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‘무어의 법칙’ 50주년, 반도체 공정 발전사

2015.01.16

인텔이 최근 5세대 코어 프로세서를 내놓았다. 하지만 시장 분위기는 썰렁한 것 같다. 특히 14nm(나노미터)로 바뀐 공정 기술은 전력 소비량과 성능에 직접적인 영향을 끼치지만 인텔도, 시장도 반도체 기술 자체보다는 새 프로세서로 ‘뭘 할 수 있을지’에 대한 관심이 더 큰 것 같다.

올해는 ‘무어의 법칙’이 50주년을 맞는 해다. 펜티엄이 20주년을 맞았다고 발자취를 되짚었던 게 불과 1년 전인데, 인텔로 대변되는 마이크로프로세서의 역사는 더 길고 파란만장하다. 인텔의 성장은 반도체 집적 기술의 역사와 함께했다. 14nm 공정을 모두가 당연하게 여기고 있지만, 그 동안 마이크로프로세서의 역사를 되짚어보면 14nm는 그렇게 우습게 볼 기술은 아니다. 지금부터 할 이야기는 꽤 길다. 그만큼 마이크로프로세서의 역사는 길었다. 하지만 발전의 패턴은 최근에 급격해졌을 뿐 비슷했다. 공정과 아키텍처다.

트랜지스터 개수가 곧 성능

반도체 기술의 발전은 크게 둘로 나눠 볼 수 있다. 공정을 미세화하는 것, 그리고 아키텍처라고 부르는 반도체의 설계를 개선하는 것이 있다. 대부분의 반도체 업계가 두 가지를 동시에 진행한다. 인텔도 그랬다. 숨가쁘게 마이크로프로세서를 찍어내던 1990년대에는 공정도, 아키텍처도 개선할 여지가 많았다.

인텔은 18개월마다 마이크로 프로세서에 들어가는 트랜지스터 밀도를 2배로 늘린다는 무어의 법칙을 이어 왔다. 무어의 법칙은 자연현상에 대한 법칙이 아니다. 인텔의 기술력이 이 속도로 향상되다보니 법칙처럼 어김없이 집적도가 늘어났다.

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반도체의 미세화 공정은 반도체 회로를 얼마나 얇은 회로로 만들 수 있느냐에 달려 있다. 전자가 오가는 회로를 얇게 만들면 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 심을 수 있다. 반대로 같은 수의 트랜지스터를 더 작게 만들 수 있기 때문에 제조사로서도 생산량에 도움이 된다. 이 때문에 성능을 끌어올리기 쉽다. 회로가 미세해지면 전자가 이동하는 거리가 짧아지기 때문에 처리속도도 좋아진다. 회로 저항이 줄어들어 열도 줄일 수 있다. 그래서 공정은 대체로 열, 성능, 가격을 모두 잡아주는 만능 기술로 통한다.

1971년, 그러니까 44년 전 인텔이 내놓았던 첫 마이크로프로세서인 ‘4004’는 108kHz의 작동 속도를 냈던 CPU다. 트랜지스터는 2300개에 불과했다. 하지만 당시에는 트랜지스터 2300개를 자그마한 반도체에 심는 것 자체가 놀라운 일이었다. 이 4004 프로세서는 10µm(마이크로미터) 공정으로 설계됐다. 10µm는 0.01mm다.

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인텔이 1년 뒤 1972년 내놓은 ‘8008’은 500kHz로 작동하고 3500개의 트랜지스터를 심었다. 여전히 10µm 공정으로 만들었다. 하지만 트랜지스터도 더 많이 심고 작동 속도도 끌어올릴 수 있었다. 1974년에는 이 공정을 6µm로 줄인 ‘8080’ 프로세서를 내놓았다. 이 6µm 공정은 우리가 XT PC라고 부르던 ‘8086’까지도 이어졌다. 하지만 인텔은 여전히 트랜지스터 집적도를 높일 수 있었다. 8086은 2만9천개 트래지스터를 넣고 5MHz로 작동했다.

이 8086은 PC와 함께 큰 인기를 누렸는데 1982년에 내놓은 8086칩은 1.5µm로 공정을 대폭 줄였다. 그리고 비슷한 다이 안에 13만4천개의 트랜지스터를 심었다. 시계를 조금 더 빨리 돌려보자. 인텔이라는 이름이 본격적으로 앞에 나서기 시작한 486 프로세서는 초기에 1µm 공정으로 미세화됐다. 작동 속도는 25MHz, 트랜지스터 개수는 1200만개다.

작동 속도의 마력과 미세 공정의 시작

인텔은 1995년 ‘펜티엄 프로’를 내놓으면서 0.6 µm 공정 생산을 시작했다. 이 때부터 인텔은 본격적으로 공정과 긴박한 싸움을 시작했다. 인텔이 작동 속도, 즉 클럭 스피드의 마력에 빠졌기 때문이다. 100MHz보다 200MHz 프로세서가 2배 많은 프로세스를 처리할 수 있었다. 모든 설계의 기본은 작동속도 올리기로 쏠렸다.

인텔은 1997년 ‘펜티엄II’를 내놓으면서부터 AMD와 극심한 경쟁에 내몰린다. 펜티엄II는 233MHz로 시작했지만 인텔은 이를 개선해 곧이어 266MHz, 300MHz 등으로 작동 속도를 끌어올렸다. 이제까지는 1MHz, 10MHz만 올라도 놀라웠는데 200MHz의 벽을 넘고서는 한번에 33MHz, 50MHz씩 쭉쭉 끌어올렸다.

하지만 작동 속도를 올리려면 전력을 더 많이 써야 한다는 문제가 있었다. 전력 공급이 많다보니 따라서 열도 많이 나기 시작했다. 하지만 인텔에는 이를 푸는 마법의 열쇠, ‘반도체 공정’이 있었다. 1999년 등장한 카트마이 ‘펜티엄III’는 공정을 0.25µm로 줄였다. 이 프로세서는 500MHz로 작동했다. 트랜지스터는 950만개가 집적됐다.

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펜티엄III 시절에는 인텔과 AMD의 경쟁도 심했다. 거짓말 조금 보태자면 자고 일어나면 새 CPU가 나올 지경이었다. 인텔도, AMD도 공정이 주는 클럭의 마술에 심취해 점점 더 공정을 미세화하고 작동 속도를 끌어올렸다. 인텔은 펜티엄III를 내놓은 지 불과 1년도 되지 않아 2세대 펜티엄III 공정을 0.18µm로 낮췄다. 이때 인텔은 반도체 공정 미세화에서 첫 번째 장벽을 만났다. 회로가 얇아지면서 생기는 저항이 결국 열을 높였고, 안정성과 연결됐다. 인텔은 이때 구리 소재를 적용하는 것으로 0.18µm 공정을 성공했다. 그래서 이 2세대 펜티엄III의 코드명이 구리를 뜻하는 ‘코퍼마인’이었다.

이 2세대 펜티엄III는 작동 속도를 933MHz까지 순조롭게 끌어올릴 수 있었다. 하지만 1GHz의 벽은 꽤 높았다. 인텔은 이 코퍼마인으로 1GHz를 찍긴 했지만 1.13GHz를 내놓으면서 다시 작동 속도를 끌어올리는 데 어려움을 겪게 됐다. 이 펜티엄III 1.13GHz칩은 결국 시스템 불안정을 이유로 리콜되기도 했다.

그래서 인텔은 이 코퍼마인 프로세서의 공정은 그대로 두고, 아키텍처를 손봤다. 그게 ‘코퍼마인T’로 부르는 3세대 펜티엄III다. 이게 인텔 틱톡 전략의 시작이기도 하다. 이전 세대에서 만든 공정은 그대로 두고 아키텍처를 효율적으로 바꿔 성능을 높이는 것이다. 인텔은 그 다음해에는 펜티엄III의 4세대격인 ‘투알라틴’을 내놓았다. 이 프로세서는 공정을 0.18µm에서 0.13µm로 끌어내린 것이다. 결국 이 펜티엄III는 1.4GHz까지 순조롭게 올라갔다.

작동 속도가 최우선이었던 펜티엄4, 높았던 3GHz 벽

코퍼마인 펜티엄III 1.13GHz 프로세서가 진통을 겪고 있을 때 인텔은 또 다른 시도를 하게 된다. ‘펜티엄4’를 내놓은 것이다. 펜티엄4는 인텔이 그동안 만들어왔던 것과 완전히 다른 설계를 도입했다. 펜티엄4는 철저히 작동 속도를 극단적으로 높이는 것만을 목표로 삼은 프로세서다. 펜티엄4는 코퍼마인때 적용한 0.18µm 공정에서 시작한다.

조금 어려운 이야기지만 펜티엄4는 작동 속도를 올리기 위해 파이프라인의 개수를 늘리고 길이는 줄였다. 이렇게 하면 명령어 처리가 짤막짤막하게 단편적으로 많이 일어난다. 효율은 조금 떨어지지만 단순한 구조가 작동 속도를 끌어올리기에 아주 수월했기 때문에 효율을 작동 속도로 덮는 모델이다. 첫 펜티엄4인 ‘윌라멧’은 순조롭게 1.4GHz와 1.5GHz의 작동속도를 찍어냈다. 펜티엄4는 1년도 되지 않아 2GHz를 돌파했다.

인텔은 당시 펜티엄III와 펜티엄4를 병행했는데 2002년 들어 양쪽 모두 공정을 0.13µm로 낮춘다. 펜티엄4 ‘노스우드’다. 2세대 펜티엄4는 버스 속도를 높이면서 작동 속도가 기하급수적으로 높아졌다. 2.25, 2.4GHz를 넘어 3.06GHz까지 0.13mm 공정으로 나왔다.

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인텔은 신이 났다. 공정을 더 줄이기로 결정했다. 그렇게 2004년 3세대 격인 ‘프레스콧’ 펜티엄4가 시장에 나온다. 90nm다. 0.09mm인데 이때부터 단위가 nm로 통용되기 시작했다. 인텔 미세 공정 개선은 도깨비 방망이처럼 놀라운 일이었다.

이 즈음 인텔은 클럭당 효율과 열 문제에 대한 지적을 받기 시작했다. 인텔 펜티엄4는 AMD의 경쟁 제품보다 작동 속도는 훨씬 높았는데 성능은 비슷했다. 인텔은 공정을 더 높이는 것으로 AMD를 멀찌감치 떨어뜨려놓을 수 있다고 판단했다. 펜티엄4의 뿌리가 된 ‘넷버스트’ 아키텍처는 프로세서 작동 속도를 10GHz까지 끌어올릴 수 있다는 이야기가 다 나올 때였다.

하지만 많은 이들이 알고 있는 3세대 프레스콧 펜티엄4는 열 문제를 잡지 못했다. 공정이 미세해지면 열이 줄어들었고, 그러면 작동 속도를 더 올릴 수 있다는 법칙 아닌 법칙이 무너지는 순간이었다. 열이 어마어마했고, 전력 소비량도 100W를 가뿐하게 넘겼다. 그래도 인텔은 억지로 작동 속도를 끌어올렸다. 3.6GHz까지 나왔고 3.8GHz는 발표만 되고 실제로는 시장에 잘 풀리지 않았다.

인텔은 프레스콧을 내놓은지 1년 만인 2005년, 아키텍처를 손본 ‘프레스콧 2M’ 칩을 내놓긴 했다. 하지만 이미 프레스콧은 인텔의 ‘흑역사’로 꼽힐 만큼 시장의 큰 원성을 샀다.

인텔은 2006년 공정을 65nm로 또 낮춘다. 펜티엄4의 최종판인 ‘시더밀’이 첫 제품이다. 이 칩은 작동 속도를 더 높이는 것보다 프레스콧 펜티엄4의 문제였던 열과 전력 소비를 잡는 데 주력했다. 하지만 4GHz대 프로세서는 여전히 쉽지 않았다. 이때 인텔은 또 다른 시도를 한다. 작동 속도보다 처리 효율을 잡는 것이 더 낫고, 모바일 시대가 열리면서 전력 소비량이 중요하게 됐다. 성능은 코어 개수를 늘리는 쪽으로 방향을 잡았다.

클럭 버린 공정 개선의 효과 ‘저전력, 고효율’

이 65nm 공정은 펜티엄4의 끝이자 ‘코어’ 프로세서의 시작이기도 하다. ‘코어’ 프로세서는 펜티엄4가 등장하면서 버려졌던 펜티엄III의 아키텍처를 손본 것이다. 이 역시 65nm 공정이었다. 이름은 ‘코어’였고, 첫 제품은 모바일 전용으로 ‘코어 듀오’, ‘코어 솔로’를 내밀었다. 펜티엄이 아니었다. 작동 속도는 1GHz대로 떨어뜨렸다. 하지만 성능은 3GHz대 펜티엄4와 맞먹게 됐다.

인텔의 틱톡은 계속해서 이어진다. 코어 프로세서의 65nm 공정에 아키텍처를 개선한 ‘코어2’가 나온다. 이 칩은 데스크톱에도 전력 효율을 높이겠다는 것이 목적이었다. 코드명은 ‘콘로’였다. 첫 제품은 전력 소비량이 65W로, 기존 펜티엄4가 130W를 넘나들었던 걸 절반으로 줄었다. 열, 전력, 소음 모든 문제가 해결됐고 쿼드코어 칩도 나왔다. 이 칩은 공전의 히트작이 됐다.

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다음 틱톡은 공정 개선이다. ‘울프데일’ 코어2 프로세서는 45nm로 공정을 더 줄였다. 새 아키텍처는 날개를 달았다. 인텔은 다시 2GHz대를 훌쩍 넘기면서도 전력 소비는 60W 수준을 유지할 수 있었다. 이때 사실 인텔은 또 한번의 장벽을 겪는다. 공정을 미세화하면서 전류가 새는 현상이 생기는데 45nm로 접어들면서는 그 정도가 더 심해졌다. 정확하게 전류를 차단할 수 있어야 도체와 부도체를 오가는 반도체 역할을 할 수 있기 때문에 개선이 필요했다. 인텔은 과거 펜티엄III에서 0.18mm 공정을 구리 소재로 풀어냈던 것처럼 다시 이를 소재로 풀어냈다. ‘하이K’라는 금속 소재다. 하이K 메탈게이트는 다시 한번 미세화의 장벽을 풀어냈다.

신소재로 45nm 공정이 순조롭게 이어졌고 새 아키텍처도 자리를 잡아가자 인텔은 또 한번 브랜드를 바꿨다. 바로 ‘코어’라는 이름에 ‘i3, 5, 7’로 제품을 구분하는 것이었다. 대표 제품은 i5였고, 첫 제품은 45nm 공정에 아키텍처만 개선한 ‘린필드’ 코드명의 코어 i5 칩이었다.

린필드가 나온지 불과 3개월만인 2010년 1월 인텔은 32nm로 공정을 바꿨다. 45nm의 장벽을 넘으니 32nm는 상대적으로 수월했다. 이때 나온 코어 프로세서 ‘클락데일’이 진짜 코어 i5의 모든 것을 담아냈다. 또 다시 1년 뒤 32nm 공정에 아키텍처를 고치고 인텔은 이를 2세대 코어 프로세서 ‘샌디브릿지’가 나온다. 인텔의 행보는 거침이 없었다. 다시 1년 뒤 2012년에는 샌디브릿지 아키텍처에 공정을 22nm로 더 줄인 3세대 코어 프로세서 코드명 ‘아이비브릿지’가 나왔다.

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인텔은 2013년 6월에는 22nm 공정에 새 아키텍처를 입힌 4세대 코어 ‘하스웰’ 프로세서를 내놓으면서 공정의 마술을 한껏 보여줬다. 4세대 코어 프로세서는 미세 공정의 효과를 전력 소비량을 줄이는 것으로 집중했다. 같은 성능을 거의 절반의 전력 소비량으로 해결하면서 노트북이 배터리만으로 10시간 가까이 작동하게 됐다.

한계 깨는 소재와 설계 방법의 전쟁, 나노 공정

하지만 그 다음 단계인 14nm의 미세공정은 쉽지 않았다. 이미 22nm부터 소재로도 해결할 수 없는 전력 누수가 또 다시 시작됐다. 이는 인텔 뿐 아니라 모든 반도체 업계의 고민이었다. 해결책은 그 동안 전력을 막고 열어주던 게이트를 입체로 세우는 것이었다. ‘3D 핀펫’이라고 부르는 것이다. 인텔은 14nm 공정을 위해 이 3D 핀펫 공정을 2세대로 고도화했지만 여전히 양산은 쉽지 않았다. 매년 신제품을 내놓던 인텔이 처음으로 2014년에는 주력 모델에 대한 신제품을 내놓지 못한 채 해를 넘겼다.

다행히 인텔은 2015년 초 5세대 코어 프로세서 제품군을 내놓긴 했다. 14nm의 효과는 숫자로 읽을 수 있다. 5세대 코어 프로세서의 다이 크기는 기존 4세대가 181㎟였던 것에 비해 133㎟로 27% 줄었다. 대신 트랜지스터는 기존 13억개에서 19억개로 46% 늘어났다. 이는 곧 성능과 전력으로 이어진다.

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한 번에 17가지 프로세서를 출시하는 것을 보면 수율도 안정세를 찾았다고 볼 수 있다. 새로운 소재와 핀펫 설계가 14nm 공정을 낳았고, 이는 올 하반기에 등장할 코드명 ‘스카이레이크’ 코어에서도 고스란히 쓰일 것이다.

14nm라는 숫자는 어느 정도로 미세한 걸까? 단위를 환산하면 0.014µm다. 인텔의 4004 프로세서가 10µm였던 것과 비교하면 그 동안 미세 공정은 회로를 약 715분의 1의 두께로 얇게 만들었다. 흔히 반도체 공정을 이야기할 때 비교하는머리카락 두께가 보통 30~100µm다. 칩 하나에 들어가는 트랜지스터 개수도 2300에서 19억개로 늘어났다. 반도체 집적을 둔 공정 기술의 발전은 그 어떤 산업 분야와 비교해도 충분히 놀라운 일이다.

공정이 바꾼 PC의 모양

우리가 체감할 수 있는 14nm 공정의 효과는 뭘까? 아직 고성능 워크스테이션이나 데스크톱용 프로세서가 나오지는 않았지만, 모바일을 보면 새 프로세서가 PC의 디자인을 바꿨다는 점을 알 수 있다. LG전자는 14인치 노트북을 980g 무게로 만들었다. 삼성전자, 레노버, 에이서, 에이수스 등 대부분의 노트북 회사도 거의 비슷한 모양의 얇고 가벼운 노트북을 내놓았다. 그러면서도 배터리는 6~8시간을 버틸 수 있다. CPU가 쓰는 전력 소비량이 줄었고, 그에 따라 더 적은 용량의 배터리로도 이전과 비슷하게 오래 쓸 수 있으니 노트북 무게의 절대양을 차지하는 배터리 크기를 줄일 수 있었다.

인텔의 미세공정은 어디까지 갈 수 있을까? 이건 모든 반도체 업계의 고민이기도 하다. 인텔은 곧이어 10nm 공정을 준비해야 한다. 아직 상세한 일정이 담긴 공식 로드맵이 나온 것은 아니지만 올 하반기에 6세대 코어로 부를 ‘스카이레이크’가 나오고 2016년은 이 제품이 주력이 될 것이다. 10nm는 2017년 초반 혹은 중반부터 시작된다. 인텔은 이후에도 ‘틱톡’을 반복하며 2020년쯤 7nm, 2023년쯤 5nm 공정을 도입할 것으로 보인다. 5nm는 물리적으로 반도체 공정의 한계라는 이야기도 나오고 있다. 지금까지도 그랬지만 앞으로의 공정 미세화 과정도 그렇게 녹록지는 않겠지만 인텔을 비롯한 업계는 45nm, 22nm 등 장벽으로 꼽던 공정을 풀어내 왔다.

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프리랜서 IT 컬럼니스트, 기술과 사람이 더 가까워질 수 있는 이야기를 담고 싶습니다. e메일 work.hs.choi@gmail.com