AI 하드웨어를 이해하는 데 가장 기본적인 단위, 반도체

AI에 대해 알아가면서 GPU가 왜 AI에 특화 되어 있는지, 그리고 반도체 기술의 진화가 AI와 어떻게 연결되어 있는지 궁금해지기 시작했습니다. 이번 글을 통해 AI 하드웨어를 이해하는데 가장 기본적인 단위인 반도체가 어떤것인지 알아가는 시간을 갖고자 합니다. 

반도체는 전자산업의 핵심이자, 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, 인공지능 시스템에 이르기까지 모든 첨단 기기에 빠질 수 없는 부품이 되었습니다. 반도체라는 이름은 전기가 잘 통하지도 않고 그렇다고 완전히 절연체도 아닌 특수한 성질에서 비롯되었습니다. 즉 전기를 흘릴 수도, 차단할 수도 있어서 필요에 따라 스위치처럼 제어가 가능한 소재입니다. 이 특성 덕분에 반도체는 데이터를 저장하고 연산하며 제어하는 모든 디지털 장치의 심장 역할을 합니다.

반도체 칩은 단순한 작은 판이 아니라 실리콘을 얇게 자른 원판인 실리콘 웨이퍼 위에 수십억 개의 미세한 전자 소자 (소자: 반도체 칩을 이루는 작은 블록이나 벽돌 같은 단위)가 집적되어 만들어집니다. 소자는 트랜지스터, 다이오드, 캐패시터와 같은 전자 부품을 의미합니다.

이 소자들이 정교하게 배치되고 연결되어 하나의 회로를 이루며, 회로들이 모여 특정한 구조(아키텍처)를 형성합니다. 반도체를 생성하는 전체 과정은 크게 설계(Design) → 제조(Fabrication) → 패키징(Packaging) 세 단계로 나눌 수 있습니다.

 

반도체

반도체가 만들어지는 과정

설계

반도체의 시작은 설계입니다. 설계 단계에서는 어떤 기능을 수행할지 정하고 이를 회로로 표현합니다. 설계 과정은 보통 EDA(Electronic Design Automation) 소프트웨어를 활용해 진행됩니다.

• 회로(Circuit): 전류가 흐르는 경로를 의미하며 트랜지스터와 다이오드, 캐패시터 같은 소자가 배치됩니다.
• 아키텍처(Architecture): 이러한 회로가 어떤 구조로 배치되고 동작할지를 정의하는 큰 틀입니다. CPU라면 명령어 집합 아키텍처(ISA), GPU라면 병렬 연산 아키텍처 등이 이에 해당합니다.

예를 들어, 스마트폰의 애플리케이션 프로세서를 설계할 때는 데이터 처리 속도, 전력 효율, 그래픽 성능 등을 고려해 아키텍처를 설계하고 그에 맞춰 회로를 배치합니다.

또한 설계 과정에서 가장 많이 쓰이는 기본 단위가 바로 트랜지스터입니다. 트랜지스터는 전류의 흐름을 제어하는 스위치 역할을 하며, 현대 반도체 칩에는 수십억 개의 트랜지스터가 집적됩니다. 이외에도 다이오드(전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 소자), 캐패시터(전기를 저장했다가 방출하는 소자) 등이 함께 회로를 구성합니다.

제조

설계가 끝나면 이제 실제 칩을 만드는 제조 단계가 시작됩니다. 이 과정은 실리콘 웨이퍼 위에 나노 단위의 회로를 새기는 작업으로, 수백 번의 반복 공정을 거칩니다.

1. 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 준비
   반도체의 출발점은 규소(실리콘) 덩어리를 얇게 잘라낸 원판, 즉 실리콘 웨이퍼입니다. 이 웨이퍼는 반도체 소자가 형성되는 캔버스 역할을 합니다.
2. 포토리소그래피(Photolithography)
   빛을 이용해 회로 패턴을 웨이퍼 위에 새기는 과정입니다. 쉽게 말해, 빛으로 회로를 인쇄하는 기술입니다.
3. 증착(Deposition)
   웨이퍼 위에 얇은 막을 입히는 과정입니다. 절연층, 도전층, 금속 배선 등을 형성하기 위해 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD) 등의 방법이 사용됩니다. 이는 마치 유리 위에 얇은 코팅을 입히는 것과 비슷합니다.
4. 식각(Etching)
   필요 없는 부분을 화학적으로 녹이거나 물리적으로 깎아내어 원하는 회로만 남기는 과정입니다. 포토리소그래피로 패턴을 새긴 후, 불필요한 부분을 제거해 실제 회로가 드러나도록 합니다.

이 과정들이 수백 번 반복되면서 트랜지스터와 다양한 소자가 실리콘 웨이퍼 위에 정밀하게 쌓여 나갑니다. 나노미터 단위의 미세 공정이 적용되며 이 작은 차이가 반도체 성능을 좌우합니다.

패키징

제조가 끝난 반도체는 그대로 사용할 수 없습니다. 크기가 너무 작고, 외부와 신호를 주고받기 위해 보호와 연결 장치가 필요합니다. 이 단계를 패키징이라 부릅니다. 패키징 과정에서는 다음과 같은 작업이 이루어집니다.

• 웨이퍼를 잘라 개별 칩(Die)으로 분리
• 외부 전자기기와 연결할 수 있도록 전극을 배치
• 충격과 열로부터 칩을 보호하기 위해 케이스 형태로 봉인

최근에는 성능 향상을 위해 여러 칩을 하나로 묶는 패키징 기술(예: HBM 메모리 적층)이 활발히 연구되고 있습니다. 이 과정은 반도체가 실제 제품에 탑재될 수 있도록 하는 최종 관문입니다.

[전문용어 다시 정리]

• 실리콘 웨이퍼: 실리콘을 얇게 자른 원판으로, 반도체 칩의 기본 기판.
• 트랜지스터(Transistor): 전류의 흐름을 제어하는 스위치 역할을 하는 소자(소자는 회로를 구성하는 기본 단위 전자 부품을 의미). 반도체 칩의 기본 단위로, 연산과 제어를 담당합니다.
• 다이오드(Diode): 전류가 한쪽 방향으로만 흐르도록 제어하는 소자. 전기 회로의 안전성과 신호 흐름을 보장합니다.
• 캐패시터(Capacitor): 전기를 저장했다가 방출하는 장치. DRAM 같은 메모리 반도체에서는 데이터를 저장하는 핵심 역할을 합니다.
• 포토리소그래피(Photolithography): 빛을 이용해 회로 패턴을 웨이퍼 위에 새기는 과정. 일종의 ‘빛으로 하는 인쇄술’입니다.
• 증착(Deposition): 웨이퍼 표면에 얇은 막을 입히는 과정. 절연층이나 금속 배선을 형성할 때 사용됩니다.
• 식각(Etching): 불필요한 부분을 화학적·물리적으로 깎아내어 원하는 회로 패턴만 남기는 과정입니다.

 

반도체는 단순한 전자 부품이 아니라, 설계·제조·패키징이라는 정교한 과정을 거쳐 완성되는 첨단 기술의 집약체입니다. 

설계 단계에서는 회로와 아키텍처가 정의되고, 제조 단계에서는 실리콘 웨이퍼 위에 포토리소그래피, 증착, 식각 같은 공정이 수백 번 반복되며 나노 단위의 회로가 만들어집니다. 마지막으로 패키징 단계를 통해 보호와 연결 기능을 갖추며 우리가 사용하는 스마트폰, 컴퓨터, 자동차 등에 탑재됩니다.