칩 입문: 처음부터 이해하는 칩
반도체를 한 번도 접해 보지 않은 분을 위한 분류예요. 반도체란 무엇인지, 칩과 웨이퍼는 어떻게 다른지, 휴대폰 칩 하나에 들어 있는 100억 개가 넘는 스위치가 무슨 일을 하는지 다뤄요. 순서대로 읽어 보세요. 다른 분류의 글도 여기서 다룬 내용을 바탕으로 해요.
반도체 입문: 반도체란 무엇이고, 반도체 공장은 무슨 일을 할까?
완전 초보도 이해할 수 있는 반도체 입문. 반도체란 무엇인지, 사람들이 말하는 ‘반도체’가 왜 흔히 산업 전체를 가리키는지, 칩 하나가 설계, 팹, 패키징·테스트의 분업으로 어떻게 만들어지는지, 팹 사람들은 매일 무슨 일을 하는지 다루고, 쉬운 글 몇 편을 먼저 읽은 뒤 직접 팹을 한 바퀴 걸어 보는 무료 독학 경로도 소개한다.
반도체란? 왜 ‘반’도체라고 부를까?
반도체는 전기가 통하는 정도가 도체와 절연체의 중간인 물질로, 가장 많이 쓰이는 것은 실리콘이다. 정말 중요한 점은 전기가 통할지 말지를 제어할 수 있다는 것이다. 아주 순수한 실리콘에 붕소나 인을 아주 조금 넣으면 어느 작은 영역에 전기가 통할지 정할 수 있다. 수도관과 밸브 비유에서 시작해 실리콘, 도핑, n형과 p형, 그리고 반도체가 칩 속 스위치가 되는 원리를 쉽게 설명한다.
칩이란? 웨이퍼, 집적회로, 반도체와는 무엇이 다를까
칩은 작은 실리콘 조각 위에 수많은 트랜지스터와 배선을 만들어 하나의 회로로 이은 것으로, 정식 이름은 집적회로(IC)다. 웨이퍼는 칩을 만드는 커다란 원판으로 한 장에 수십 개에서 1만 개가 넘는 칩을 만들고, 잘라야 칩 하나하나가 된다. 반도체는 재료이자 산업의 이름이다. 칩, IC, 다이 같은 말과 칩 하나가 설계부터 스마트폰에 들어가기까지의 흐름을 쉽게 설명한다.
트랜지스터란? 휴대폰 칩 하나에 왜 스위치가 백억 개 넘게 있을까
트랜지스터는 칩의 가장 기본적인 부품으로, 전기로 제어하는 작은 스위치다. 칩 속의 0과 1은 모두 트랜지스터가 바꾼다. 트랜지스터의 입구와 출구, 그 사이의 게이트, 왜 점점 작게 만드는지, 너무 작으면 왜 누설 전류가 생기는지, 그리고 평평한 구조에서 세운 구조로, 다시 사방을 감싸는 구조로 어떻게 바뀌었는지 쉽게 설명한다.
웨이퍼는 왜 둥글까?
칩은 네모난데 웨이퍼는 둥글다. 그 이유는 실리콘이 어떻게 ‘자라는지’에서 시작한다. 웨이퍼를 만드는 단결정 실리콘은 녹인 실리콘에서 회전시키며 천천히 끌어올려 만드는데, 자라난 모양이 원기둥이라 자르면 자연히 둥근 판이 된다. 웨이퍼가 어떻게 만들어지는지, 왜 네모나게 만들지 않는지, 가장자리의 불완전한 칩은 어떻게 되는지 쉽게 설명한다.
메모리와 프로세서는 무엇이 다를까? DRAM과 플래시 메모리는 또 무엇이 다를까
프로세서(로직 칩이라고도 한다)는 계산을 맡고, 메모리는 기억을 맡는다. 휴대폰 사양에 적힌 RAM은 DRAM으로, 매우 빠르지만 전원이 꺼지면 내용을 잃고 계속 리프레시해야 한다. 휴대폰의 ‘저장 용량’은 플래시 메모리(NAND)로, 훨씬 느리지만 전원이 꺼져도 기억한다. 각각 무슨 일을 하는지, 휴대폰에 왜 두 메모리가 다 필요한지, 두 칩을 만드는 방식이 각각 무엇을 중시하는지 쉽게 설명한다.
무어의 법칙이란? 왜 느려졌다고 할까
무어의 법칙은 물리 법칙이 아니라 1965년 고든 무어가 내놓은 관찰이다. 칩 위의 트랜지스터 수가 일정한 기간마다 약 두 배가 된다는 것으로, 처음에는 매년이라고 했다가 1975년에 2년마다로 고쳤다. 미세화가 왜 칩을 더 빠르고, 전력을 덜 쓰고, 더 싸게 만드는지, 왜 둔화나 종말을 이야기하는지, 업계가 지금 어떻게 계속 나아가는지 쉽게 설명한다.
칩은 왜 전력을 쓸까? 아무 일도 하지 않을 때의 대기 전류와 누설 전류
칩의 전력 소비는 두 가지다. 동작할 때는 스위치가 전환될 때마다 전기를 조금씩 쓰고, 아무 일도 하지 않을 때도 꺼진 스위치로 아주 작은 전류가 새는데, 이를 누설 전류라 하며 모두 더한 것이 대기 전류다. 보청기, 손목시계, 센서처럼 배터리가 작은 기기가 왜 이를 특히 신경 쓰는지, 설계와 제조, 테스트에서 어떻게 관리하는지 쉽게 설명한다.
12인치, 8인치 웨이퍼란 무슨 뜻일까? 웨이퍼는 왜 점점 커졌을까
12인치, 8인치는 웨이퍼의 지름을 말한다. 12인치는 300mm, 8인치는 200mm다. ‘인치’가 왜 대략적인 이름일 뿐인지, 웨이퍼 크기가 어떻게 커져 왔는지, 12인치가 8인치보다 칩을 몇 개 더 만들 수 있는지, 왜 12인치에서 멈췄는지, 8인치 팹은 지금 무엇을 만드는지, 웨이퍼 한 장의 두께는 얼마인지 쉽게 설명한다.
SoC란? 휴대폰 속 ‘시스템 온 칩’ 쉬운 설명
SoC(system on a chip, 시스템 온 칩)는 프로세서, 그래픽, 메모리 제어, 통신, 영상 처리 같은 기능을 칩 하나에 만들어 넣은 것으로, CPU는 그 안의 한 블록일 뿐이다. 휴대폰이 왜 대부분 SoC를 쓰는지, 그 대가는 무엇인지, SoC, SiP, 칩렛(chiplet)은 어떻게 다른지 쉽게 설명한다.
칩은 왜 이렇게 비쌀까?
칩이 비싼 이유는 돈의 상당 부분이 첫 칩을 만들기 전에 이미 나가기 때문이다. 설계, 포토마스크 한 세트, 팹 건설과 장비 구매가 그렇다. 그 뒤로도 몇 달에 걸친 수백 단계의 가공이 있고, 불량 칩의 몫까지 함께 나눠 져야 하며, 마지막으로 패키징과 테스트가 남는다. 칩의 비용이 어디에 쓰이는지, 많이 만들수록 왜 하나당 싸지는지, 최첨단 칩은 왜 특히 비싼지 쉽게 설명한다.
아날로그 칩과 디지털 칩은 무엇이 다를까?
디지털 칩은 0과 1만 구분하고, 아날로그 칩은 소리, 빛, 온도, 배터리 전압처럼 연속적으로 변하는 신호를 다룬다. 현실 세계의 신호를 왜 아날로그 칩이 받아서 증폭하고 변환(ADC, DAC)해야 하는지, 전원을 관리하는 칩은 왜 대부분 아날로그로 분류되는지, 아날로그 칩은 왜 성숙 공정을 주로 쓰는지, 그리고 두 가지를 모두 갖춘 혼성 신호까지 쉽게 설명한다.
칩은 어떻게 설계할까? IC 설계가 하는 일
칩은 팹에 들어가기 전에 컴퓨터에서 설계를 모두 끝낸다. 사양을 정하고, 하드웨어 기술 언어로 회로의 동작을 기술하고, 검증을 거듭한 뒤 논리 게이트로 바꿔 배치와 배선을 하고, 검사를 통과해야 테이프아웃(tape-out)해 팹에 넘기고 포토마스크를 만든다. 이 과정을 한 단계씩 쉽게 풀고, 아날로그 회로 설계와 설계·팹의 협업도 다룬다.
CMOS란? 칩 속 스위치는 왜 두 종류가 짝을 이룰까
CMOS(상보형 금속 산화막 반도체)는 지금 거의 모든 디지털 칩이 쓰는 회로 방식이다. 동작이 서로 반대인 두 스위치 NMOS와 PMOS를 짝지어, 하나는 출력을 전원에, 하나는 접지에 연결한다. 이름의 유래, 가장 간단한 인버터의 동작, 0과 1의 정체, 그리고 이렇게 짝지으면 왜 전력이 적게 드는지 쉽게 설명한다.
논리 게이트란? 스위치가 어떻게 계산하는 칩이 될까
논리 게이트는 트랜지스터 몇 개를 연결한 작은 회로로, 입력선이 0인지 1인지 보고 정해진 규칙에 따라 출력을 정한다. ‘트랜지스터는 스위치’라는 데서 출발해, 스위치 두 개를 직렬과 병렬로 연결해 NOT, NAND, NOR, AND, OR를 만들고 다시 가산기와 프로세서로 조합하는 과정을 설명한다. 게이트 하나하나가 조금 느리고 조금 새면 칩 전체가 왜 크게 달라지는지도 다룬다.
반도체 밸류체인의 상류·중류·하류는 각각 무엇을 할까?
반도체 밸류체인(반도체 공급망)은 칩 하나가 무에서 완성되기까지 거쳐 가는 긴 기업의 행렬이다. 소재와 장비, 설계 소프트웨어와 설계자산(IP), IC 설계, 포토마스크, 팹, 패키징·테스트를 거쳐 제품에 탑재되기까지를 한 단계씩 따라간다. 단계마다 하는 일, 왜 대개 서로 다른 회사가 맡는지, 한 단계가 빠지면 어떻게 되는지, 그리고 ‘상류·중류·하류’를 나누는 흔한 두 가지 방식을 설명한다.
반도체 설계자산(IP)이란? 칩 속에 왜 사 온 회로가 있을까
반도체 설계자산(IP)은 미리 설계하고 검증해 두어, 다른 회사가 라이선스를 받아 자기 칩에 넣을 수 있는 회로 설계 블록이다. 프로세서 코어, 메모리 인터페이스, 아날로그 회로가 그 예다. 소프트 IP와 하드 IP의 차이, IP 하나가 선택과 라이선스를 거쳐 테이프아웃까지 가는 과정, 사는 이유와 위험을 쉽게 설명하고, SiP와는 다른 것이라는 점도 짚는다.
EDA란? 칩을 설계하는 소프트웨어는 단계마다 무엇을 할까
EDA는 전자 설계 자동화(electronic design automation), 즉 칩 설계에 쓰는 컴퓨터 소프트웨어 일체를 말한다. 백억 개가 넘는 트랜지스터는 손으로 그릴 수 없으므로, 동작 기술, 시뮬레이션 검증, 논리 게이트로의 합성, 배치·배선, 타이밍과 규칙 검사, 포토마스크 제작을 위한 테이프아웃까지 단계마다 한 종류의 소프트웨어가 있다. 단계별로 쉽게 설명하고, 팹의 규칙이 어떻게 설계에 들어가는지도 다룬다.
칩 검증이란? 테이프아웃 전에 설계가 맞는지 어떻게 확인할까
칩 검증(설계 검증, 기능 검증)은 칩을 만들기 전에 설계가 사양대로 동작하는지 확인하는 일이다. 사양에 맞춰 시험 항목을 정하는 것부터 시뮬레이션, 커버리지 확인, 정형 검증, 다시 써넣을 수 있는 칩에서의 실행, 타이밍과 전력 검사, 사인오프와 테이프아웃, 칩이 나온 뒤의 실측까지 단계별로 설명하고, 팹의 계측이나 칩 테스트와 무엇이 다른지도 다룬다.
테이프아웃(tape-out)이란? 칩 설계를 넘긴 뒤에는 무슨 일이 일어날까
테이프아웃(tape-out, tapeout이라고도 쓴다)은 칩 설계를 마치고 검사까지 끝낸 뒤 최종 설계 파일을 넘겨 포토마스크를 만들게 하는 순간이다. 그 뒤에 고치려면 포토마스크를 다시 만들고 몇 달을 더 기다려야 한다. 마지막 검사와 사인오프, 설계 파일 전달, 패턴 보정, 포토마스크 제작, 웨이퍼 투입, 칩 테스트, 오류가 있으면 다시 테이프아웃하기까지 전후 과정을 한 단계씩 쉽게 설명한다.
후면 전력 공급이란? 칩의 전원선을 왜 웨이퍼 뒷면으로 옮길까
후면 전력 공급(backside power delivery, BSPDN)은 칩의 전원선을 웨이퍼 앞면에서 뒷면으로 옮기는 기술이다. 앞면을 평소대로 만들고, 뒤집어 캐리어 웨이퍼에 붙이고, 뒷면을 극도로 얇게 갈아 내고, 구멍을 뚫어 트랜지스터에 연결하고, 굵은 전원선을 까는 과정을 단계별로 쉽게 설명한다. 왜 옮기는지, 무엇이 좋고 무엇이 어려운지도 다룬다.
메모리 월이란? 칩은 빨리 계산하는데 왜 데이터는 제때 오지 못할까
메모리 월(memory wall)은 프로세서의 계산은 점점 빨라지는데 메모리의 데이터 공급이 따라가지 못해 생기는 격차를 말한다. 이 격차가 어디서 생기는지, 데이터를 옮기는 것이 왜 계산보다 전력을 더 쓰는지, 메모리를 왜 여러 계층으로 나누는지, 지금 왜 AI가 이 벽에 가장 크게 부딪히는지, 그리고 HBM, 첨단 패키징, 빛을 이용한 전송, 메모리 안에서의 계산이 각각 무엇을 하고 어떤 대가를 치르는지 쉽게 설명한다.
FinFET과 GAA란? 트랜지스터는 왜 평면에서 세워졌다가 네 면을 감싸는 구조가 되었을까
FinFET(핀펫)은 채널을 얇은 지느러미(fin)처럼 세워 게이트가 세 면에서 감싸게 하고, GAA(게이트올어라운드)는 채널을 여러 장의 얇은 시트로 쌓아 게이트가 네 면을 모두 감싸게 한다. 왜 구조를 바꿨는지, 단계별로 어떻게 만드는지, 무엇이 어려운지, 아직 연구 중인 다음 단계까지 쉽게 설명한다.
뉴스에 나오는 ‘옹스트롬 시대’란? 옹스트롬은 얼마나 작을까
옹스트롬(Å)은 길이 단위로, 1옹스트롬은 0.1나노미터이며 원자 하나 정도의 크기다. 1나노미터는 10옹스트롬이다. 뉴스에서 말하는 ‘옹스트롬 시대’는 공정 세대의 이름이 옹스트롬으로 불러야 할 만큼 작아졌다는 뜻이지, 트랜지스터가 몇 옹스트롬밖에 남지 않았다는 뜻이 아니다. 옹스트롬의 크기, 예전의 쓰임새, 세대 이름이 붙는 방식, 그 세대들에서 실제로 바뀌는 것을 쉽게 정리했다.
전력 반도체란? 큰 전류와 높은 전압을 다루는 칩은 무엇을 할까
전력 반도체(전력 소자)는 큰 전류와 높은 전압의 스위칭과 변환을 전문으로 하는 소자로, 콘센트의 교류를 휴대폰에 필요한 직류로 바꾸고 배터리의 전기를 모터로 보낸다. 로직 칩과 무엇이 다른지, 다이오드, MOSFET, IGBT가 각각 어디에 맞고 어디에 쓰이는지, 효율과 방열이 왜 그렇게 중요한지 쉽게 설명한다.
MEMS(미세전자기계시스템)란? 칩 위에 움직이는 작은 기계를 어떻게 만들까
MEMS는 미세전자기계시스템으로, 칩을 만드는 방법으로 실리콘 위에 빔, 얇은 막, 스프링, 빗살 모양 구조 같은 움직이는 작은 기계를 만드는 기술이다. 휴대폰의 가속도 센서, 자이로스코프, MEMS 마이크, 기압 센서가 모두 MEMS다. 어떻게 만드는지, 핵심인 ‘릴리스’ 단계, 그리고 패키징과 테스트가 왜 일반 칩과 다른지 쉽게 설명한다.
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