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Nikkei X-TECH_2024.2.2

AI 및 양자에서 요구되는 새로운 반도체
뇌형 칩도 등장

반도체의 미세화와 재료 기술의 발전으로 컴퓨팅 능력을 높이는 신기술 개발이 가속화되고 있다. 반도체 제조와 관련해 세계 최대급 국제회의 ‘IEDM 2023’에서는 AI(인공지능)와 양자컴퓨팅에서 요구되는 반도체 기술 발표가 잇따랐다. 그 중에서 각광받았던 3가지 기술을 소개한다.

① D램을 GAA로 미세화
중국의 D램 업체인 CXMT(長鑫存儲技術)은 D램용 GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터 구조를 개발해 차세대 D램에 성공적으로 구현했다. GAA는 최첨단 반도체 프로세스에 사용되고 있으며, 차세대 컴퓨터에 불가결한 기술이다.

GAA를 채택한 양산 제품은 한국의 삼성전자가 3nm세대 반도체의 제조 프로세스에 처음으로 구현했다. 대만의 TSMC(臺灣積體電路製造)는 2025년부터 양산 예정인 2nm세대 반도체에 채택할 계획이다. 이러한 업계의 선두 주자들이 아닌 중국의 CXMT가 최첨단 GAA 기술을 D램에 적용한 사실은 세상을 깜짝 놀라게 했다.

CXMT는 메모리 셀을 고밀도화한 ‘4F2’세대(메모리 셀의 크기를 나타내는 지표)의 D램에 탑재되는 GAA 수직채널트랜지스터(VCT) 셀 어레이를 제작했다. 온/오프 비율이 우수하고, 서브스레스홀드슬로프(Subthreshold slope, 트랜지스터가 온 상태로 변화할 때의 드레인 전류가 1자릿수 증가하는데 필요한 게이트전압) 값으로 62.5mV/dec를 달성했다.

현재, 미세화나 3D화에 의한 고성능화가 검토되고 있는 D램에 GAA가 적용된다면 한층 더 대용량화 및 에너지 효율화를 기대할 수 있다.

기존의 6F2세대 D램과 비교한 시뮬레이션에서는 각종 타이밍 파라미터 값과 소비전력 측면에서 뛰어난 성능을 보였다. CXMT는 "10nm세대 이후의 차세대 D램을 응용하기 위한 이정표가 될 것"이라고 말한다. 하지만, 이번 개발은 어디까지나 기초 연구이며, 실제 생산 프로세스로의 응용은 논의되고 있지 않고 있다. 이 설계를 채택한 제품을 시장에 투입하려면 아직 오랜 시간이 걸릴 전망이다.

향후, CXMT의 GAA 트랜지스터 개발은 미∙중 갈등의 영향을 받을 가능성이 있다. 최첨단의 GAA 트랜지스터를 설계하려면, 구미 벤더들이 제공하는 EDA(전자 설계 자동화) 툴이 필요하지만, 미국은 이러한 EDA 툴의 대중 수출을 규제하고 있다.

CXMT는 이번에 사용한 EDA 툴에 대한 상세한 내용을 밝히지 않고 있으며, 향후, 계속 개발할 수 있을지 불투명한 실정이다. CXMT는 현시점에서 미국 상무부가 정한 엔티티리스트(Entity list, 미국의 무역 블랙리스트)에 올라있지는 않지만, 만약 미·중 관계가 악화되면 구미 벤더들의 EDA 툴을 사용할 수 없게 되어 연구 개발을 추진할 수 없게 되는 사태도 발생할 수 있다.

② 양자컴퓨터의 재료 개발 진화
반도체의 미세화 여지가 좁아지고 있는 가운데, 미래에는 양자기술이 컴퓨터 발전을 뒷받침할 것으로 기대되고 있다. IEDM에서는 양자컴퓨터 성능을 높이는 재료기술이 복수 소개되었다. 산업기술종합연구소 첨단반도체연구센터 연구팀은 양자컴퓨터를 구성하는 트랜지스터의 극저온 하에서의 스위칭 특성을 해명하는 연구 성과를 발표했다. 양자컴퓨터의 과제인 큐비트 및 제어회로의 노이즈를 저감하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

이번 연구에서는 1켈빈(K) 이하의 극저온 환경 하에서 반도체 계면의 전자 포획이라고 불리는 현상이 트랜지스터의 스위칭 특성을 결정하는 메커니즘을 “세계 최초로 해명했다”(산업기술종합연구소)라고 한다. 반도체 계면의 결함이 포획하는 전자의 양이며, 이것이 스위칭의 특성을 결정한다는 것이다. 산업기술종합연구소는 이 현상을 1K 이하 환경 하에서의 서브스레스홀드계수(S계수) 측정과 시뮬레이션을 통해 특정했다.

산업기술종합연구소 첨단반도체연구센터 연구팀은 향후 1~2년 안에 노이즈 저감기술을 개발할 계획이다. 특히 실리콘형 양자컴퓨터에서 큐비트의 노이즈를 줄일 수 있게 된다면, 가간섭성 시간(양자 정보의 유지 시간)을 길게 할 수 있기 때문에 계산 정밀도 개선과 대규모화로 연결시키는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 양자컴퓨터 개발을 지원하는 반도체제조장치 업체 등과 제휴해 나갈 방침이다.

이 밖에도 IEDM에서는 미국의 캘리포니아대학 샌타바버라 캠퍼스(UCSB)와 프랑스의 프랑스 원자력·대체에너지청 전자정보기술연구소(CEA-Leti), 홍콩과기대학(HKUST) 등의 연구 기관들이 양자컴퓨터용 재료 개발과 설계기술 사례 등을 소개했다. 반도체 재료에 대한 지식을 응용함으로써, 계산 에러의 원인이 되는 노이즈의 감소와 고정밀도의 시뮬레이션이 가능해져 양자컴퓨터의 조기 실용화에 도움이 될 전망이다.

③ 반도체 기술로 뉴로모픽 개발
최근 반도체의 미세화가 주춤하고 있는 가운데, 컴퓨팅의 성능을 높이는 기술개발이 추진되고 있다. 여기서 주목 받고 있는 것이 사람의 뇌를 모방한 ‘뉴로모픽컴퓨팅(Neuromorphic computing)’이다.

이탈리아의 피사대학(University of Pisa)은 실리콘 CMOS(상보형 금속 산화 반도체) 프로세스와 2D 재료기술을 아날로그 뉴로모픽 회로 제조에 응용하는 연구를 소개했다.피사대학이 시작(試作)한 디바이스는 뛰어난 계산 정밀도를 보유, 미래에는 기계학습 전용 칩으로 이용할 수 있을 것으로 기대한다고 한다.

뉴로모픽컴퓨팅은 기계학습 추론 등을 고속·저소비전력으로 처리할 수 있다는 특징이 있다. 일반적인 컴퓨터는 메모리 회로와 연산 회로 간에 데이터를 주고받지만, 미세화의 한계, 회로의 발열과 같은 과제에 직면해 있어 칩의 근본적인 변혁이 검토되고 있다. 뉴로모픽컴퓨팅이 이러한 문제를 해결하는 유효한 방법이 될 수 있을 전망이다.

[키워드]
GAA(Gate-All-Around): 전류가 흐르는 채널의 주위 전체를 게이트로 둘러싸서 채널의 조정 능력을 높인 트랜지스터의 구조. 채널 주위를 게이트로 둘러쌈으로써 누설 전류를 억제할 수 있어, 3nm세대 이후의 첨단 반도체에서 채택되고 있다. 가늘고 긴 시트 형태의 채널을 쌓아 올린 듯한 ‘나노시트(Nanosheet)’와 가는 튜브 형태의 채널을 세로로 나열한 ‘나노와이어(Nanowire)’ 등의 구조가 있다.

현재의 반도체는 물고기의 지느러미를 세운 것 같은 ‘FinFET’이라고 부르는 트랜지스터 구조가 주류이지만, 채널 주위 전체를 둘러싸고 있지 않기 때문에 누설 전류가 발생하는 문제가 있었다.

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