전자 제품, 반도체 관련 기사를 보다 보면 ‘나노 공정’이라는 단어를 자주 접하실 겁니다. 예를 들어 ‘어떤 기업이 O나노 공정을 처음으로 도입했다’, ‘O나노 공정 경쟁이 본격 시작됐다’, ‘O나노 공정으로 반도체 성능을 얼만큼 개선했다’ 등등 말이죠.
이를 통해 우리는 나노 공정이 무엇인지 어림짐작할 수 있습니다. 하지만 나노 공정이 무엇인지 제대로 파악하긴 어렵습니다. 나노 공정은 정확히 무엇을 의미하는 걸까요. 함께 알아봅시다.
나노 공정의 ‘나노미터’, 어느 정도 크기지?
나노 공정을 이해하기 전에 ‘나노미터(㎚)’라는 단위를 살펴볼 필요가 있습니다. 나노미터에서 나노는 난쟁이를 뜻하는 그리스어 ‘나노스(Nanos)’에서 유래했는데요. 10억분의 1미터(m) 크기를 나타내는 데 쓰입니다. 10억분의 1미터, 어느 정도 크기인지 감이 안오시죠?
비유를 해볼게요. 미세먼지와 머리카락 크기를 나타내는 단위가 있습니다. 100만분의 1미터를 뜻하는 마이크로미터(μm)인데요. 나노미터보다 1000배 큰 단위죠. 즉 1나노미터는 10마이크로미터 미세먼지의 ‘1만분의 1’, 100마이크로미터 두께인 머리카락의 ‘10만분의 1’ 크기에요.
쉽게 말해, 나노미터는 눈으로 확인하기 어려운 초미세 단위입니다. 일상에서 나노미터를 사용할 일은 없을 겁니다. 문구용 자로 잴 수 있는 최소 단위도 밀리미터잖아요. 0.1밀리미터도 잘 보이지 않는데 마이크로미터, 이보다 작은 나노미터를 육안으로 구별할 수 있을까요.
반도체 기사에서 ‘나노 공정’이 자주 등장하는 이유는?
혹시 반도체 업체 직원들이 얇고 동그란 원판을 들고 있는 모습을 본 적 있으신가요. 이를 웨이퍼(Wafer)라고 합니다. 웨이퍼는 반도체를 만들기 위해 반드시 필요한 원재료인데요. 피자로 치면 소스와 토핑을 올리기 전 반죽, 도우에 해당해요.
반도체는 웨이퍼로부터 시작해요. 웨이퍼에 전류가 흐르는 길인 회로를 새긴 다음 칩 단위인 다이(Die)로 쪼개고 후공정을 거쳐요. 여기서 나노 공정은 웨이퍼 위에 새긴 회로의 선폭을 의미합니다. 10나노는 회로의 선폭이 10나노미터라는 뜻이에요. 칩 크기를 나타내는 게 아닙니다.
회로의 선폭이 좁으면, ‘집적도’를 높일 수 있어요. 집적도란 반도체 칩을 구성하는 반도체 소자를 얼마나 많이 넣었는지를 나타내는 용어에요. 선폭을 줄이면 트랜지스터와 같은 반도체 소자를 더 많이 넣을 수 있어요. 트랜지스터는 반도체 성능과 직결된 중요한 소자인데요. 동일한 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있게 되는 겁니다.
즉 미세한 공정을 사용할수록 반도체 성능이 높아져요. 트랜지스터를 집약하면 전력 효율도 좋아집니다. 전력 효율이 높아지니 발열도 줄어들게 되고요. 그러다 보니 업체들은 좋은 반도체를 생산하기 위해 미세 공정 경쟁을 펼치게 되고, 뉴스에 자주 언급되는 겁니다.
같은 공정이면 성능도 같겠네?
선폭만으로 반도체 성능을 단정하긴 어려워요. 같은 공정으로 만들었다 하더라도, 트랜지스터 수가 다를 수 있어요. 반도체 성능에 영향을 미치는 다른 공법에서 차이가 발생할 수 있고요. 실제 같은 나노 공정으로 제작됐는데, 트랜지스터 수가 차이 나는 경우가 있어요.
나노 공정이 단순 마케팅 용어에 불과하다는 비판이 나오는 이유입니다. 일부 업체는 반도체 공정 명칭에서 나노미터를 아예 빼버리기도 했는데요. 주인공은 바로 인텔입니다. 인텔은 나노 공정 대신 인텔7, 인텔 3 그리고 옹스트롬이라는 새로운 단위를 활용한 인텔20A와 같은 용어를 쓰고 있어요.
공정이 미세할수록 기술 난이도가 올라 생산 비용이 늘어나요. 수율 관리도 어려워지고요. 그러나 투자한 만큼 성능 향상을 기대하기 어려워졌는데요. 공정이 점점 더 미세해졌기 때문이에요. 삼성전자, TSMC 등 업체는 3나노 공정을 도입했고, 2나노 공정에 대한 얘기도 나오고 있어요.
‘무어의 법칙’이라는 말이 있어요. 2년마다 집적도가 배로 증가한다는 의미인데요. 최근에는 초미세 공정만으로 무어의 법칙을 지속하기 어렵다는 우려가 나오고 있어요. 이에 대안으로 ‘칩렛(Chiplet)’ 공정이 조명받고 있어요. 칩렛은 여러 반도체 다이를 하나로 연결한 구조인데요. 기존 초미세 공정의 단점을 상쇄할 수 있을 것으로 기대되죠.
테크플러스 윤정환 기자 (tech-plus@naver.com)