반도체가 한계에 도달했다면,
문명의 미래가 있을까?

반도체의 미래를 묻는다는 것은 단순히 주식시장 기술주 전망을 예측하는 것을 넘어선다. 반도체의 미래는 당장 벌어지고 있는 미·중 패권 경쟁의 본질을 이해하는 핵심 키워드이며, 거시적으로는 인류문명의 미래를 묻는 근본적 질문이기도 하다.
지난 50여 년 동안 세상을 지배해 온 단 하나의 법칙이 있다면 ‘무어의 법칙(Moore’s Law)’을 손꼽을 수 있다. 1960년대 이후 숱한 체제나 조약이 무너지거나 파기됐지만, 반도체 집적회로의 성능이 24개월마다 2배로 증가한다는 ‘무어의 법칙’은 본질적인 측면에서 변하지 않고 꾸준하게 세상을 바꿔왔다.

1960년대 초반, 방 하나를 가득 채웠던 초대형 메인프레임 컴퓨터는 이제 누구나가 가진 손바닥 위 스마트폰의 성능에도 못 미친다. 사물 인터넷(IoT)이 다가온 시대에 반도체를 탑재한 컴퓨팅 기기의 개수는 전 세계 인구수를 능가할 만큼 폭발적으로 늘었다. 곧 세상에는 1천억 개가 넘는, 20년 안에 1조 개에 달하는 컴퓨팅 기기가 인간의 개입 없이 자율적으로 상호작용하며 정보를 교환하는 시대가 온다. 그런데…
지금까지 세상을 바꿔온 ‘무어의 법칙’이 한계에 도달했다면? 컴퓨터와 스마트폰의 성능 향상이 여기서 멈춘다면, 어떤 미래를 꿈꿀 수 있을까.

2018년 고(故) 최종현 SK 선대 회장의 20주기를 맞아 출범한 최종현학술원의 과학혁신 국제 심포지엄은, 핵심 테크놀로지 분야의 세계적 석학들이 최신 연구 동향을 소개하고 미래 전망을 토론하는 자리다. 코로나 시국 중에도 지난 2년에 걸쳐 반도체의 미래를 논한 강연과 토론이 한 권의 책으로 묶여 나왔다.

반도체의 미래도
‘탄소 발자국’에 달렸다

일반인들도 세계 최초로 몇 나노미터 공정의 반도체 양산기술에 성공했다는 소식을 종종 기사로 접한다. 그러나 반도체 집적기술이 고도화되는 것만으로 새로운 미래를 열 수 있을까? 앞으로는 전 세계 인구수를 훌쩍 뛰어넘는 1천억 개, 1조 개의 컴퓨팅 기기를 움직여야 하기 때문에 반도체 기술에서도 에너지 문제는 핵심적이다.

최근 연구에 따르면 인공지능 모델 하나를 단지 훈련만 시키는 단계에서도, 자동차 여섯 대를 1년 동안 운행하는 만큼의 탄소가 배출된다고 한다. AI라는 첨단 기술의 혜택을 누리려면, 엄청난 전기 소모를 감당할 수 있어야 한다는 말이다. 그래서 반도체의 미래도 탄소 발자국(carbon footprint)을 최소화하지 않으면 이젠 더 이상 한 발자국도 나아가기 힘들어졌다.
환경문제는 생태적·윤리적 문제일 뿐 아니라 과학기술 발전을 통해 삶의 질을 높여 나가는 것과 직결된 문제라는 점을, 이 책의 반도체 과학자들은 그야말로 ‘과학적’으로 풀이해 준다. 현재 주류 반도체 기술에는 성능 향상과 에너지 효율 사이에 ‘근본적인 상충’이 존재하기 때문이다.

이러한 근본적 상충을 해결하기 위한 반도체 학계의 최신 연구에는 어떤 것들이 있을까. 흥미로운 점은 21세기 반도체 공학이 직면한 ‘한계’를 20세기 초반의 기계식 스위치 기술을 첨단화해 해결할 수 있다는 발상 등, 옛것에서 배우는 과학자들의 되레 인문학적인 상상력이다. 또한 기술의 한계는 결국 인간이 만든 조직구조의 한계일 수 있다는 점 등 과학을 넘어선 다양한 영역에서 시사점을 얻을 수 있다.

인간을 위한 공학,
사회적으로 깨어있는 공학자를 위하여

앞서 말한 ‘무어의 법칙’은 인텔의 공동설립자 고든 무어(Gordon Moore)가 1965년에 발표한 논문에서 비롯된 반도체 성능 향상의 법칙이다. 이 법칙에 따라 지난 50년 이상 반도체 업계의 국제적 분업구조가 효율적으로 구축돼 왔다. 그런데 이젠 ‘무어의 법칙’이 정말로 한계에 도달한 것이 아니냐는 의구심이 커지고 있는 상황에서, 인텔이 다시 반도체 파운드리 사업에 뛰어든다는 선언 자체가 대단히 상징적이다.

책은 과학이 산업계를 넘어 국제정치에까지 어떻게 영향력을 미치게 됐는지 조망해볼 수 있는 계기를 제공한다. 반도체 기술발전이 봉착한 한계를 뚫을 수 있는 돌파구로서, 저자들이 강조하는 것은 ‘분업’을 넘어선 ‘협업’이다. 공과대학의 전통적 커리큘럼이 가진 한계도 논한다. 미래를 위해 더없이 상상력이 필요한 시기에, 분과별로 세분화된 기술을 넘어 학제적·협업적 집단지성이 필요하다는 점이 강조된다.

사물 인터넷, AI 시대가 다가오는 지금, 반도체를 설계한다는 것은 ‘미래’를 설계하는 것에 가깝다. 그 미래는, 공학자들이나 산업계의 것만이 아닌 모든 인간을 위한 것이니만큼 ‘사회적으로 깨어있는 공학자들’을 위한 호소도 이 책에서 읽을 수 있다.

축사 (최종현학술원 이사장·SK회장 최태원) 발간사 (최종현학술원장 박인국) 1. ‘무어의 법칙’ 한계를 넘는 새로운 컴퓨팅 패러다임 (수재 킹류) ‘무어의 법칙’ 반도체 업계의 경제법칙 1천억 개의 컴퓨팅 기기를 감당할 ‘에너지 효율’ 반도체 시스템 설계의 분업 구조 트랜지스터의 스위치 성능과 에너지 효율 사이의 ‘근본적 상충’ 시모스(CMOS) 반도체 기술이란 무엇인가? 3D 기술: 핀펫(FinFET)과 낸드 플래시 메모리 근본적 에너지 효율의 한계를 넘어서 스위칭 소자의 역발상: 나노전자기계 스위치 새로운 반도체 인코딩: 진동 신호 새로운 패러다임: 분업 구조를 넘어선 혁신적 공동설계 2. 초박막 강유전체 활용 소자: 에너지 효율을 향하여 (사이프 살라후딘) 강유전체, 가까이 하기엔 너무 두꺼운… 초박막 강유전체 신소재를 찾아서 강유전체 응용 분야 1) 터널 접합 메모리 2) 네거티브 커패시턴스 트랜지스터 3) 1.8nm 박막으로 구현한 NCFET 4) FEFET 메모리 강유전체 두께, 이젠 아무런 ‘근본적 장애물’이 없다 3. 미세화 한계를 넘어서: 3D 집적기술 (최창환) 반도체 미세화의 한계 3D 집적: 반도체의 ‘마천루’로 미세화 한계를 넘다 모놀리식 3D(M3D) 집적: 또 다른 유형의 3D 집적기술 M3D 집적을 적용한 3D 뉴로모픽 시스템 미래의 반도체는 3D 집적기술과 함께 4. 자동화 기술을 적용한 차세대 반도체 설계 기법 (한재덕) 무어의 법칙의 한계와 극복: 협업적 기술 혁신 새로운 한계선, 설계 복잡성과 고비용 반도체 혁신을 지속하기 위한 ‘설계 자동화’ 생성기 기반 설계의 선결 조건 레이아웃 생성기: 템플릿 및 그리드 기반 접근법 생성기 기반 설계의 적용 사례 1) 고속 유선 송수신기 2) 아날로그-디지털 변환기(ADC) 3) 디램(DRAM) 표준 셀 ‘무한한 가능성’을 생성하는 생성기 기반 자동 설계 5. 생활환경지능 시대를 위한 차세대 반도체 기술 (수재 킹류) 생활환경지능 시대를 준비하며 미래 사회를 여는 버클리첨단기술연구소 BETR센터의 연구분야 1) 저전압 스위치 2) 광소자 기술 3) 유연 전자소자 4) 내장형 비휘발성 메모리 5) 시스템 집적 6) AI를 위한 하드웨어 가속기 트랜지스터 미세화(scaling)의 한계? 아직 넓은 ‘혁신의 공간’ 6. 종합토론: 인간을 위한 공학, 사회적으로 깨어있는 공학자를 위하여 용어해설집 참고문헌