세계적 반도체 기업 인텔의 공동 설립자 고든 무어는 1965년에 “반도체의 집적도는 2년마다 2배로 올라간다.”라고 말했다. 그의 예측은 실현되어 반도체를 구성하는 트랜지스터의 수는 2년마다 증가했다. 1971년 2700개에 불과하던 트랜지스터 수는 26년 후 펜티엄1 프로세서에서 750만 개에 달했다. 무어의 발언은 ‘무어의 법칙’으로 조명됐다.

 

2002년 삼성전자 황창규 사장은 나아가 “반도체의 집적도는 1년마다 2배로 증가한다.”라는 ‘황의 법칙’을 내놓았다. 실제로 삼성전자는 매년 개선된 반도체를 내놓아 이 말을 뒷받침했다. 자신에 찬 반도체 업계는 무어의 법칙과 황의 법칙을 기초로 연구 개발 계획을 짰다. 사람들은 초미세 반도체가 만드는 장밋빛 미래를 꿈꿨다.

 

그러나 법칙은 트랜지스터를 작게 만들어 집적도를 높이는 미세공정이 한계에 부딪히면서 정체됐다. 제작비용도 문제이다. 초미세 반도체를 만드는 데 드는 연구 개발 비용은 높지만 수익은 그에 못 미쳤다. 시장도 다변화됐다. 인공지능, 사물인터넷(IoT), 자율주행차, 로봇 등 새로운 기술 환경에 필요한 미래 반도체가 필요한 상황이다.

 

 

이런 문제를 해결하는 새로운 반도체 개발의 핵심은 나노기술이다. 현재 반도체 회로를 구성하는 여러 소자는 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 수준에서 구현되기 때문이다. 나노기술의 혁신 없이는 미래 반도체도 없다. 미래 반도체가 없다면 다가오는 인공지능과 로봇의 시대를 주도할 수 없다.

 

이에 우리 정부는 과학기술정보통신부 및 여러 부처의 주도 아래 나노·소재 연구 개발로 미래 반도체 기술 및 산업을 선도하는 사업을 수행하고 있다. 과학기술정보통신부가 주목하는 미래 반도체 분야는 크게 세 가지이다. 첫째, 실리콘 기반의 기존 반도체를 대신할 신소재. 둘째, 인공지능 시대를 맞아 인간의 뇌와 유사한 방식으로 의사결정하는 뉴로모픽 반도체. 셋째, 이상의 미래 반도체를 구현할 저전력 반도체이다.

 

오늘날의 반도체는 수백만에 달하는 소자를 나도 단위에서 집적해 만든다. 출처: shutterstock
 

 

실리콘을 대체할 반도체 소재로 주목받는 것은 그래핀이다. 그래핀은 탄소원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나노 소재로 전기전도성이 실리콘보다 100배 정도 우수하며 정보 처리 속도도 수십 배 높다. 게다가 탄성이 좋아 접거나 비틀 수 있는 ‘플렉서블 디스플레이’를 만들 수 있다. 광주과학기술원(GIST) 이병훈 교수 연구팀은 과기정통부의 지원으로 그래핀을 활용한 새로운 트랜지스터, ‘그래핀 배리스터’를 기반으로 저전력 반도체를 연구하고 있다.

 

미래 반도체의 소재로 각광받는 그래핀의 3D 모형도. 출처: shutterstock
 

 

알파고 쇼크로 부상한 인공지능은 미래 반도체의 중점 분야이다. 소프트웨어인 인공지능이 효율적으로 작동하려면 그에 맞는 하드웨어가 있어야 한다. 그 대안이 바로 뉴로모픽 반도체이다.

 

뉴로모픽 반도체는 반도체에 있는 신호 전달 체계를 사람의 신경세포처럼 구성한다. 사람의 뇌는 수천억 개의 뉴런과 수백조 개 이상의 시냅스가 병렬 방식으로 연결되어 있으며 저전력으로 기억과 연산, 추론, 학습을 수행한다. 반면 알파고 하나를 작동하는 데는 전기 및 시스템 구축 등에 많은 에너지와 비용이 든다. 이를 인간의 뇌 구조와 닮게 만든다면 적은 에너지로도 복잡한 인지 과정을 수행할 수 있다.

 

이에 과기정통부는 뉴로모픽 반도체 개발을 본격 추진하고 있다. ‘미래유망 융합기술 파이오니어’ 사업은 뉴로모픽(Neuromorphic) 소자용 고집적 시냅스 소자 및 집적공정을 고안하고 있다. 서울대학교 이종호 교수 연구팀과 박병국 교수 연구팀은 신경세포를 모방한 뉴런 소자를, 한양대학교 최창환 교수 연구팀은 신경세포 모방 뉴런/시냅스 소자의 3차원 집적화를 연구 중이다.

 

인간 뇌의 작동 방식을 모방한 뉴로모픽 반도체는 저전력으로 복잡한 기능을 수행할 수 있다. 출처: shutterstock
 

 

그래핀 신소재 반도체, 뉴로모픽 반도체 등 미래 반도체는 저전력 소모를 목표로 한다. 현재 슈퍼컴퓨터 4대를 사용하면 원자력발전소 1기를 가동하는 것과 맞먹는 전력이 소모된다. 인간형 로봇 안드로이드나 피부에 부착하는 모바일 기기, 초소형 loT센서를 대중화하려면 저전력 반도체가 필수이다. 한 번 충전하면 한 달 동안 사용할 수 있는 스마트 기기를 상용화하는 것이다.

 

저전력 반도체는 효율적인 에너지 사용만이 목표가 아니다. 사물인터넷 시대가 도래할 때 반도체를 사용하지 않는 분야는 없을 것이다. 이때 저전력 소비는 에너지 남용을 막아 환경 보호에도 도움이 된다.

 

앞서 제시한 광주과학기술원(GIST) 이병훈 교수 연구팀의 그래핀 배리스터 소재 연구는 집적도와 연산능력을 확장해 동일성능의 이진연산 비교시스템 대비 1/100 이하의 절전 효과를 달성하고자 한다. 성균관대 권기원 교수 연구팀은 상황판단, 형체인식, 딥러닝 등 복잡한 기능을 수행하는 저전력 나노 스위칭 소자를 연구하고 있다.

 

우리 정부는 미래 반도체 세계 1위 기술을 확보하고자「제4기 나노기술종합발전계획, 대한민국 나노혁신 2025」를 수립하고 반도체를 나노챌린지 분야로 지정해 범부처 대형 연구 개발 사업을 계획 중이다. 현재와 비교해 1백만분의 1의 전력 소모로 구동할 수 있는 저전력 반도체, 인간 뇌처럼 의사결정하는 뉴로모픽 반도체, 인간 뇌 크기로 초고집적화한 반도체 원천기술 개발을 향해 박차를 가하고 있다. 나노기술의 혁신으로 풍요로운 미래를 기대해 보자.

 

지원 : 국가나노기술정책센터
글 : 권오현 과학칼럼니스트