인텔, 3차원 구조의 22나노 공정 칩 개발

인텔은 지난 5일, 현대 전자공학의 기본 토대를 이뤄온 트랜지스터 진화의 혁신을 발표했다. 50년 전 실리콘 트랜지스터 발명 이후 최초로 3차원 구조를 이용한 트랜지스터가 대량 생산될 예정이다. 인텔은 2002년 인텔이 최초 공개한 트라이게이트(Tri-Gate)라 명하는 3D 트랜지스터 설계를 바탕으로 인텔 칩 코드명 '아이비 브리지'에 들어갈 22나노 공정 양산에 돌입한다.

3차원 트라이게이트 트랜지스터는 현재의 모든 컴퓨터, 휴대전화 및 소비자 전자제품뿐만 아니라 수십 년간 일상에서 사용되는 장치를 구동해온 2차원 평면형 트랜지스터 구조로부터의 도약을 의미한다.

폴 오텔리니(Paul Otellini) 인텔 사장 겸 CEO는 "인텔의 과학자와 엔지니어가 트랜지스터를 재발명했고, 이번에는 3차원을 이용했다"라며 "이 발명 기술로 인해 만들어질 놀라운 장치는 새로운 세계를 이끌고, 또한 무어의 법칙을 새로운 영역으로 발전시킬 것이다"라고 덧붙였다.

과학자들은 기기들이 점차 작아져 물리적 법칙이 발전에 장애가 됨에 따라 3D 구조의 이점을 통해 무어의 법칙을 이어갈 수 있다는 점을 오래 전부터 인지해왔다. 오늘날 혁신의 비결은 신기술인 3D 트라이게이트 트랜지스터 설계를 대량 제조에 적용할 수 있는 인텔의 능력에 있고, 이로 인해 새로운 시대의 무어의 법칙과 광범위한 장치에 대한 차세대 혁신을 위한 문이 열리게 되었다고 인텔측은 밝혔다.

무어의 법칙은 실리콘 기술 발전의 속도를 예측하는 것으로 약 2년마다 트랜지스터의 집적도는 두 배가 되고, 기능 및 성능은 증가하며, 비용은 감소한다는 법칙이다. 이 법칙은 40년 이상 반도체 업계의 기본 비즈니스 모델로 자리매김했다.

탁월한 전력 소비 절감과 성능 향상
인텔의 3D 트라이게이트 트랜지스터는 누설전류를 최소화함으로서 저전압에서 작동이 가능함에 따라 기존 첨단 트랜지스터와 비교해 개선된 성능을 제공하고, 뛰어난 에너지 효율성을 가지고 있다. 이러한 능력은 반도체 제품을 설계할 때 저전력이나 고성능 등 응용 분야에 따라 유연하게 선택할 수 있다는 장점을 제공한다.

22나노 3D 트라이게이트 트랜지스터는 인텔의 32나노 평면형 트랜지스터에 비해 저 전압에서 37% 향상된 성능을 제공한다. 이러한 놀라운 성과는 '스위치' 전환에 더 적은 에너지를 사용하는 소형 휴대 장치에서의 사용에 이상적이라는 것을 의미한다. 또한 새로운 트랜지스터는 32나노 공정 칩의 2D 평면형 트랜지스터와 동일한 성능을 보일 때 절반 미만의 전력을 소비한다.

마크 보어(Mark Bohr) 인텔 수석 펠로우는 "인텔 특유의 3D 트라이게이트 트랜지스터를 통한 성능 향상과 전력 소비 절감은 우리가 여태까지 본 어떤 것과도 다르다"라고 밝혔다. "이 획기적인 사건은 단순히 무어의 법칙을 따르는 것 이상이다. 저전압과 저전력을 동시에 구현한다는 것은 일반적으로 하나의 가공 세대에서 다음 세대로 넘어갈 때 흔히 보는 것과는 판이하게 다르다. 기존 제품을 더 스마트하게 하고, 나아가 완전히 새로운 제품을 만들 수 있는 해주기 때문이다. 이러한 혁신이 앞으로의 반도체 산업에서 인텔의 우위를 더욱 확고히 할 것이라고 믿는다"라고 덧붙여 말했다.

혁신의 속도인 무어의 법칙 지속
트랜지스터는 인텔의 공동 창업자인 고든 무어(Gordon Moore)의 이름을 딴 무어의 법칙에 따라 계속 더 작아지고 더 싸지고 더 에너지 효율적이 되고 있다. 이로 인해 인텔은 각각의 칩에 더 많은 기능과 컴퓨팅 코어를 추가하고, 성능을 향상시키며, 트랜지스터당 제조 단가를 감소시키는 혁신과 통합을 이룰 수 있었다.

22나노 세대에서는 무어의 법칙에 따라 진보하는 것이 훨씬 더 복잡해진다. 이를 예측한 인텔의 연구원들은 2002년 게이트의 3면이란 이란 이름의 트라이게이트 트랜지스터를 발명했다. 이번 발표는 고도의 협심을 보여준 인텔의 연구-개발-제조 파이프라인에서의 수년간 개발의 결실이며, 이 기술을 대량 생산에 적용한 것을 기념하는 것이라고 인텔측은 밝혔다.

3D 트라이게이트 트랜지스터는 트랜지스터의 재발명이다. 기존의 '평평한' 2차원 평면형 게이트는 실리콘 기판으로부터 수직 상승한, 극도로 얇은 3차원 실리콘 핀으로 대체된다. 2D 평면형 트랜지스터의 경우 핀의 상단에서만 게이트 1개가 있지만, 3D는 핀의 3면, 즉, 양쪽 옆과 상단에 있는 게이트로 전류를 제어한다. 트랜지스터 스위치를 '켜짐' 상태로 두면 가능한 많은 양의 전류가 흐르고(성능 최대화), '꺼짐' 상태일 때는 전류가 0에 가까워지며(전력 최소화), 트랜지스터가 두 상태 사이에서 매우 빠르게 전화될 수 있게(성능 최대화) 하는 등 추가 제어가 가능하다.

도시 설계자가 초고층 빌딩을 건설함으로써 공간을 최대한 활용하듯이, 인텔의 3D 트라이게이트 트랜지스터 구조를 통해 집적된 공간을 최적으로 사용할 수 있게 되었다. 핀은 성질상 수직으로 존재하므로 트랜지스터가 서로 더 가까이 집적될 수 있으며, 이는 무어의 법칙의 기술적 및 경제적 이득을 위한 결정적 요소가 된다. 또한 차세대 설계자들은 핀의 높이를 계속 성장시켜 더욱 향상된 성능과 에너지 효율성 획득할 수 있다.

"수년간 우리는 트랜지스터 소형화의 한계에 부딪혀 왔다"라고 무어가 밝혔다. "기본 구조의 변화는 실로 혁명적인 접근이며, 무어의 법칙과 역사적인 혁신의 속도를 잇는 것이다"라고 덧붙였다.

22나노 3D 트라이게이트 트랜지스터 세계 최초 시연
3D 트라이게이트 트랜지스터는 개별 트랜지스터 크기를 일컫는 22나노 공정으로 생산될 것이다. 이는 마침표 만한 작은 점에 무려 6백만 개의 22나노 트라이게이트 트랜지스터를 집적할 수 있다.

인텔은 노트북, 서버 그리고 데스크탑 컴퓨터에서 작동하는 세계 최초의 22나노 공정 마이크로프로세서(코드명 '아이비 브리지')를 시연했다. 아이비 브리지 기반 인텔? 코어™ 패밀리 프로세서는 3D 트라이게이트 트랜지스터를 사용하는 최초의 대량 양산 칩이 될 것이다. 아이비 브리지는 올해 말까지 대량 생산 준비를 마칠 예정이다.

이러한 실리콘 기술의 혁신은 인텔? 아키텍처 성능, 기능 및 소프트웨어 호환성에 버금가면서도 다양하게 세분화된 시장의 수요를 충족할 종합적인 전력, 비용 및 크기를 충족하는 보다 고집적된 인텔? 아톰™ 프로세서 기반 제품 구현에 힘을 실어 줄 것으로 기대된다. - 노트포럼(www.noteforum.co.kr)