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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 반도체 설계에서 배우는 상생 원리

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반도체, '0'과 '1'이 공존해야 작동

실리콘 반도체 위에 프로세서나 메모리를 구현하기 위해서는 먼저 디지털 스위칭 기능을 담당하는 트랜지스터가 필요하다. 디지털 신호는 ‘1’과 ‘0’으로 표현하는데, 실제 반도체 내에서는 전자가 채워지거나 전자가 빠져 나간 상태를 의미한다. 그 상태를 만들려면 전류를 공급하기도 하고 전류를 빼 내기도 해야 한다. 이때 전류 스위치가 필요한데 그 역할을 하는 반도체 구조가 트랜지스터(Transistor)이다.

      김정호 카이스트 교수

실리콘 반도체는 대표적으로 CMOS(Complementary metal–oxide–semiconductor) 트랜지스터를 기반으로 설계되고 생산된다. CMOS는 '상보성 금속 산화막 반도체'라는 용어로도 통용된다. CMOS 트랜지스터 구조는 전력 소모가 적고, 단위 면적당 생산량이 높으면서, 신뢰성과, 수율이 높다. 인공지능 서버와 데이터 센터에 쓰이는 들어가는 반도체는 대부분 실리콘 기반 CMOS 트랜지스터 구조라고 보면 된다.

CMOS 구조에는 전류를 공급하는 스위치로 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 종류인 PMOS(P-type MOS field-effect transistor) 트랜지스터가 사용되고 전류를 빼는 역할을 하는 스위치로 NMOS(N-type MOS field-effect transistor) 트랜지스터가 사용된다. PMOS, NMOS 트랜지스터가 합쳐져서 CMOS 스위치 구조가 된다. 그런데 PMOS 트랜지스터에는 전공(hole, 전자가 비는 상태)을 이용해 전류를 흐르게 하고, NMOS 트랜지스터는 전자 자체가 전류를 흐르는 특성을 이용한다.

이 두 가지의 상반된 PMOS, NMOS 트랜지스터가 같이 연결되고 협력해서 디지털 신호 ‘1’과 ‘0’을 주고 받고 저장한다. 이러한 소자들을 연결해서 회로를 만들고, 이 회로들을 연결하고, 시간에 맞추어 동작시키면 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈도 하고 궁극적으로 딥러닝 인공지능 알고리즘도 수행한다.

이처럼 실리콘 CMOS 기반 반도체에는 PMOS, NMOS 라는 서로 다른 성질의 트랜지스터가 공존하면서 조화롭게 협력해서 활동한다. 특히 각자 조화를 위해서 크기, 전류 구동능력, 스위칭에 걸리는 시간도, 균형 있게 조절하여 조화롭게 동작하도록 설계한다. 두 가지가 서로 공존함으로써 가치를 가진다. 디지털에는 ‘1’ 만 존재하지 않고 ‘0’ 만 존재할 수 없기 때문이다.

PMOS, NMOS 트랜지스터로 구성된 CMOS 인버터 회로도와 단면 구조, [출처 : 정보통신용어 해설]

반도체 송수신, 전기적 성질 맞춰야 이뤄져

인공지능 서버나 데이터센터 서버에는 빠른 속도의 데이터 처리를 위해 GPU(Graphic Processor Unit) 와 디램(DRAM)으로 구성된 컴퓨터 기판(PCB, Printed Circuit Board)이 필요하게 된다. 그 기판이 수백 장 수 천장 쌓이면 데이터 센터가 된다.

그런데 이 ‘1’과 ‘0’을 실은 데이터 전자파가 빛의 속도로 날아가는 기판 위의 회로 구조를 전송선이라고 한다. 이 전송선 위에는 전자파가 2가지 종류가 존재한다. 입사파(+z 방향으로 전진하는 전자파)와 반사파(-z 방향으로 꺼꾸로 전파하는 전자파) 2개가 공존한다. 그런데 데이터를 예를 들어 GPU 송신 회로에서 DRAM 수신회로로 보내기 위해서는 입사파만 존재해야 한다. 신호파가 반사해서 돌아오면 곤란하기 때문이다.

그러기 위해서는 전송선 뿐만 아니라 디램의 수신 회로가 서로 협조해야 한다. 그렇지 않으면 데이터가 수신되지 못하고 되돌아 간다. 데이터를 빛의 속도로 보내고 반사를 없애기 위해서는 컴퓨터의 기판 위의 전송선 뿐만 아니라 수신 반도체 회로의 임피던스(Impedance, Z)를 모두 동일하게 맞춰야 한다. 임피던스는 구조나 전송선, 회로, 소자의 전기적 성질을 나타내는 변수로, 컴퓨터나 반도체 설계 시에 항상 맞추어져야 한다.

이 과정을 임피던스 매칭이라고 한다. 우리가 생활 속에서 일상적으로 쓰는 용어로 ‘화합’, 또는 ‘협동’이리고 부를 수 있다. 혼자 성능이 좋다고 되는 것이 아니고 서로 전기적 성질을 조절해서 맞추어야 한다.

고주파 임피던스 매칭을 구현한 인공지능 AI 서버용 HBM(High Bandwidth Memory) 컴퓨터 기판 설계 패턴, [출처: KAIST]

한국 사회도 조화와 상생의 정신 필요

우리 사회는 현재 여러 가지 갈등 문제를 갖고 있다. 그것은 인간과 인류 역사의 본질이기도 하다.

정치적인 관점에서 보면 여야의 대립, 좌우의 대립, 그리고 진보와 보수의 대립이 첨예하다. 경제적인 관점에서 보면 빈부 격차의 확대, 대기업과 중소기업의 차이, 수도권과 지방의 불균형, 서울 강남과 강북의 환경차이가 있다. 그리고 대학 입시의 혼란 문제와 일부 지역의 아파트 값의 급상승이 큰 사회적인 문제를 일으키고 있다. 이 모두 나만 혹은 우리만 잘살고, 돈 벌고, 이익을 보자는 각 개인과 집단의 이익 지상주의에 뿌리를 둔다고 본다.

반도체에서 CMOS 소자의 균형과 상생의 원리를 배울 필요가 있다. 그리고 컴퓨터 신호 전송선에서 실현하는 임피던스 매칭 원리에서 협력와 상생의 원리를 배울 필요가 있다. 특히 일자리 문제와 양극화가 더욱 심해질 수 있는 4차 산업혁명 시대에 이러한 지혜가 더욱 요구된다.

 

joungho@kaist.ac.kr 

  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]  

[뉴스핌 베스트 기사]

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도미니카-베네수전 AI 전망은 * 'AI MY 뉴스'가 제공하는 AI 어시스턴트로 요약한 내용으로 퍼플렉시티 AI 모델이 적용됐습니다. 상단의 'AI MY 뉴스' 로그인을 통해 뉴스핌의 차세대 AI 콘텐츠 서비스를 활용해보기 바랍니다. [서울=뉴스핌] 박상욱 기자 = '기적의 8강'을 이룬 한국 야구 대표팀이 천신만고 끝에 마이애미행 비행기를 탔다. 류지현호가 월드베이스볼클래식(WBC) 8강 무대에서 만날 D조 1위 후보 도미니카공화국과 베네수엘라는 얼마나 강한 팀일까. 한국이 4강에 오를 확률과 8강전 전망을 AI에게 물었다. ◆ '우승 후보' 도미니카와 만날 경우 도미니카 라인업을 들여다보면 '초호화 군단' 미국 못지않다. 후안 소토, 블라디미르 게레로 주니어, 페르난도 타티스 주니어, 훌리오 로드리게스, 매니 마차도. 1번부터 6번까지 사실상 모두가 미국프로야구 메이저리그(MLB) MVP·실버슬러거급 타자들이다. 하위 타선이라고 해도 한국 투수들에겐 숨 고를 구간이 없다. 마운드도 만만치 않다. 샌디 알칸타라를 비롯한 메이저리그 에이스급 선발들이 버티고 있다. 6회 이후에는 시속 160㎞에 가까운 강속구를 뿌리는 불펜 투수들이 줄줄이 대기한다. 조별리그에서도 초반에 대량 득점을 만든 뒤 불펜으로 경기를 잠그는 장면이 반복됐다. [AI 일러스트=박상욱 기자] 도미니카는 조별리그에서 압도적인 투타를 앞세워 니카라과를 12–3, 네덜란드를 12–1(7회 콜드게임)로 완파했다. 객관적인 전력, 메이저리그 경험치, 장타 생산력 모두 도미니카가 한국보다 한 수 위라는 평가다. 확률로 환산하면 중립 구장 기준 도미니카 승리 65~75%, 한국 승리 25~35% 정도의 매치업이다. '10번 붙으면 3번 정도 잡는 상대'라는 표현이 크게 틀리지 않는다. [마이애미 로이터=뉴스핌] 도미니카공화국 선수들이 10일에 열린 WBC 이스라엘과의 경기에서 타티스 주니어가 만루홈런을 쏘아 올리자 세리머니를 하고 있다. 2026.03.10 wcn05002@newspim.com '언더독' 한국이 '업셋'을 노리기 위한 조건은 분명하다. '저득점 접전+완벽한 수비+효율적인 찬스 처리'라는 세 가지다. 적어도 경기 중반까지는 접전을 유지해야 한다. 수비에서 단 한 번의 실수도 허용해선 안 된다. 실책은 곧 장타와 빅이닝으로 이어질 가능성이 크다. 공격에서는 장타 싸움이 아니라 '스몰 야구'로 괴롭혀야 한다. 김도영이 출루하고 이정후, 문보경 등 중심 타선이 적시타로 점수를 만들어야 한다. ◆ '다크호스' 베네수엘라와 만날 경우 베네수엘라는 결이 조금 다르다. 도미니카가 '대포 군단'이라면 베네수엘라는 '소총 부대'에 가깝다. 베네수엘라의 간판 타자 로날드 아쿠냐 주니어가 리드오프로 출루의 물꼬를 트고, 'MLB 최고의 교타자' 루이스 아라에즈가 콘택트와 출루를 책임진다. 여기에 윌리엄 콘트레라스와 윌슨 콘트레라스 형제의 장타력이 더해진다. 한 방보다 끊어지지 않는 공격 흐름이 강점이다. 글레이버 토레스와 안드레스 히메네스가 구성하는 미들 인필드의 수비력과 주루 센스가 공수의 안정감을 더한다. [AI 일러스트=박상욱 기자] 마운드도 탄탄하다. 에두아르도 로드리게스, 레인저 수아레스 등 메이저리그에서 검증된 좌완 선발들이 포진해 있다. 불펜 역시 다양한 유형의 투수들로 구성돼 있다. 조별리그에서도 화끈한 득점 쇼보다는 실점을 억제하는 야구로 승리를 쌓았다. 네덜란드를 6–2, 이스라엘을 11–3, 니카라과를 4–0으로 꺾으며 안정적인 경기 운영을 보여줬다. [마이애미 로이터=뉴스핌] 베네수엘라 선수들이 10일에 열린 WBC 니카라과와의 경기에서 아쿠냐 주니어가 솔로홈런을 쏘아 올리자 세리머니를 하고 있다. 2026.03.10 wcn05002@newspim.com 그래도 한국 입장에서는 도미니카보다는 숨통이 조금 트이는 상대다. 한국 승리 확률은 약 35~45% 수준으로 평가된다. 장타 뎁스는 도미니카보다 한 단계 낮고, 대신 콘택트·주루·수비 중심의 야구를 하기 때문이다. 한국이 강점을 가진 수비 집중력과 작전 야구, 불펜 운영으로 흐름을 끌고 갈 여지도 있다. 베네수엘라의 테이블세터인 아쿠냐 주니어와 아라에즈의 출루를 최대한 봉쇄하는 것이 중요하다. 공격에서는 거포의 한 방보다 강한 땅볼과 라인드라이브 타구를 중심으로 번트와 히트앤드런을 섞어 상대 내야 수비를 흔드는 접근이 필요하다. psoq1337@newspim.com 2026-03-10 13:01
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모텔 연쇄살인 피의자 신상 공개 [서울=뉴스핌] 조준경 기자 = 검찰이 강북 모텔 연쇄살인 20대 여성 피의자의 신상을 공개했다. 서울북부지검은 9일 신상정보공개심의위원회를 열고 강북 모텔 연쇄살인 사건 피의자 김소영(20) 씨 이름과 나이, 머그샷을 공개했다. 신상은 이날부터 오는 4월 8일까지 30일간 공개된다. [사진=서울북부지방검찰청] 강북 모텔 연쇄살인 피의자 20세 김소영 중대범죄신상공개법에 따라 검찰은 강력범죄 등 특정중대범죄 혐의가 있는 피의자를 신상정보공개심의위원회에 회부해 신상 공개 여부를 결정할 수 있다. 김씨는 지난해 12월 중순부터 지난달 9일까지 20대 남성 3명에게 벤조디아제핀계 약물이 든 음료를 건네 의식을 잃게 하거나 사망에 이르게 한 혐의(살인·마약류관리법 위반 등)를 받는다. 피해자들 중 2명은 숨졌고 1명은 치료를 받고 회복한 것으로 알려졌다. 김씨는 경찰 조사에서 병원에서 처방받은 약물을 숙취해소제에 타서 들고 다녔다고 진술했다. 또 남성들에게는 모텔 등에서 의견이 충돌해 이를 건넸다고 주장했다.  그러나 경찰은 김씨가 첫 범행 이후 약물 양을 늘렸다고 진술한 점, 휴대전화 포렌식 자료 등을 볼 때 사망 가능성을 충분히 인지했던 것으로 판단하고 상해치사가 아닌 살인죄를 적용해 지난달 19일 검찰에 송치했다. 경찰은 김 씨가 피해 남성으로부터 고급 식사 등을 제공받는 등 본인 경제력으로는 불가능한 경험을 할 기회로 삼은 것으로 보고 있다. 김씨가 사이코패스에 해당한다는 결과도 나왔다. 서울 강북경찰서는 김 씨에 대한 사이코패스 진단 평가(PCL-R) 결과 사이코패스에 해당한다는 판명 결과를 검찰에 송부했다.  사이코패스 진단검사는 냉담함, 충동성, 공감 부족, 무책임 등 사이코패스 성격적 특성을 지수화해서 도출한다. 총 20문항으로 이뤄졌으며 40점 만점이다. 통상 25점 넘으면 사이코패스로 분류되는데 김씨는 기준치 이상 점수를 받았다고 알려졌다. 한편 피해자로 추정되는 남성 2명이 추가로 드러나면서 경찰은 김 씨 여죄를 수사 중이다. calebcao@newspim.com 2026-03-09 14:40
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
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