칩이란? 웨이퍼, 집적회로, 반도체와는 무엇이 다를까

칩은 작은 실리콘 조각 위에 수많은 트랜지스터와 이들을 잇는 배선을 만들어 하나의 회로로 연결한 것이다. 정식 이름은 ‘집적회로’로, 영어로는 integrated circuit, 줄여서 IC라 한다. 웨이퍼는 칩을 만드는 커다란 원형 실리콘 판이다. 웨이퍼 한 장 위에서 수십 개에서 1만 개가 넘는 칩을 동시에 만들고, 잘라 낸 뒤에야 칩 하나하나가 된다. 반도체는 칩을 만드는 재료이자 산업 전체의 이름이다.

네 단어의 관계는 우표 전지 한 장으로 생각해 볼 수 있다. 인쇄된 전지 한 장이 웨이퍼이고, 그 위에 같은 그림이 한 칸씩 늘어서 있는데 한 칸이 칩 하나다. 절취선을 따라 뜯어내야 한 장씩 된다. 우표는 종이에 인쇄하고, 칩은 반도체 위에 만들며 대부분 실리콘이다.

칩 안에는 도대체 무엇이 있을까?

칩 안에 가장 많은 것은 트랜지스터다. 전기로 제어하는 작은 스위치다(어떻게 켜지고 꺼지는지는 ‘트랜지스터란?’에서 읽을 수 있다). 스위치가 켜지느냐 꺼지느냐에 따라 배선 하나가 전원에 연결되거나 접지에 연결된다. 전압이 높으면 1, 낮으면 0이다. 스위치 하나가 할 수 있는 일은 아주 적어서, 많은 스위치를 설계대로 연결해야 계산도 하고 데이터도 기억할 수 있다.

그래서 칩 안의 또 다른 중요한 요소는 배선이다. 트랜지스터는 맨 아래층에 만들고, 그 위에 아주 가는 금속 배선을 한 층씩 쌓아 스위치들을 연결한다. 큰 건물과 같다. 1층에는 스위치가 빼곡하고, 위의 여러 층은 모두 복도와 계단이다. 가장 앞선 칩은 배선을 10층 넘게 쌓기도 한다. 그 밖에 작은 저항과 커패시터도 같은 조각 위에 함께 만든다.

이 모든 것이 작은 실리콘 조각 하나에 빼곡히 들어 있다. 칩의 크기는 쌀알보다 작은 것부터 손톱만 한 것, 그보다 더 큰 것까지 다양하다. 스마트폰 프로세서 칩 하나에는 지금 트랜지스터가 백억 개 넘게 있고, 가장 가는 배선은 머리카락보다 1,000배 이상 가늘다.

왜 ‘집적’회로라고 부를까?

‘집적’은 많은 것을 한데 모아 하나로 만든다는 뜻이다.

집적회로가 나오기 전에는 회로를 따로따로 떨어진 부품으로 만들었다. 트랜지스터 하나, 저항 하나, 커패시터 하나를 배선으로 하나씩 기판에 납땜했다. 부품이 많을수록 납땜 지점도 많아지고, 납땜 한 곳만 제대로 붙지 않아도 기계 전체가 멈출 수 있었다.

1950년대 말, 엔지니어들이 방법을 떠올렸다. 모든 부품과 그 사이의 배선을 반도체 한 조각 위에 함께 만드는 것이다. 하나씩 납땜하는 대신 한 조각 위에서 한 번에 만든다. 이것이 집적회로다. 이후 부품은 점점 작아져, 한 조각 위의 부품 수는 몇 개에서 지금의 백억 개 이상으로 늘었다.

칩과 웨이퍼는 무엇이 다를까?

웨이퍼는 둥글고 얇은 실리콘 판으로, 지금 가장 흔한 것은 지름 30cm(12인치)다. 왜 둥근지는 ‘웨이퍼는 왜 둥글까?’에서 읽을 수 있다.

칩은 하나씩 따로 만들지 않는다. 팹은 같은 칩의 설계를 바둑판처럼 웨이퍼 전체에 빼곡히 배치하고, 모든 칩을 함께 만들어 함께 완성한다. 한 장에 몇 개가 들어가는지는 칩의 크기에 달려 있다. 손톱만 한 칩은 한 장에 수백 개 정도, 한 변이 1~2mm인 아주 작은 칩은 한 장에 1만 개가 넘고, 아주 큰 칩은 한 장에 수십 개밖에 들어가지 않는다.

칩과 칩 사이에는 아주 가는 틈이 줄줄이 남아 있다. 공정이 끝나면 먼저 웨이퍼 상태에서 칩 하나하나를 테스트한 뒤, 이 틈을 따라 다이싱해야 칩 하나하나가 된다. 잘라 냈지만 아직 패키징하지 않은 이 작은 조각을 업계에서는 다이(die)라고 부른다. 마지막으로 보호용 외장에 넣는 것이 패키징이다(‘패키징이란?’).

한마디로 웨이퍼는 전지 한 장, 칩은 그중 한 칸이다.

칩, IC, 다이는 같은 것일까?

대체로 같은 것이며, 쓰는 자리가 다를 뿐이다.

• 칩, 반도체 칩: 일상적인 말이다. 영어 chip은 원래 ‘부스러기, 작은 조각’이라는 뜻으로, 바로 이 작은 실리콘 조각을 가리킨다.
• 집적회로, IC: 정식 이름이다. ‘만드는 방식’을 더 드러내는 말로, 모든 부품과 배선을 한 조각 위에 함께 만든다는 뜻이다. 업계와 뉴스에서 자주 쓰며, ‘IC 설계’가 그 예다.
• 다이(die): 웨이퍼에서 잘라 내어 아직 패키징하지 않은 작은 조각이다.
• 중국어에서의 이름: 대만과 중국 대륙에서 쓰는 말이 서로 다르지만, 둘 다 칩을 가리킨다.

흔히 섞어 쓰는 경우가 하나 더 있다. 일상에서 말하는 ‘칩’은 그 작은 실리콘 조각을 가리킬 때도 있고, 회로 기판 위의 작고 검은 사각형을 가리킬 때도 있다. 엄밀히 말하면 검은 사각형은 패키징된 칩이고, 진짜 칩은 그 안에 있다.

칩과 반도체는 같은 것일까?

아니다. 반도체는 재료의 한 종류로, 전기가 통하는 정도가 도체와 절연체의 중간이며 전기가 통할지 말지를 제어할 수 있다. 가장 흔히 쓰는 것은 실리콘이다(왜 ‘반’도체라고 부르는지는 ‘반도체란?’에서 읽을 수 있다). 칩은 이 재료로 만든 물건이다. 뉴스에서 말하는 ‘반도체’는 칩을 만드는 산업 전체를 가리키는 경우가 많다.

칩에는 어떤 종류가 있을까?

종류가 많지만 크게 몇 가지로 나눌 수 있다. 계산을 맡는 프로세서(로직 칩이라고도 한다), 기억을 맡는 메모리, 배터리의 전기를 각 부분에 필요한 전압으로 나눠 주는 전력 관리 칩, 빛과 소리를 전기 신호로 바꾸는 센서, 무선 신호를 주고받는 통신 칩이 있다. 스마트폰 한 대에는 이 종류가 모두 들어 있다. 프로세서와 메모리가 무엇이 다른지는 ‘메모리와 프로세서는 무엇이 다를까?’에서 읽을 수 있다.

칩 하나는 어떻게 만들어질까?

크게 네 단계로 나뉜다.

1. 설계: 엔지니어가 컴퓨터로 회로를 설계해 어떤 스위치를 넣고 어떻게 연결할지 정하고, 컴퓨터에서 여러 번 시뮬레이션하고 검사한다. 확정되면 설계 데이터를 넘겨 포토마스크(회로를 찍는 원판으로, 패턴이 있는 층마다 최소 한 장)로 만드는데, 이를 테이프아웃이라 한다. 테이프아웃 뒤에 설계를 고치려면 포토마스크를 다시 만들어야 한다.
2. 팹 제조: 웨이퍼 투입 뒤 웨이퍼는 팹 안에서 수백 단계를 거친다. 패턴을 찍고, 그대로 깎아 내고, 막을 한 층 입히고, 평평하게 갈며 트랜지스터와 배선을 한 층씩 만들어 가는 데 몇 주에서 몇 달이 걸린다(‘반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?’).
3. 패키징·테스트(후공정): 먼저 웨이퍼 상태에서 칩 하나하나를 테스트하고(웨이퍼 테스트), 잘라서 패키징한 뒤 다시 한번 테스트해(파이널 테스트) 양품만 출하한다.
4. 제품에 장착: 회로 기판에 납땜해 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, 가전에 넣는다.

이 네 단계는 서로 다른 회사가 맡는 경우가 많다. 칩 설계만 하고 공장은 짓지 않는 회사가 있고, 다른 회사의 칩을 전문으로 만들어 주는 팹이 있으며, 패키징·테스트에도 전문 공장이 있다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라 이 길을 끝까지 간다. 보청기를 만드는 작은 회사가 직접 설계한 칩이다. 메인 스토리를 처음 플레이하면 먼저 프롤로그 ‘테이프아웃’이 나온다. 설계를 팹에 넘겨 포토마스크 한 세트로 만드는 장면이다. 제1막은 R&D 라인의 시생산이다. 제2막은 양산 팹으로, 긴급 로트 H-2417 박스 안의 웨이퍼에 만들어지는 것이 바로 이 칩이다. 제3막은 후공정 공장에서 테스트하고, 자르고, 패키징하고, 다시 테스트한다. 종장에서는 보청기에 들어가 선 대표 아버지의 손에 전해진다. 도감의 ‘칩의 일생’ 페이지에는 이 칩의 칩 이력서가 있어, 지금 어느 단계에 와 있는지 표시해 준다.

게임 속 웨이퍼는 지름 30cm이고, 한 박스에 25장이다. 회사, 칩, 인물, 숫자는 모두 가상이다. 칩이 무엇이고 어떻게 만들어지는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.