밥맛 좋은 한국 쌀'이 대체제로 급부상하면서 벌어지는 현상이다. 3일 <뉴스핌>이 입수한 자료에 따르면, 올해 1월부터 6월까지 상반기 동안 일본 여행객이 한국에서 직접 구매해 일본으로 들고 간 국산 쌀은 3만3694kg로 집계됐다. 일본은 지난 2018년부터 휴대식물 반출 시 수출국 검역증을 의무화한 나라로, 병해충과 기생식물 등 식물위생 문제에 매우 엄격하다. 특히 쌀처럼 가공되지 않은 곡류는 검역 과정이 매우 까다롭다. 그럼에도 불구하고 일본 여행객들의 한국산 쌀 열풍은 지속됐다. 지난해 한 해 동안 일본 여행객이 반출한 국산 쌀은 1310kg에 불과했지만, 올해는 상반기에만 무려 25배 이상 급증했다. 같은 기간(2024년 1~6월)으로 비교하면 작년 106kg에서 올해 3만3694kg로 약 318배 증가한 셈이다. 농식품부 관계자는 "일본 여행객들의 '쌀 쇼핑'이 열풍을 불면서 관련 문의가 급증했다"며 "한국쌀이 일본쌀에 비해 맛과 품질이 뒤떨어지지 않는다는 인식이 생기면서 반출되는 양도 많아지고 있다"고 설명했다. 쌀을 화물로 탁송하는 사례도 동반 상승했다. 올해 상반기 기준 화물검역을 통해 일본으로 수출된 국산 쌀은 43만1020kg에 달한다. 지난해 화물 검역 실적이 1.2kg에 그쳤던 것과 비교하면 폭증 상태다. 업계에서는 이번 흐름이 국산 쌀에 대한 일시적 특수로 끝나지 않고 국내에서 정체된 쌀 소비의 새로운 돌파구가 될 수 있을 것으로 내다보고 있다. 임정빈 서울대 농경제학과 교수는 "일본에서 쌀 가격이 두 배 이상 올랐으니 한국에 와서라도 쌀을 구매하는 여행객이 늘어난 것"이라고 짚었다. 이어 "다만 일본의 쌀 관세율이 매우 높기 때문에 한국 쌀의 가격만 보지는 않았을 것"이라며 "국산 쌀의 품질이 높기 때문에 이 부분에서도 합격점이 있을 것"이라고 평가했다. [영종도=뉴스핌] 윤창빈 기자 = 11일 오전 인천국제공항 제1터미널에 중국발 여행객들이 입국하고 있다. 2023.03.11 pangbin@newspim.com 정부 역시 이같은 수요에 대응해 일본 관광객을 대상으로 검역제도 안내·홍보에 나서기로 했다. 현재는 농림축산검역본부를 통한 사전신청, 수출검역, 식물검역증 발급, 일본 통관까지 최소 3단계 이상이 요구된다. 다만 한국 쌀을 일본으로 반출할 때 한국에서 식물검역증을 발급받아야 한다는 사실을 모르는 일본 관광객이 일본에 돌아가 쌀을 폐기하는 일이 생기면서 홍보의 필요성이 대두됐다. 농식품부 고위 관계자는 "지난달 오사카 엑스포 현장 방문을 계기로 일본 농림수산성과 예방할 기회가 주어졌는데 그 자리에서 쌀 검역 문제가 논의됐다"며 "한국 정부는 일본 여행객이 애써 한국 쌀을 구매한 뒤 일본으로 돌아가 폐기하는 일이 없도록 제도 홍보에 만전을 기하겠다"고 전했다. plum@newspim.com 2025-07-03 11:10
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