PC의 발전은 CPU의 발전과 함께해왔다. 그러한 CPU가 처음으로 등장한 것은 1971년도. 세계 최초의 마이크로프로세서인 4004의 등장과 함께 반도체 산업은 급물살을 타게 된다.
오늘날 CPU의 토대가 된 4004는 108KHz의 동작 속도에 제조공정은 무려 10마이크로(µ). 2008년 현재 출시되는 CPU의 공정은 45나노다. 이를 비유하자면 최신 CPU는 바늘귀에 실 끼우는 모습, 초기 CPU가 만들어지던 공정은 손목에 팔찌 차는 형태일 정도로 큰 차이다.
이렇게 변화하기 까지 37년이란 세월이 걸렸다. 지난 2008년 인텔은 초기 마이크로와 비교하기 힘들 정도로 세밀해진 45나노 미세공정을 자사 제품에 도입했다. 사람의 눈으로 식별할 수 있는 시대에서, 더 이상 눈으로 식별하기 힘든 시대가 열린 것이다.◇ 더 이상 눈으로 식별하기 힘든 ‘미세공정’ = 흔히 반도체 공정을 말할 때 빠지지 않고 나오는 단위가 나노(nm)다. 더 작고 세밀한 미세공정의 단위인 나노는 1나노미터(㎚)가 10억분의 1m을 의미하며, 이는 머리카락 굵기보다 약 8만 배 작은 물리학의 단위를 칭한다.
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올 한해 CPU 시장의 화두는 단연 45나노다. 지난 99년 180나노를 시작으로 2001년 130나노 그리고 2003년에 90나노를 거쳐 2005년에는 65나노 그리고 2007년 45나노 공정이 실 제품에 도입되기 시작했다. 반도체를 말하면 빠지지 않고 나오는 무어의 법칙대로 2년 주기로 공정은 꾸준히 발전되고 있다.
이처럼 반도체 업계가 끊임없이 더 세밀한 나노 공정 전환을 서두르는 이유는 바로 제조 공정에 따른 제품 생산 수량이 달라지기 때문이다. 일반적으로 반도체는 동그란 웨이퍼 한 장에서 몇 개의 칩을 뽑아내느냐에 따라 가격이 결정되는데, 흔히 수율이라고 하는 것이 칩의 생산 개수를 의미한다.
웨이퍼에서 더 많은 수의 칩을 만들수록 생산 단가는 저렴해지며, 주어진 시간에 더 많은 제품을 출시할 수 있기에 생산 효율과 연관되는 공정을 더 세밀하게 하기위한 관련 업계의 기술개발은 무척 치열하다. 이와 함께 도입되는 신기술도 꾸준히 발전되고 있다.◇ 45나노 속 숨어있는 신기술 = 사람의 머리카락의 굵기는 평균 9만 나노. 곰팡이를 일으키는 박테리아는 이보다 작은 2,000나노 하지만 인텔이 CPU에 적용한 것은 이보다 더 세밀한 45나노다. 앞서 눈으로 식별하기 어려운 공정이라는 것이 바로 이를 두고 한 말이다.
눈으로도 안 보이는 박테리아보다 더 작은 크기. 바로 올해 화두가 된 45나노 공정이다.
머리카락 |
꽃가루 |
박테리아 |
인텔 최신 CPU |
리노 바이러스 |
9만 나노 |
2만 나노 |
2,000 나노 |
45 나노 |
20 나노 |
머리카락과 박테리아보다 더 작은 공간에 2개 혹은 4개의 코어를 넣은 최신 코어2듀오 그리고 코어2 쿼드 마이크로프로세서를 생산하고 있다. 예로 45나노 공정이 적용된 코어2익스트림 프로세서에는 트랜지스터가 무려 8억 2천만 개나 들어간다.
한 손에 돋보기를 들고 들여다보며, 손에 잡기에도 가는 머리카락에 볼펜으로 점을 찍어도 100개를 못 찍을 것 같은데 인텔은 그러한 공간에 억 만개의 트랜지스터를 집적시킨 것이다. 이를 위해 개발한 기술도 남다르다는데 그 기술이 무엇일까?
CPU를 이해하기 위해서는 먼저 트랜지스터의 구조에 대해서 알아야 한다. 트랜지스터란 반도체로 만들어진 스위치를 의미한다. 트랜지스터에는 총 3개의 전극이 연결되며, 양극에서 전기가 흐를 때는 도체가 되며, 3개의 전극에서 전기가 흐를 때는 부도체가 된다.
이러한 신호를 숫자로 바꾸면 0과 1이며, 전기가 항상 정상적인 방향으로 흘러가게 하기 위해 트랜지스터 양 끝단에는 절연체가 붙어있다. 흔히 65나노 혹은 45나노라는 것은 절연체 간의 폭을 의미하는 것이며 당연히 65나노 보다 더 세밀한 45나노의 간격이 더 좁다.
결국 트랜지스터의 크기를 작게 하기 위해서는 폭을 줄여야 하며, 폭을 줄일수록 더 많은 트랜지스터를 칩에 내장할 수 있다. 또한 CPU의 성능을 향상시키기 위해서는 더 많은 수의 트랜지스터를 내장해야 하기에 미세 공정은 그 해답이 될 수 있다.
하지만 모든 기술에는 장애물이 있는 법. 작아지는 만큼 오동작을 막는 절연체의 두께도 얇아지기에 전기의 흐름이 원하지 않는 방향으로 흐르는 누설 전류가 발생되고 결국 불량 확률도 높아지는 것이 미세 공정 도입의 결정적인 장벽이다.
이를 막기 위한 새로운 기술의 필요성이 대두되었고 인텔은 그 해결책으로 하프늄 기반의 하이_k 메탈게이트 트랜지스터 기술을 자사 제품에 지난해 출시된 코어2 및 제온 제품에 도입시켰다.
하이_k 메탈게이트 트랜지스터 기술의 가장 큰 변화는 지난 40년 넘게 CPU에 적용되던 실리콘 다이옥사이드란 물질을 하프늄 기반의 하이케이 소재로 교체한 것이다. 그 결과 실리콘 다이옥사이드에 비해 45나노에서도 전력 누출 량은 줄어들고 성능은 20% 이상 향상됐다.
덕분에 크기와 디자인이 동일한 CPU 내부의 트랜지스터 집적도는 2배 이상 향상되었으며, 신호 전달 주기인 스위칭 속도는 20% 빨라졌으며, 전력 소모량은 30% 줄이는 효과가 나타났다.
가장 큰 문제였던 전력 누출 현상은 10배 이상 줄어들면서 모든 반도체 회사가 중요히 여겼던 ▲생산량 ▲성능 ▲가격 ▲발열 그리고 ▲호환성 까지 한 번에 해결되면서 더 세밀한 미세공정으로도 진행이 빨라질 것으로 전망된다.
하지만 인텔은 여기서 한 발 나아가 45나노 공정의 후속으로 32나노 공정의 도입을 알렸다. 그 시기는 내년이 될 전망이다.
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