반도체란 무엇인가? 스마트폰 속 작은 칩이 세상을 바꾸는 원리

1947년 미국 벨 연구소에서 세 명의 과학자가 트랜지스터를 발명했을 때, 그것이 인류 문명을 송두리째 바꿀 기술이 되리라고 예상한 사람은 거의 없었습니다. 당시 손바닥만 했던 트랜지스터는 이제 머리카락 굵기의 수천 분의 1 크기로 축소되어, 스마트폰 하나에 수십억 개가 들어갑니다. 오늘날 모든 전자기기의 핵심에 반도체가 있습니다.

반도체는 도체와 부도체의 중간 물질입니다

물질은 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체로 나뉘는데, 반도체는 그 중간에 위치합니다. 순수한 상태에서는 전기가 거의 통하지 않지만, 특정 불순물을 첨가하거나 빛, 열, 전압 같은 외부 자극을 가하면 전기가 통하게 됩니다. 이 성질을 이용하면 전류의 흐름을 원하는 대로 제어할 수 있습니다. 실리콘이 반도체 소재로 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에 풍부하게 존재하면서도 불순물 첨가를 통한 전기적 성질 조절이 용이하기 때문입니다.

메모리 반도체와 시스템 반도체의 차이

반도체는 크게 데이터를 저장하는 메모리 반도체와 데이터를 처리하는 시스템 반도체로 나뉩니다. 메모리 반도체의 대표적인 예가 DRAM과 NAND 플래시입니다. DRAM은 컴퓨터가 작동하는 동안 데이터를 임시 저장하는 역할을 하며, NAND 플래시는 전원이 꺼져도 데이터가 유지되어 SSD나 USB 메모리에 사용됩니다. 시스템 반도체는 CPU, GPU, AP 등 연산과 제어를 담당하는 칩으로, 스마트폰의 두뇌 역할을 합니다. 한국은 메모리 반도체 분야에서 세계 1위를 차지하고 있으며, 시스템 반도체 분야의 경쟁력 강화가 산업 전략의 핵심 과제로 떠오르고 있습니다.

일상 속 반도체는 어디에 있는가

반도체는 스마트폰, 컴퓨터뿐 아니라 자동차, 냉장고, 세탁기, 에어컨 등 거의 모든 전자 제품에 들어갑니다. 최신 자동차 한 대에는 평균 2,000개 이상의 반도체가 탑재되어 있으며, 자율주행 기술이 발전할수록 이 숫자는 더욱 늘어나고 있습니다. 2020년에서 2021년 사이 전 세계적으로 반도체 공급 부족 사태가 발생했을 때, 자동차 생산이 중단되고 게임기를 구하기 어려워진 것은 반도체가 현대 산업의 근간이라는 사실을 단적으로 보여준 사례였습니다.

반도체 기술은 어디까지 발전하고 있는가

반도체 회로의 미세화 기술은 현재 3나노미터 공정까지 상용화된 상태입니다. 나노미터는 10억 분의 1미터로, 머리카락 굵기의 약 2만 분의 1에 해당합니다. 회로가 미세해질수록 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있어 성능이 향상되고 전력 소비는 줄어듭니다. 인공지능과 양자 컴퓨팅 시대를 맞아 차세대 반도체 소재와 설계 기술에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

다음에는 반도체가 인공지능과 만나 어떤 변화를 만들어내고 있는지, AI 반도체의 세계를 더 자세히 알려드리겠습니다.