원자를 설계하다 | 반도체의 미래, AI의 미래

AI가 가져올 성장 잠재력과 함께 데이터센터 전력 급증이라는 과제가 제시됩니다. 제본스의 역설과 무어의 법칙 한계를 출발점으로, 트랜지스터가 FinFET과 GAA로 진화한 과정과 원자 단위 재료공학이 반도체와 메모리 성능을 좌우하게 된 배경을 설명합니다. 마지막으로 에너지 문제는 발전, 반도체, 재료공학이 함께 풀어야 한다는 메시지로 정리됩니다.

⏱ 00:00AI가 10년간 글로벌 GDP를 최대 15%포인트 끌어올릴 수 있다는 전망이 소개됩니다. 생산성 향상으로 생활 수준 하락을 막고 소득 분배를 개선할 수 있다는 기대와 함께, 그 이면의 과제로 전력 소비가 제시됩니다.

미국 데이터센터 전력 소비는 2014년 58테라와트시에서 2023년 176테라와트시로 10년 만에 세 배가 되었고, 2028년에는 최대 580테라와트시까지 늘어날 수 있다고 합니다. 이는 대한민국 전체가 1년간 쓰는 전력과 맞먹는 규모입니다. 화석 연료 발전을 늘리기도 어려워 전력 문제는 기후 문제와 직결되며, 보고서는 기후 위험이 세계 경제를 7% 가까이 줄일 수 있다고 경고합니다.

⏱ 01:27경제학자 윌리엄 제본스는 1865년 증기기관의 효율이 좋아지면 석탄 소비가 줄 것이라는 통념과 달리, 오히려 소비가 늘어난다고 주장했습니다. 효율이 높아져 사용 비용이 낮아지면 더 널리 쓰이게 되기 때문이며, 이를 제본스의 역설이라 부릅니다.

반도체도 이 역설에서 완전히 자유롭지 않지만, 칩 안에 트랜지스터를 더 작고 많이 넣어 성능과 전력 효율을 함께 높여 왔습니다. 인텔 공동 창립자 고든 무어가 제시한 무어의 법칙은 50년 넘게 맞아떨어졌지만, 이제 한계에 부딪혔다고 설명됩니다.

⏱ 02:17트랜지스터는 본질적으로 전기 스위치입니다. 전자는 채널이라는 좁은 통로를 따라 이동하고, 게이트가 전기장으로 이 통로를 열고 닫아 흐름을 조절합니다. 집적도를 두 배로 높이려면 가로세로 길이를 약 30% 줄이면 되지만, 채널이 짧아지면 드레인의 전기장이 소스에 영향을 주어 게이트의 제어력이 약해지고 전자가 새어나갑니다.

이를 해결하기 위해 채널을 얇은 지느러미(핀) 모양으로 세워 게이트가 세 면에서 감싸는 FinFET 구조가 등장했습니다. 다만 FinFET은 아랫부분이 여전히 게이트 통제에서 벗어나므로, 채널을 얇은 나노시트로 여러 장 쌓아 네 면을 감싸는 GAA 구조로 발전했습니다. GAA는 FinFET보다 에너지 효율이 최대 30% 높아질 수 있다고 알려져 있습니다.

⏱ 05:16GAA 나노시트의 두께는 수 나노미터에 불과해 실리콘 원자 대여섯 개에서 열 개 정도를 쌓은 수준입니다. 이런 규모에서는 원자 몇 개 높이의 요철만 있어도 전자가 속도를 잃어 효율이 떨어지므로, 원자 단위로 표면을 다듬는 재료공학이 전력 효율을 좌우합니다.

메모리도 마찬가지입니다. DRAM 셀은 전자를 담는 커패시터와 이를 여닫는 트랜지스터로 이루어지는데, 미세화로 커패시터를 너비의 100배 가까이 깊이 파야 해서 가공과 누설 방지가 어려워졌습니다. 그래서 트랜지스터를 수직으로 세워 커패시터와 포개는 구조로 바뀌고 있으며, 이때 셀 면적은 3분의 2로 줄어듭니다. 대신 수십억 개의 가는 실리콘 기둥을 균일하게 깎고 절연막을 빈틈없이 입혀야 합니다.

⏱ 06:48다음 단계로는 셀을 눕혀 층층이 쌓는 3D DRAM 구조가 거론됩니다. 층 전체를 깊이 뚫고, 옆으로 정밀하게 파내고, 그 안을 원자 수준으로 채우는 공정이 모두 필요하므로 메모리의 미래 역시 원자를 얼마나 정밀하게 다루느냐에 달려 있습니다.

GAA 트랜지스터와 3D DRAM 같은 고성능, 에너지 효율 반도체는 원자 단위로 재료를 쌓고, 선택적으로 깎고, 변형하는 재료공학으로 만들어집니다. 얇은 핀 형성, 깨끗한 표면 생성, 누설을 막는 절연막 증착, 원자 단위 적층이 모두 재료공학의 혁신을 전제로 합니다.

⏱ 07:44이러한 공정 기술의 중심에 어플라이드 머티어리얼즈가 있다고 영상은 소개합니다. 이 회사는 1967년 실리콘밸리에서 화학 공급 벤처로 출발해, 현재 전 세계 거의 모든 첨단 반도체와 디스플레이의 기반이 되는 재료공학 솔루션 분야의 글로벌 리더로 자리 잡았다고 설명됩니다. 재료를 쌓고 깎고 다듬는 공정들이 이 회사의 영역에 속합니다.

영상에 따르면 이 회사의 솔루션은 AI 기술 발전을 뒷받침하고 차세대 반도체의 상용화를 앞당기는 데 필수적인 역할을 합니다.

⏱ 08:27AI 시대의 에너지 문제에 대한 답은 한 곳에만 있지 않습니다. 전력을 더 깨끗하게 생산하고, 그 전력을 가장 효율적으로 쓰는 반도체를 만들고, 그 반도체를 만드는 재료공학이 함께 나아가야 해결할 수 있습니다.

전력 위기를 풀지 못하면 AI는 소수만의 도구에 머물 수 있지만, 함께 해결한다면 더 많은 사람이 더 적은 비용으로 혜택을 누리는 기술이 될 것이라는 메시지로 영상은 마무리됩니다.