소자 미세화, RC Delay와 Dennard 법칙

 

 소자가 미세화된다면 동일한 면적 안에 더 많은 소자를 넣을 수 있어 동일 면적으로 더 많은 DATA를 저장하는 메모리를 만들 수 있을 것이고, 동일 DATA를 저장할 수 있는 다이 사이즈가 작아지기 때문에 한 장의 Wafer로 더 많은 다이를 생산할 수 있을 것입니다.

 

 

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소자 미세화가 필요한 이유

 소자 미세화가 필요한 이유는 무엇일까? 단순히 생각해 봐도 소자가 미세화된다면 동일한 면적 안에 더 많은 소자를 넣을 수 있어 동일 면적으로 더 많은 DATA를 저장하는 메모리를 만들 수 있을 것이고, 아니면 동일 DATA를 저장할 수 있는 다이 사이즈가 작아지기 때문에 한 장의 Wafer로 더 많은 다이를 생산할 수 있을 것입니다.

 

 기능적인 면으로 보면 같은 사이즈의 다이안에 단위 소자의 개수가 늘어가면서 칩의 기능이 늘어나게 되고 성능이 더 좋은 칩을 만들 수 있게 되는 것입니다.

 

 그렇기 때문에 소자 미세화를 지속해서 진행해서 비용을 줄이고 성능을 좋게 만들기 위한 연구 개발이 끊임없이 진행되는 것입니다. 이런 추세에 대해 말한 사람이 다른 포스팅에서도 이야기했던 '무어의 법칙'을 예견한 무어입니다.

 

 소자 미세화가 필요한 이유는 또 있습니다.

 

 바로 소자를 미세하게 만들면, 즉 트랜지스터를 작게 만들면 트랜지스터를 크게 만든 것에 비해 소자의 성능이 좋아지게 됩니다.

 

 여기서 트랜지스터의 성능이란 우리가 트랜지스터를 동작시키기 위해 게이트에 전압을 주었을 때 얼마나 빨리 트랜지스터가 켜지는가를 보는 것입니다.

 

 트랜지스터가 빨리 켜지면 채널이 빨리 형성되면서 전류가 빠르게 흐르는 것이지요. 채널이 켜져서 전류가 흐르는 때까지의 시간이 짧다는 것은 무언가 연산할 때 빨리 진행될 수 있고 성능이 좋은 소자라고 할 수 있는 것입니다.

 

 만약 게이트로 입력이 들어왔는데 채널이 켜지는 시간이 오래 걸리게 되면 그만큼 전류가 늦게 흐르게 되고, 전류가 흐르는 때까지 기다려야 하므로 같은 시간에 처리할 수 있는 양이 적게 됩니다.

 

 그러면 성능이 나쁜 소자가 되는 것입니다.

소자 미세화

RC Delay

 이렇게 채널이 켜지는 속도는 RC Delay라는 요소로 결정이 되게 됩니다. 이는 전류가 지나가는 통로의 저항과 정전용량(Capacitance)의 곱으로 결정되게 됩니다.

 

 비유해서 설명하자면 수도 배관에 물이 흐르는 것에 비유할 수 있습니다. 긴 호스가 연결된 수도 밸브를 열었을 때 상대편 호스 끝에서 물이 도달하여 나오는 데까지 걸리는 시간이 있는데, 이 중간마다 물을 저장하는 저장소(기생 정전 용량)가 있어서 이 저장소를 모두 채워야만 물이 호스 끝에 도달할 수 있는 것입니다.

 

 물을 빨리 도달하게 하려면 어떻게 해야 할까요? 호스에 흘리는 물의 양을 늘리는 방법이 있을 것이고, 호스 중간중간 위치한 저장소의 용량을 작게 만들어야 할 것입니다.

 

 앞에서 예를 들었던 물의 양을 늘리는 방법은 지름이 큰 호스를 이용하는 것입니다.

 

 옴의 법칙에서 전류의 양은 I=V/R로 표현하고 있고, 호스의 직경은 1/R을 상징합니다.

 

  R을 줄이는 것이 전류의 양을 늘리는 가장 좋은 방법이 됩니다. 저항 R=pL/A로 A는 전류가 흐르는 채널의 단면적, L은 채널의 길이, p는 비저항입니다. R을 줄이는 가장 좋은 방법은 전류가 흘러야 하는 길이를 짧게 만드는 것이 됩니다.

 

 그렇기 때문에 트랜지스터를 작게 만들어 채널의 길이를 줄일 수 있다면 저항이 줄어들기 때문에 전류가 더 많이 흐르게 되는 것이고 소자의 Delay가 줄어들게 되는 것입니다.

 

 소자를 작게 만들면 Delay가 줄기 때문에 소자가 클 때보다 빠르게 동작하는 성능 좋은 소자가 되는 것입니다.

Dennard 법칙

 IBM 연구원이었던 Robert Dennard는 1975년 소자 미세화의 이점을 수식으로 정리하였습니다.

 

 소자의 크기와 전압을 1/2로 줄이면 소자의 Delay도 1/2로 줄어들게 되고, 사용하는 전력은 1/4로 줄어는 다는 것이었습니다.

 

 또한 소자가 작아지게 되면 같은 면적에 더 많은 소자를 넣을 수 있기 때문에 같은 면적에 더 많은 소자를 사용하면서도 같은 양의 전력을 사용할 수 있게 됩니다. 이 법칙을 Dennard의 법칙이라고 부릅니다.

 

 무어의 법칙을 만족하기 위해서 소자를 미세화하고, 소자를 미세화하면 동일한 면적에 더 많은 소자를 집적할 수 있게 되고, 소자 미세화에 따른 성능의 향상과 전력 효율화를 가져올 수 있게 되는 것입니다.

 

 그렇기 때문에 소비자는 성능이 좋은 칩이 나오기 때문에 좋아지고, 생산자는 계속 성능이 좋은 칩을 개발하고 판매할 수 있기 때문에 기업이 이윤을 내고 성장할 수 있게 되는 것입니다.

 

 그래서 이런 소자 미세화를 이용한 집적이 반도체 산업 안에서 지속될 수밖에 없는 것입니다. 소자 미세화를 통해 현재 우리가 가장 와닿게 사용하는 전자제품은 바로 스마트폰일 것입니다.

 

 과거에는 지금과 동일한 성능을 낼 수 있는 제품을 만들기 위해서는 부피가 크고 전력의 소모도 많아야 해서 휴대할 수 있도록 만들지 못했을 텐데, 소자 기술의 발달로 미세화가 진행되면서 배터리 전력만으로도 좋은 성능을 낼 수 있고, 가지고 다닐 수 있는 크기로 기기를 만들 수 있게 된 것입니다.

 

 스마트폰처럼 기존에 존재하지 않았던 새로운 제품의 출현은 전자 산업의 시장을 더욱 크게 만들게 됩니다.

 

 새로운 제품의 출현과 시장의 확대로 선순환하면서 다시 기술의 발전을 하는 것이 바로 반도체 소자 산업의 특징입니다.

 

 더욱 빠른 소자를 만들게 되면 거기에 맞춘 새로운 제품군이 나오게 되고, 시장이 확대되기 때문에 반도체 소자에서는 소자를 빠르게 만들기 위한 목표를 가지고 노력하게 되는 것입니다.

 

 그리고 지금까지 이야기한 것처럼 직접 소자가 나온 이후 지금까지 소자를 빠르게 만들어 준 것은 소자 미세화를 통해 이루어져 왔습니다.

 

 그렇기 때문에 소자 미세화를 통한 무어의 법칙을 유지하는 것은 전 산업 공동의 목표이며, 다음 소자 미세화의 목표를 설정하고 또다시 공동의 노력을 하게 되는 것입니다.

 

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