TV를 켜면 반도체 뉴스가 쏟아지지만, 정작 반도체가 무엇인지 제대로 아는 사람은 많지 않습니다. 도체와 부도체의 중간 역할을 하는 반도체는 트랜지스터를 기본 빌딩 블록으로 삼아 시스템 반도체와 메모리 반도체를 만들어냅니다. 이 글에서는 반도체의 기본 개념부터 제조 공정, 산업 생태계, 그리고 AI 시대의 최신 트렌드까지 전문가적 시각과 비판적 분석을 통해 깊이 있게 살펴봅니다.
메모리와 시스템 반도체의 역할 구분
반도체를 이해하려면 먼저 도체와 부도체의 개념을 알아야 합니다. 도체는 구리나 금처럼 전기가 아주 잘 흐르는 물질이며, 부도체는 고무나 유리처럼 전기가 거의 흐르지 않는 물질입니다. 반도체는 이 둘의 중간에 위치하여 전기를 흐르게도 하고 차단하기도 합니다. 실리콘으로 만든 반도체는 전류의 양을 조절할 수 있으며, 이러한 특성을 활용해 트랜지스터Transistor를 개발했습니다. 트랜지스터는 스위치처럼 작동하여 전류를 흐르게 하거나 멈추게 하는 역할을 합니다.
시스템 반도체는 명령을 담당하는 두뇌 역할을 합니다. 스마트폰에서 앱을 실행시키는 APApplication Processor 칩에는 수백억 개의 트랜지스터가 들어갑니다. 2007년 애플의 아이폰이 처음 출시되었을 때에는 머리카락 두께의 1/1000 크기 트랜지스터가 수천만 개 들어갔으나, 최근 출시된 아이폰15에는 그보다 수십 배 작은 크기의 트랜지스터가 수백억 개 사용되었습니다. 트랜지스터 수가 많아질수록 동시에 처리할 수 있는 작업이 증가하여 기기가 더욱 똑똑해집니다.
메모리 반도체는 기억을 담당합니다. 단기 기억을 맡는 DRAM(디램)과 장기 기억을 맡는 NAND(낸드)가 핵심입니다. DRAM은 트랜지스터 스위치와 커패시터Capacitor로 구성되며, 커패시터에 전류를 저장하면 디지털 언어인 '1'이 되고 저장하지 않으면 '0'이 됩니다. 작은 구멍으로 전류가 새어나가기 때문에 셀프 리프레시Self Refresh 기능으로 주기적으로 전류를 보충해야 하며, 전원이 꺼지면 데이터가 사라져 단기 기억을 담당합니다. 반면 NAND는 플로팅 게이트Floating Gate라는 특수 공간에 전류를 반영구적으로 저장하여 전원이 꺼져도 값이 유지되므로 장기 기억을 담당합니다. SK하이닉스와 삼성전자가 전 세계 메모리 반도체 산업을 선도하며 우리나라가 반도체 강국으로 불리는 이유도 바로 이 메모리 반도체 덕분입니다.
이러한 역할 구분은 매우 명확하고 직관적입니다. 다만 NAND의 경우 2D에서 3D 적층 구조로의 전환이나 QLC, TLC 같은 셀 기술의 차이에 대한 설명이 추가되었다면 메모리 강국이라는 맥락을 더욱 풍부하게 뒷받침할 수 있었을 것입니다.
공정과 패키징 기술의 진화
반도체 제조 과정은 크게 설계, 생산, 포장의 3단계로 나뉩니다. 메모리 반도체는 보통 한 회사에서 모든 과정을 진행하는 종합 반도체 회사IDM, Integrated Device Manufacturer 형태입니다. 반면 시스템 반도체는 설계만 하는 팹리스Fabless, 생산을 담당하는 파운드리Foundry, 조립과 테스트·포장을 맡는 OSATOutsourced Semiconductor Assembly and Test 기업으로 분업화되어 있습니다. 엔비디아Nvidia는 대표적인 팹리스 기업으로 GPU를 설계하고 실제 제조는 TSMC 같은 파운드리 업체에 맡깁니다. 애플 역시 아이폰과 아이패드에 들어가는 A시리즈, M시리즈 프로세서를 설계하지만 제조는 TSMC가 담당합니다. 국내에서는 삼성전자가 파운드리 기업으로 분류됩니다.
생산 단계는 다시 전공정Front-end Process과 후공정으로 나뉩니다. 전공정은 반도체 웨이퍼 위에 회로 패턴을 형성하는 과정으로, 먼지 하나 없는 클린룸Clean Room에서 이루어집니다. 웨이퍼는 피자 도우처럼 실리콘이나 갈륨 아세나이드로 만든 기둥을 얇게 썬 원판입니다. 전공정에서 가장 시간과 비용이 많이 드는 단계는 포토 공정입니다. 더 작은 트랜지스터를 만들기 위해 아주 짧은 파장의 빛을 사용해야 하며, 네덜란드 장비기업 ASML이 EUVExtreme Ultraviolet 기술로 7나노미터 이하 공정을 거의 독점하고 있습니다. 이 기술은 미세 공정에서 생산성을 높이는 데 필수적입니다.
후공정은 웨이퍼 테스트 후 작은 칩을 떼어내 조립하고 최종 패키지 테스트를 진행하는 단계입니다. 패키징Packaging은 어원에서 알 수 있듯 반도체를 포장하는 기술로, 반도체 자체를 보호하기도 하고 단일 반도체로 구현하기 어려운 기술을 첨단 패키징으로 극복하기도 합니다. 대만의 ASE와 미국의 앰코테크놀로지Amkor Technology가 뛰어난 성과를 내고 있습니다. 최근 후공정의 중요성이 날로 높아지는 이유는 두 가지입니다. 첫째, 트랜지스터를 더 작게 만드는 데 한계가 생겼습니다. 따라서 여러 개의 칩을 함께 포장하고 연결하는 방식으로 그 한계를 극복하고 있습니다. 둘째, 하나의 칩만으로 원하는 성능을 구현하기 어려워졌습니다. 고대역폭 메모리인 HBMHigh Bandwidth Memory과 그래픽처리장치 GPUGraphic Processing Unit를 이용한 AI 반도체가 대표적인 예입니다.
전공정에 대한 설명은 비교적 간략한 편입니다. 증착, 식각, 이온주입 등 핵심 공정들을 단계별로 구조화하여 설명했다면 독자의 이해도가 한층 높아졌을 것입니다. 또한 일부 수치 표현에서 출처나 구체적인 칩 이름이 제시되지 않아 신뢰도를 높일 여지가 있습니다.
AI 시대의 변화와 무어의 법칙 한계
반도체 산업은 PC 시대에서 시작해 모바일로 옮겨갔고, 지금은 데이터센터를 중심으로 변화하고 있습니다. PC 시대에는 인텔 CPU가 주요했으며, 모바일 시대가 되면서 영국의 반도체 설계기업인 암ARM 홀딩스 기반의 저전력 프로세서가 주도하게 되었습니다. 모바일 기기에는 작고 전력 소모가 적으면서도 성능이 높은 반도체가 필요했기 때문입니다. 이제 AI와 빅데이터 처리가 중요해지면서 데이터센터 중심의 컴퓨팅 시대가 열렸습니다. 데이터센터에서는 많은 데이터를 빠르게 처리해야 하므로 고성능 GPU와 CPU가 필수적입니다. 엔비디아의 젠슨 황은 GPU 기반의 병렬 처리 기술로 AI, 특히 딥러닝 분야에서 큰 성과를 이뤄냈습니다.
AI 기반 컴퓨팅을 지원하기 위해 반도체는 또 다른 기술을 필요로 하고 있으며, 그 열쇠가 바로 패키징에 있습니다. 인텔의 공동 창립자 고든 무어Gorden Moore가 1965년에 제안한 무어의 법칙Moore's law은 반도체 집적회로의 트랜지스터 수가 24개월마다 2배로 증가한다는 개념입니다. 이 법칙은 오랜 기간 반도체 기술 발전의 지침으로 받아들여졌으나, 최근 제조 비용 증가와 물리적 한계로 그 속도를 유지하기 어려워졌습니다. 대신 새로운 패키징 기술과 혁신적인 설계 방식을 통해 지속적으로 발전하고 있으며, 무어의 법칙은 여전히 반도체 기술 발전의 상징적인 의미를 가지고 있습니다.
이러한 시대 변화 설명은 현재 AI 열풍과 맞물려 독자가 체감하기 쉬운 지점입니다. 특히 "대부분의 사람들은 스마트폰을 100% 활용하지 못한다"는 지적은 기술 발전과 사용자 체감 간의 간극을 잘 짚었습니다. 다만 전망 부분이 다소 낙관적입니다. 공급망 리스크, 지정학적 갈등, 장비 독점 문제 같은 현실적 변수를 함께 언급했다면 보다 균형 잡힌 분석이 되었을 것입니다. 또한 ASML의 EUV 장비 독점이 미중 기술 패권 경쟁에서 어떤 의미를 갖는지, HBM 기술이 왜 AI 반도체 경쟁의 핵심인지 등 구체적인 산업 분석이 추가되면 전문성이 한층 강화될 수 있습니다.
이 글은 반도체 입문자를 위한 개론서로서 개념 설명의 비유가 효과적이고, 산업 구조와 최신 트렌드를 균형 있게 다룬 점이 강점입니다. 다만 일부 수치의 구체성과 전공정·메모리 기술의 세부 설명, 그리고 리스크 요인 분석이 보완된다면 한 단계 더 깊이 있는 전문 분석 글로 발전할 수 있을 것입니다. 반도체를 처음 이해하려는 독자에게는 매우 적절한 안내서이며, 앞으로도 반도체 기술은 첨단 패키징과 설계 혁신을 통해 우리의 삶을 더욱 편리하고 풍요롭게 만들어갈 것입니다.
[출처]
한국산업기술기획평가원: 반도체 제대로 읽어드립니다 메모리부터 시스템까지 / https://www.techfocus.kr/fs_history/9