무어의 법칙이란? 왜 느려졌다고 할까

무어의 법칙(Moore's law)은 칩 하나에 들어가는 트랜지스터의 수가 일정한 기간마다 약 두 배가 된다는 것이다. 물리 법칙이 아니라, 1965년 칩을 만들던 엔지니어 고든 무어(Gordon Moore)가 자료를 보고 얻은 관찰이다. 처음에는 대략 매년 두 배라고 했다가, 1975년에 대략 2년마다로 고쳤다. 뉴스에서 무어의 법칙이 ‘둔화’되었다거나 심지어 ‘끝났다’고 하는 것은, 트랜지스터가 이미 원자에 가까울 만큼 작아져 만들기가 점점 어렵고 비싸지면서, 두 배가 되는 속도가 2년마다를 따라가지 못하게 되었기 때문이다.

무어는 그때 정확히 무엇을 말했을까?

1965년, 무어는 한 전자 업계 잡지에 짧은 글을 썼다. 당시는 집적 회로가 발명된 지 몇 년밖에 되지 않았고, 가장 복잡한 칩에도 부품(트랜지스터, 저항 같은 것)이 약 64개뿐이었다.

무어는 그 전 몇 년의 숫자를 그래프에 찍었다. 점은 다섯 개뿐이었지만, 거의 매년 두 배가 된다는 것을 알 수 있었다. 그는 과감하게 선을 10년 뒤까지 그어, 1975년에는 칩 하나에 약 6만 5천 개의 부품이 들어갈 것이라고 했다. 매년 두 배면 10년 동안 열 번 두 배가 되어 약 1,000배가 된다. 64에 1,000 남짓을 곱하면 6만이 조금 넘는다.

무어가 본 것은 사실 ‘가장 경제적인’ 부품 수였다. 칩 하나에 조금 더 많이 넣으면 부품 하나당 평균 가격이 싸지지만, 너무 많이 넣으면 불량 칩이 늘어 오히려 비싸진다. 그래서 무어의 법칙은 처음부터 기술만이 아니라 돈에 관한 이야기이기도 했다.

왜 나중에 ‘2년마다’가 되었고, ‘18개월’이라는 말도 나올까?

1975년, 무어는 다시 추정해 보고 앞으로는 조금 느려질 것이라며 대략 2년마다 두 배로 고쳤다. 이후 사람들이 말하는 무어의 법칙은 대부분 이 버전이며, 그 뒤 수십 년 동안 산업도 대체로 이 속도를 따라갔다.

자주 듣는 ‘18개월’은 무어가 한 말이 아니다. 다른 사람이 ‘트랜지스터 하나하나도 빨라진다’는 점까지 계산에 넣어 칩의 성능이 약 18개월마다 두 배가 된다고 추정했는데, 오랫동안 전해지면서 두 이야기가 뒤섞였다. ‘법칙’이라는 이름조차 나중에 다른 사람들이 붙여 퍼진 것이다.

물리 법칙이 아니라면 무엇일까?

물리 법칙은 손을 놓으면 물건이 떨어지는 것처럼, 사람이 무엇을 하든 성립한다. 무어의 법칙은 다르다. 하나의 관찰이자 예측이고, 많은 사람이 계속 노력해야 비로소 현실이 된다.

나중에 무어의 법칙은 산업 전체의 목표가 되었다. 업계는 함께 기술 로드맵을 만들어 세대마다 대략 몇 년까지 얼마나 작게 만들지를 적었고, 모두가 그 일정에 맞춰 연구 개발을 했다. 그래서 흔히 무어의 법칙을 ‘자기실현적’ 예언이라고 한다. 모두가 두 배가 될 것이라고 믿었기에, 필사적으로 두 배를 만들어 냈다는 것이다.

트랜지스터를 작게 만들면 왜 칩이 빨라지고, 전력을 덜 쓰고, 싸질까?

트랜지스터는 칩 안에서 전기로 제어하는 작은 스위치다(트랜지스터란?에서 자세히 다룬다). 트랜지스터를 작게 만들면 좋은 점이 세 가지다.

• 더 많이 넣을 수 있다: 같은 면적에 스위치를 더 많이 넣을 수 있어, 할 수 있는 일이 늘어난다.
• 빠르고 전력을 덜 쓴다: 스위치가 작으면 한 번 전환하는 데 드는 전력이 적고, 전환도 빠르다.
• 싸다: 웨이퍼 한 장을 만드는 비용이 세대마다 조금 오르더라도, 한 장에 넣을 수 있는 트랜지스터는 거의 두 배로 늘어나므로 하나당 평균 가격은 크게 싸진다.

이 세 가지가 수십 년 동안 함께 일어났다. 2년마다 두 배면 20년이면 약 1,000배, 40년이면 약 100만 배다. 1970년대 초 최초의 프로세서 칩에는 트랜지스터가 몇천 개뿐이었지만, 지금은 휴대폰 칩 하나에 백억 개가 넘게 들어 있어 수백만 배 차이가 난다. 휴대폰이 강력하면서도 살 만한 가격인 것은 바로 이 덕분이다.

뉴스에서 말하는 ‘몇 나노’는 이렇게 세대를 거듭하며 줄어든 이름이고, 지금은 더 이상 실제 크기가 아니다(뉴스에서 말하는 ‘2나노’에서 다뤘다).

왜 무어의 법칙이 느려졌다고 할까?

2010년대 무렵부터 많은 사람이 두 배가 되는 속도가 2년마다보다 조금 느려졌다고 관찰했다. 이유는 세 가지다.

첫째, 크기가 이미 원자에 가까워졌다

실리콘 원자를 하나씩 늘어세우면 1nm에는 몇 개밖에 들어가지 않는다. 가장 앞선 트랜지스터에는 폭이 원자 수십 개밖에 되지 않는 부분도 있다. 게이트(트랜지스터에서 스위치를 제어하는 전극) 아래의 절연막은 한때 1~2nm까지 얇아져, 결국 재료를 바꿔야 했다. 원자를 반으로 자를 수는 없다. 이 정도로 작아지면 원자 몇 개 차이로도 트랜지스터의 특성이 달라질 수 있어, 더 줄일 여지가 점점 줄어든다.

둘째, 누설 전류와 발열을 억누를 수 없다

트랜지스터가 너무 작으면 꽉 꺼지지 않는다. 꺼져 있어도 전류가 조금 새어 나가는데, 이를 누설 전류라고 한다. 절연막이 너무 얇으면 전자가 그대로 뚫고 지나가기도 한다. 예전에는 한 세대 작아질 때마다 전압도 함께 낮아져, 같은 면적의 소비 전력이 거의 변하지 않았다. 그런데 전압을 낮추면 스위치가 ‘켜지는’ 문턱도 함께 낮춰야 하고, 문턱이 낮아지면 꺼져 있을 때 더 많이 샌다. 2000년대 중반쯤에는 전압을 더 낮추기 어려워졌고, 스위치를 빽빽하게 넣을수록 칩이 뜨거워졌다.

그래서 컴퓨터 프로세서의 클럭(1초에 몇 번 전환하는지)은 그 무렵부터 거의 오르지 않았고, 대신 칩 하나에 코어를 여러 개 넣어 함께 계산하게 되었다. 트랜지스터는 여전히 점점 더 많이 들어가지만, 한 세대 줄일 때마다 얻는 ‘빠르고 전력을 덜 쓰는’ 효과는 예전보다 줄었다.

셋째, 세대마다 점점 더 어렵고 비싸진다

더 가는 패턴을 찍으려면 노광 장비가 파장이 더 짧은 빛으로 바꿔야 한다. 가장 가는 패턴은 한 층을 여러 번 나누어 노광해야 찍히기도 한다. 칩 하나가 거쳐야 하는 공정 단계가 점점 늘어나고, 단계마다 잘못될 가능성이 있다. 가장 앞선 팹 하나를 짓는 데 이제 100억 달러 넘게 드는 일이 흔하다. 미세화로 아낀 돈의 일부는 점점 비싸지는 장비와 점점 늘어나는 공정 단계에 먹혀 버린다.

그렇다면 무어의 법칙은 정말 끝났을까?

의견이 갈리며, 차이는 정의에 있다. ‘2년마다 두 배가 되고, 트랜지스터 하나당 가격도 싸진다’를 엄격하게 요구한다면 지금은 이루기 어렵고, 그래서 이미 끝났다고 말하는 사람도 있다. ‘세대마다 더 많이 넣는다’만 본다면 다소 느리고 비싸졌을 뿐 아직 앞으로 나아가고 있으므로, 아직 끝나지 않았다고 말하는 사람도 있다. 업계에도 아직 합의가 없다.

업계는 지금 어떤 방법으로 계속 나아갈까?

비례 축소만으로는 부족해지자 다른 길로 바꿨다. 흔히 이야기하는 길은 다음과 같다.

1. 트랜지스터 구조를 바꾼다: 평평한 판에서 세워 놓은 얇은 판으로, 다시 전류가 흐르는 채널을 사방에서 감싸는 구조로 바꿔, 아주 작은 스위치도 꽉 꺼지게 한다(트랜지스터란?에서 다뤘다). 연구 기관에서는 트랜지스터 자체를 위아래로 쌓는 시도도 하고 있다.
2. 위로 쌓아 올린다: 바닥 면적이 모자라면 위로 쌓는다. 어떤 메모리 칩은 오래전부터 데이터를 저장하는 칸을 한 층씩 위로 쌓아 왔고, 칩과 칩을 직접 쌓을 수도 있다.
3. 첨단 패키징으로 이어 붙인다: 모든 것을 큰 칩 하나에 만들지 않고 몇 개의 작은 조각으로 나눠 각각 가장 알맞은 세대의 공정으로 만든 뒤, 한 패키지 안에 아주 가깝게, 촘촘히 연결해 넣는다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?).
4. 더 짧은 파장의 빛: 가장 가는 몇 개 층을 찍을 때는 파장이 더 짧은 극자외선(EUV)을 쓴다.

모든 칩이 최신 세대를 좇아야 하는 것은 아니다. 자동차나 가전제품에 들어가는 많은 칩은 몇 세대 전의 방식으로도 충분하다(뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’이란?).

fab24hr에서는

게임 속 팹은 가상이고, 몇 나노 공정인지도 밝히지 않는다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’의 보청기 칩 ‘Glowmere’는 성숙한 세대의 공정으로 만들며, 트랜지스터도 가장 작은 종류가 아니다. 하지만 트랜지스터가 작아질수록 부딪히는 벽은 R&D 라인에서 볼 수 있다. ‘직장인의 하루’에서 퍼니스 개발 공정 엔지니어가 되면, 오전 근무에 게이트 아래 산화막을 얼마나 얇게 키울지 정해야 한다. 조금 얇으면 트랜지스터의 스위칭이 빨라지지만, 너무 얇으면 전자가 쉽게 그대로 뚫고 지나가 대기 중에 누설 전류가 생긴다. Glowmere는 버튼형 전지 하나로만 버틴다. 새로운 공정은 모두 이렇게 먼저 R&D 라인에서 시험하고, 안정된 뒤에야 양산 팹에 넘긴다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어를 찾은 다음 ‘퍼니스’ 구역을 누르면 된다. 게임 속 회사, 칩, 인물과 수치는 모두 가상이다. 무어의 법칙에 관한 내용은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼고, 통일된 수치가 없는 부분은 규모만 적었다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.