뉴스에서 말하는 ‘2나노’는 무엇이 2나노일까?

뉴스에서는 ‘2나노 양산 시작’, ‘3나노 스마트폰 칩’ 같은 말을 자주 한다. 마치 칩 위에 2나노미터짜리 무언가가 있는 것처럼 들린다. 사실 이 숫자는 어떤 것도 재고 있지 않으며, 공정 세대의 이름이다. 제대로 설명하려면 칩에서 가장 작은 부품부터 이야기해야 한다.

칩 안에서는 도대체 무슨 일이 일어날까?

칩에서 가장 기본이 되는 부품은 트랜지스터다. 전기로 제어하는 작은 스위치로, 스위치가 켜지느냐 꺼지느냐에 따라 배선 하나가 전원에 연결되거나 접지에 연결된다. 전압이 높으면 1, 낮으면 0이다. 스마트폰으로 사진을 찍고, 길을 찾고, AI를 돌리는 일도 결국은 엄청나게 많은 스위치가 켜졌다 꺼졌다 하는 것이다. 스마트폰 칩 하나에는 지금 이런 스위치가 백억 개 넘게 들어 있다(트랜지스터가 무엇인지는 이 글에서 더 자세히 다룬다).

스위치를 작게 만들수록 같은 면적에 더 많이 넣을 수 있고, 스위치 하나가 전환될 때 드는 전력도 줄어든다. 그래서 수십 년 동안 모두가 스위치를 더 작게 만드는 방법을 찾아 왔다. 뉴스에서 말하는 ‘몇 나노’는 이 일이 몇 번째 세대까지 왔는지를 가리킨다.

‘나노’는 원래 무엇을 쟀을까?

나노미터는 10억분의 1미터다. 머리카락 한 가닥의 굵기는 약 수만 나노미터다.

아주 예전, 대략 1990년대까지는 공정의 이름이 트랜지스터의 어떤 실제 치수와 거의 맞았다. 예를 들어 그 세대에서 만들 수 있는 가장 가는 선의 폭이 대략 그 정도였다. 그때는 이름이 곧 치수였다.

그런데 왜 나중에는 맞지 않게 됐을까?

세대마다의 목표는 대략 같은 면적에 스위치를 두 배로 넣는 것이었다. 가로와 세로를 각각 0.7배로 줄이면 면적은 0.7 × 0.7, 즉 절반 가까이 된다. 그래서 세대마다 이름도 ‘이전 세대 × 0.7’로 붙여 나갔다.

90 → 65 → 45 → 32 → 22 → 14 → 10 → 7 → 5 → 3 → 2

하지만 나중에는 트랜지스터를 ‘모든 것을 비율대로 줄이는’ 방식으로는 더 강하게 만들 수 없게 됐다. 엔지니어들은 다른 방법을 썼다. 평평한 판 모양이던 트랜지스터를 세워 놓은 얇은 판 모양으로 바꾸고(단층집을 빌딩으로 바꾸듯), 다시 전류가 흐르는 통로를 네 면에서 감싸는 구조로 바꿨다. 재료를 바꾸고, 배선을 더 촘촘하게 배치했다. 전체적인 효과는 여전히 ‘세대마다 더 많이 넣는’ 것이지만, 이름 속의 숫자는 더 이상 칩 위의 어떤 실제 치수도 아니다.

그래서 이름에는 ‘몇 번째 세대’라는 뜻만 남았다. 중간의 몇몇 세대는 회사마다 붙인 이름이 조금씩 다르고, 같은 숫자라도 회사마다 실제로 만든 크기가 꼭 같지는 않다. 통일된 기준이 없기 때문이다.

그렇다면 실제로는 얼마나 작을까?

업계가 함께 만든 공개 기술 로드맵이 ‘3나노’ 세대에 대해 추정한 값을 보면, 트랜지스터가 하나씩 이어 늘어선 간격은 40nm대, 가장 촘촘한 금속 배선의 간격은 20nm대다. 2나노 세대는 이보다 조금 더 작지만, 여전히 수십 nm 수준이다.

이 값들은 모두 이름 속의 숫자보다 훨씬 크지만, 그래도 머리카락보다 1,000배 이상 가늘다. 칩 안에는 실제로 두께가 몇 nm에 불과한 막이 몇 층 있지만, 이름이 그것을 재는 것도 아니다.

숫자가 작을수록 도대체 무엇이 좋을까?

같은 크기의 칩에 스위치를 더 많이 넣으면 더 많은 일을 할 수 있다. 예를 들어 스마트폰에서 AI를 돌릴 수 있다. 또는 같은 일을 더 작고 전력을 덜 쓰는 칩으로 해낼 수 있다. 사용자 입장에서는 같은 일을 조금 더 빨리 하거나, 같은 속도에서 전력을 조금 덜 쓰게 된다. 얼마나 빨라지고 얼마나 아끼는지는 설계에서 무엇을 맞바꾸느냐에 달려 있다.

대가는 만들기가 점점 어려워지고 비싸진다는 것이다. 더 가는 패턴을 찍으려면 노광 장비가 파장이 더 짧은 빛을 써야 한다. 가장 앞선 것은 극자외선(EUV)으로, 파장이 13.5nm에 불과해 공기에도 흡수되므로 빛이 지나는 경로 전체를 진공으로 만들어야 한다. 칩 하나가 거치는 단계도 점점 늘어나고 단계마다 잘못될 수 있어서, 새 세대가 막 시작될 때는 양품 칩의 비율(수율)이 대체로 낮은 편이다.

그래서 모든 칩에 최신 세대가 필요한 것은 아니다. 자동차, 가전, 충전기에 들어가는 많은 칩은 몇 세대 전의 방식으로 만드는데, 그것으로 충분하고 안정적이며 싸다. 뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’이 바로 이것이다.

다음에 뉴스를 보면 이렇게 읽으면 된다

• ‘2나노 양산 시작’: 최신 세대의 방식으로 대량 생산을 시작했다는 뜻이다. 누군가 2nm짜리 무언가를 만들었다는 뜻이 아니다.
• ‘3나노 스마트폰 칩’: 이 칩을 ‘3나노’ 세대의 방식으로 만들었다는 뜻이다.
• ‘성숙 공정 생산 능력 확대’: 몇 세대 전의 방식으로 칩을 만드는 생산 라인을 더 늘린다는 뜻이다. 자동차나 가전에 쓰는 종류의 칩이다.

fab24hr에서는

게임 속 팹은 가상이며, 몇 나노 공정인지는 밝히지 않는다. 포토 구역에서 보는 노광, 식각 구역에서 보는 선폭 측정이 바로 이름 뒤에서 실제로 작아져야 하는 것들이며, 매일 누군가가 지키고 있다. 글에 나오는 치수는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼고, 통일된 수치를 찾을 수 없는 곳에는 규모만 적었다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.