삼성과 TSMC는 최첨단 반도체 공정을 먼저 선점하기 위해 노력중이다.
가끔 뉴스나 인터넷 매체에서 보았을 '7nm, 5nm, 3nm, 1nm 공정 그리고 ASML의 EUV(극자외선) 장비'가 이들이 경쟁하는 현황을 다루며 나온 이야기들이다. 7nm, 5nm, 3nm, 1nm 등은 반도체 Gate(전압이 인가되, 주 carrier(정공 또는 전자)가 gate 밑 단에 모여 반도체 성질에서 도체 성질로 바뀜)의 x축 길이를 말한다.
이런 gate 길이가 1nm이하로 줄어 들면 더이상 실리콘에서 반도체 소자를 구현하기가 힘들어 진다.
실리콘 반도체 소자로 구현할 수 있는 최소한의 gate의 길이는?
아래 그림처럼 복잡한 구조를 가진 반도체가 그 한계점에 다다르고 있다.
현재 실리콘 반도체 소자는 양자역학적 거동하고는 멀다. 전자의 거동을 예측해서 소자를 만들 수 있는 이유이기도 하다. 하지만 하이전베르그가 이야기 했듯이 양자세계로 들어가면 '불확정성의 원리'가 그 세계를 지배한다. 마찬가지로 반도체 소자도 어느 한계 거리에 미치면, 전자가 불확정성 원리에 의해 어디로 튈지 모르는 단계가 된다.
그 한계 거리는 '원자 5개 정도'이다. 예를 들어 현재 반도체는 실리콘 wafer위에서 만들어 진다. 실리콘 원자의 지름은 110picometers이다. 이를 나노미터로 환산하면, 0.11nm이다. 즉, 0.55nm이하고 들어가면 전자의 거동을 예측할 수 없는 양자세계로 진입한다. 실리콘 시대의 종말과도 같다.
인텔의 산제이 나타라잔은 "이 정도면 우리는 반도체 컴퓨터를 우려먹을 만큼 우려먹었다." 라고 말했다. 무어의 법칙(반도체의 성능이 18개월마다 두 배씩 향상될 것이다)도 적용되지 않는다.
마무리
실리콘 시대의 종말이 반도체의 종말을 뜻하지는 않는다. 이는 양자 시대로의 전환이다. 서서히 나오는 양자컴퓨터가 그 신호탄이다. 양자컴퓨터는 현생 인류가 상상할 수 없는 데이터를 처리할 수 있는 능력을 가지고 있어 컴퓨터는 죽지 않을 것이다.
참고
[양자컴퓨터의 미래, 미치오 카쿠 지음, 박병철 옮김, 김영사]