CMOS란? 칩 속 스위치는 왜 두 종류가 짝을 이룰까

CMOS는 지금 거의 모든 디지털 칩이 쓰는 회로 방식이다. 동작이 서로 반대인 두 종류의 스위치를 짝지어, 하나는 출력을 전원에 연결하고 다른 하나는 출력을 접지에 연결한다. 정식 명칭은 ‘상보형 금속 산화막 반도체’(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)이고, 두 종류의 스위치는 NMOS와 PMOS라 부른다. 이렇게 짝지으면 스위치가 전환되지 않는 동안 전원과 접지 사이에 전류가 거의 흐르지 않아 전력을 매우 적게 쓴다.

‘CMOS’를 검색하면 다른 두 가지 뜻도 자주 보이는데, 둘 다 여기서 이름을 빌려 왔다. 카메라와 휴대폰의 ‘CMOS 이미지 센서’는 같은 CMOS 방식으로 만든 빛 감지 칩이다. 컴퓨터 메인보드의 ‘CMOS 설정’이라는 이름은 초기 컴퓨터가 날짜와 부팅 설정을 CMOS로 만든 작은 메모리에 저장했기 때문에 붙었다. 이 메모리는 전력을 아주 적게 써서 코인 전지 하나로 몇 년을 버텼다. 이 글은 첫 번째 뜻, 즉 칩 속의 회로를 다룬다.

CMOS라는 이름을 풀어 보면 무슨 뜻일까?

먼저 뒤의 MOS를 보자. 이 세 글자는 트랜지스터 하나를 위에서 아래로 이루는 세 층을 가리킨다.

• 금속(Metal): 맨 위에서 스위치를 제어하는 게이트다. 원래는 금속으로 만들었다.
• 산화막(Oxide): 게이트 아래의 아주 얇고 전기가 통하지 않는 절연층이다. 원래는 퍼니스에서 실리콘 표면을 산화시켜 키운 실리콘 산화막이었다.
• 반도체(Semiconductor): 맨 아래의 실리콘으로, 전류는 여기에서 흐른다.

그 뒤 재료는 여러 번 바뀌었다. 게이트는 오랫동안 전기가 통하는 실리콘으로 바뀌었다가, 2000년대 후반 무렵부터 가장 앞선 칩에서 다시 금속으로 돌아왔다. 절연층의 재료도 바뀌었다. 그래도 이름은 바뀌지 않았다. 이 세 층이 어떻게 스위치가 되는지는 ‘트랜지스터란?’에서 다룬다.

맨 앞의 C는 ‘상보’(Complementary)다. 스위치가 두 종류이고 동작이 정반대여서, 짝을 지으면 서로의 빈 곳을 채워 준다.

두 종류의 스위치는 무엇이 다를까?

• NMOS(n형): 게이트에 전압이 걸려야 켜지고, 전압이 없으면 꺼진다.
• PMOS(p형): 정반대다. 한쪽 끝이 전원 쪽에 연결되어 있고, 게이트가 이 끝보다 낮아야 켜진다. 게이트에 전압이 없으면(0V) 켜지고, 전원과 같은 높이의 전압을 걸면 오히려 꺼진다.

이름의 n과 p는 스위치의 입구와 출구(소스와 드레인)가 n형 실리콘인지 p형 실리콘인지를 말한다. n형과 p형은 실리콘에 서로 다른 원자를 넣어 만드는데, 자세한 내용은 ‘도핑이란?’에서 다룬다.

가장 간단한 CMOS 회로: 인버터는 어떻게 동작할까?

인버터는 한 가지 일만 한다. 1을 넣으면 0이 나오고, 0을 넣으면 1이 나온다. 스위치는 두 개면 된다.

• 위쪽 PMOS 하나는 출력과 전원 사이에 연결한다.
• 아래쪽 NMOS 하나는 출력과 접지 사이에 연결한다. 접지는 전압이 가장 낮은(0V) 쪽이다.
• 두 스위치의 게이트를 하나로 묶은 것이 입력이다.

출력 배선을 작은 물웅덩이라고 생각해 보자. 관 하나는 높은 곳의 물탱크(전원)로, 다른 하나는 낮은 곳의 배수구(접지)로 이어져 있다. 위쪽 관의 밸브가 PMOS, 아래쪽 관의 밸브가 NMOS다. 어느 관이 열리든 웅덩이의 수위는 그쪽과 같아진다. 수위가 높으면 1, 낮으면 0이다.

입력	위쪽 PMOS(전원에 연결)	아래쪽 NMOS(접지에 연결)	출력
1(높은 전압)	꺼짐	켜짐	접지에 연결: 0
0(낮은 전압)	켜짐	꺼짐	전원에 연결: 1

입력이 1이면 게이트에 전압이 걸린다. NMOS는 켜지고 PMOS는 꺼져서, 출력이 접지에 연결되어 0이 된다. 입력이 0이면 반대다. PMOS가 켜지고 NMOS가 꺼져서, 출력이 전원에 연결되어 1이 된다.

그렇다면 칩 속의 0과 1은 도대체 무엇일까?

배선 하나에 걸린 전압의 높고 낮음이다. 전원에 연결되어 전압이 높으면 1, 접지에 연결되어 전압이 낮으면 0이다. 어느 스위치가 켜졌다고 1이 되는 것이 아니다.

위의 표를 보자. 입력이 1일 때 아래쪽 스위치는 분명히 켜졌는데 출력은 0이다. 스위치가 켜지고 꺼지는 것은 이 배선이 어느 쪽에 연결되는지를 정할 뿐이다. CMOS에서 모든 출력 배선은 안정된 상태에서 전원 아니면 접지에 연결되어 있으므로, 전압이 분명하게 높거나 낮다. 이 배선이 다시 다음 스위치 쌍의 게이트에 연결되어 그 쌍의 입력이 된다.

프로세서처럼 계산하는 논리 회로는 이렇다. 메모리는 꼭 그렇지는 않다. 플래시 메모리에서 셀 하나의 데이터를 읽을 때는 정말로 그 스위치 하나가 잘 켜지는지를 본다(‘메모리와 프로세서는 무엇이 다를까?’ 참고).

왜 두 종류를 짝지을까?

전력을 아끼기 위해서다.

스위치를 한 종류만 쓰면, 반대쪽에는 저항처럼 늘 반쯤 열려 있는 무언가를 연결해 출력을 전원 쪽으로 끌어올려야 한다. 물탱크 쪽 관이 언제나 조금 열려 있는 것과 같다. 아래쪽 밸브가 열리면 물이 물탱크에서 배수구까지 그대로 흘러가고, 출력이 0에 머무는 동안 계속 흐른다. 1970년대 컴퓨터용 칩 중에는 이런 방식이 많았다. 더 빠르지만 전력을 더 많이 썼다.

CMOS는 다르다. 스위칭하지 않을 때는 위아래 두 스위치 중 하나가 늘 꺼져 있어서 전원에서 접지까지 이어진 길이 없고, 전류가 거의 흐르지 않는다. 전력은 주로 스위칭하는 순간에 쓰인다. 수위가 낮다가 높아지면 웅덩이를 채워야 하고, 높다가 낮아지면 다시 비워야 한다. 이 웅덩이가 바로 이 배선과 다음 스위치 쌍의 게이트다. 스위칭하는 찰나에는 두 스위치가 동시에 반쯤 열려 전류가 조금 흐르기도 한다.

나머지는 완전히 잠기지 않는 스위치로 새는 전류로, 이를 누설 전류라 한다. 스위치 하나가 새는 양은 아주 적지만 칩 하나에는 스위치가 엄청나게 많아서, 모두 더하면 대기 전류가 된다(‘칩은 왜 전력을 쓸까?’ 참고).

전력을 적게 쓰기 때문에 CMOS는 1970년대에 먼저 전자시계나 계산기처럼 작은 전지로 움직이는 제품에 쓰였다. 1980년대에는 디지털 칩의 주류가 되었고, 지금까지도 거의 모든 디지털 칩이 CMOS를 쓴다.

다른 논리 게이트도 이렇게 짝지을까?

그렇다. 인버터는 가장 간단한 경우이고, 두 종류의 스위치를 직렬과 병렬로 연결하면 다른 논리 게이트를 만들 수 있다. 직렬로 연결하면 모든 스위치가 켜져야 전류가 지나가고, 병렬로 연결하면 하나만 켜져도 지나간다. CMOS에서는 접지 쪽 스위치를 직렬로 연결하면 전원 쪽은 병렬로 연결하고, 그 반대도 마찬가지다. 이렇게 하면 입력이 무엇이든 안정된 상태에서는 여전히 한쪽만 연결되어 있으므로 똑같이 전력을 적게 쓴다. 논리 게이트가 어떻게 모여 계산하는 칩이 되는지는 ‘논리 게이트란?’에서 다룬다.

두 종류의 스위치를 어떻게 한 장의 웨이퍼에 만들까?

NMOS는 p형 실리콘 위에, PMOS는 n형 실리콘 위에 만들어야 한다. 입구·출구와 그 아래 실리콘이 서로 반대 종류여야 평소에 꺼져 있기 때문이다. 그래서 칩을 만들 때는 먼저 같은 웨이퍼 위에 p형과 n형 두 가지 ‘바닥’을 만드는데, 이를 웰(well)이라 한다. 포토레지스트로 한쪽을 덮고 한 종류의 원자를 주입한 다음, 포토레지스트를 새로 입히고 다른 종류를 주입한다(주입하는 방법은 ‘이온 주입이란?’ 참고). 그 뒤 두 스위치의 입구와 출구도 따로따로 주입한다. 트랜지스터 하나를 처음부터 끝까지 어떻게 만드는지는 ‘트랜지스터 하나는 어떻게 만들어질까?’에서 다룬다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라간다. 두 종류의 스위치는 여러 곳에서 볼 수 있다.

• 챕터 1 ‘12장을 어떻게 나눌까’: 나는 개발 PIE 엔지니어로, 웨이퍼 12장을 각각 어느 코너로 만들지 정해야 한다. 스플릿 표의 SF는 N형이 느리고 P형이 빠른 경우, FS는 그 반대다. 두 종류의 스위치가 하나는 빠르고 하나는 느려서 박자가 맞지 않는다.
• 챕터 2 ‘한 공정씩’: 5일째 이온 주입 장비 앞에서 먼저 N형 웰을 주입하고, 포토레지스트를 새로 입힌 뒤 P형 웰을 주입한다.
• 챕터 10 ‘대기 전류’: 나는 후공정 공장의 테스트 엔지니어다. bin에서 가장 많은 불량은 대기 전류가 너무 높은 것이다. 상한을 엄격하게 할지 느슨하게 할지 정해서 테스트 프로그램에 써넣는다. CMOS는 동작하지 않을 때 전력을 거의 쓰지 않으니 남는 것은 누설 전류이고, 고객은 이것이 Glowmere에서 가장 중요한 숫자라고 말한다.

‘직장인의 하루’에도 나온다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘주입’을 누르면 된다. 심야 근무에는 N형 트랜지스터 양 끝의 원자를 주입하고, 오후 근무에는 P형 쪽을 주입한다.

게임 속 회사, 칩, 인물, 숫자는 모두 가상이다. CMOS가 어떻게 동작하는지, 왜 전력을 적게 쓰는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이에서 찾아볼 수 있다.