인텔 52년만의 반도체혁명···3D칩 등장

ARM 대항마 될듯

인텔이 세계최초로 핀(fin·지느러미)구조의 3차원(3D)트랜지스터를 개발, 이를 바탕으로 연내 22나노급 공정에서 프로세서(CPU)를 생산한다.

또 내년 초 이 기술을 적용한 ‘아이비 브릿지'CPU를 컴퓨터와 서버에 적용할 것이라고 4일(현지시간) 샌프란시스코에서 열린 3D트랜지스터 기술시연회에서 밝혔다.

이로써 인텔은 그동안 빠른 칩 성능에도 불구하고 높은 전력소비량으로 인해 ARM아키텍처 기반 칩에 잠식당해 왔던 칩 시장에서 반격의 토대를 마련한 것으로 보인다. 인텔은 이 기술을 적용한 칩(working chip)을 이용해 시험한 결과 연산성능은 37% 향상됐고 전력소비량은 기존의 50% 아래로 떨어뜨렸다고 밝혔다.

씨넷,월스트리트저널,파이낸셜타임스 등 주요 외신은 이날 인텔이 기존 반도체에 비해 성능을 37%, 전력소비량을 50%이상 줄일 수있는 3D트랜지스터설계 기술을 발표했다고 일제히 보도했다. 인텔의 임원들은 4일 샌프란시스코에서 이 새로운 기술에 기반한 아이비브릿지 작동칩(working chip) 시연회를 가졌다.

직접 시연한 데이비드 펄머터 인텔 아키텍처 그룹전무는 이들은 이 기술을 적용한 최초의 마이크로프로세서가 내년 초 나올 하이엔드데스크톱 컴퓨터와 서버시스템에 적용될 것이라고 말했다.

이는 인텔이 고성능칩 기술에도 불구하고 저전력소비 설계를 바탕으로 인텔을 따돌려온 영국의 ARM기반 칩을 생산해 온 세계적 칩 설계회사들에게 어떤 방식으로든 영향을 미치게 될 전망이다. 하지만 씨넷에 따르면 인텔은 이날 모바일칩 일정은 밝히지 않았다.

또한 이번 기술은 1959년 페이차일드반도체의 진 호에르니가 개발한 2D방식의 트랜지스터 설계방식을 52년만에 결정적으로 바꾼 전환점으로 기록될 전망이다.

인텔은 이미 이론적으로는 지난 2002년에 이 접근 방식을 발표한 바 있지만 이를 완성하는데 9년의 시간이 걸렸다. 이날 사용된 하드웨어에는 이 칩을 이용한 기술이 사용됐다.

■이 3D칩 기술의 핵심인 핀(fin)기술이란?

이 반도체에 활용될 3D트랜지스터는 전류의 흐름을 켜거나 끄면서 제어하는 게이트가 3개인 이른바 ‘트라이게이트(Tri Gate)’를 적용한 것이다.

인텔의 3D트랜지스터 구현은 기존의 평면으로 이뤄졌던 칩의 게이트와 달리 평면에 물고기의 등지느러미처럼 솟구친 핀(fin 지느러미)구조로 쌓아올린 것이다. 이는 마치 빌딩에서 더많은 사무공간을 만들기 위해 벌집모양으로 공간을 나누는 것 같은 원리를 이용한 칩 집적 설계 방식이다.

인텔은 전류의 흐름을 껐다 켰다 하면서 제어하는 게이트를 핀 구조의 입체방식으로 전환시키면서 고성능 저전력화에 성공했다.

지금까지 생산돼 오던 2차원 또는 플레이너(planar)로 불리는 반도체생산은 지난 1959년 페어차일드 직원이던이던 진 호에르니가 발명한 것으로 밥노이스는 이를 기반으로 최초로 집적회로(IC)를 만드는데 성공했다. 노이스는 후일 인텔 공동창업자가 됐다.

인텔은 3D트랜지스터 구현의 핵심인 이 트라이 게이트기술을 이용한 칩을 장착한 컴퓨터를 들고 나와 이날 시험한 결과 기존 32나노 2D 트랜지스터로 만든 칩에 비해 월등한 성능을 보였다고 밝혔다. 이에따르면 칩성능이 저전압에서 37% 향상됐으며 반면 전력소비량은 50%미만으로 떨어졌다.

폴 오텔리니 인텔 최고경영자(CEO)는 인텔의 과학자와 엔지니어가 트랜지스터를 재발명했고, 이번에는 3차원을 이용했다며 “이 발명 기술로 인해 만들어질 놀라운 장치는 새로운 세계를 이끌고, 또한 무어의 법칙을 새로운 영역으로 발전시킬 것”이라고 말했다.

■3D칩과 핀 설계방식이 가져온 성능향상 효과는?

이 새로운 트랜지스터 기술을 일컬을 정확한 기술용어가 지금까지 없었다. 왜냐하면 이는 전혀 새로운 기술이기 때문이다.

인텔의 이 새로운 3D트랜지스터 기술은 1959년이래 반도체업계의 전통적인 칩 설계방식인 2차원 플레이너(planar)칩이 평면에 게이트를 설계한 것에 혁신을 가져왔다.

즉, 반도체 실리콘 기판 표면에 얇은 물고기의 등지느러미 같은 3차원 실리콘핀(fin)이 솟구쳐져 있는 구조를 통해서 이른바 트라이게이트(Tri-Gate)제어를 실현한 것이다. 이러한 설계방식을 개발한 인텔의 설명은 간단 명료하다.

게이트 추가는 트랜지스터가 켜져있는 상태에서는 가능한 한 더 많은 전류를 흐르게 하며 꺼져 있을 때는 전류의 흐름을 거의 제로에 가깝게 해준다는 것이다. 게다가 3D설계에 따라 트랜지스터의 온-오픈 상태에서의 전환을 아주 빠르게 해 준다는 것이다.

인텔은 자사의 최신기술이 스마트폰이나 태블릿 PC에 더많은 컴퓨팅파워,기업데이터센터의 속도를 높이고 더많은 컴퓨팅파워를 제공하는 반면 급격하게 전력소비를 줄이게 해 줄 것이라고 말했다.

■인텔, ARM에 대적할 무기를 확보하다

인텔은 이번에 개발된 기술을 바탕으로 내년부터 본격 참여가 예상되는 스마트폰과 태블릿용 칩 전쟁에 강력한 무기로 활용하게 될 전망이다.

반도체업계는 인텔이 모바일기기의 프로세서 역할을 하는 애플리케이션프로세서(AP)칩시장에 진출할 경우 애플의 ARM기반 칩을 생산하고 있는 삼성전자,퀄컴, TI등 기존업체에도 커다란 영향을 미칠 수 밖에 없을 것으로 보고 있다.

특히 애플 등에 AP칩을 공급하는 등 세계 AP 시장의 65%를 차지하고 있는 삼성전자의 경우 인텔의 3D칩 개발로 반도체사업부에 직간접 영향을 받을 수 밖에 없을 전망이다.

또한 지난 몇 년간 저전력소비 아키텍처를 기반으로 승승장구하던 영국의 ARM홀딩스역시 인텔의 새로운 3D기술 개발이 적용될 경우 타격을 받게 될 수 밖에 없다.

이 기술이 적용되는 아이비브릿지 이후 인텔은 전세계 대다수의 태블릿과 스마트폰을 움직여 온 ARM과 정면승부를 하게 될 전망이다.

말할 것도 없이 인텔이 22나노공정에서 이 기술을 적용한 아이비칩을 만들게 되면 샌디브릿지에 비해 37%나 성능이 향상되는데다 전략소비량도 50%나 떨어지는 강력한 경쟁력을 바탕으로 하고 있기 때문이다.

댄 처치슨 VLSI리서치 칩 생산전문가는 “우리는 10년 이상 3D회로에 대해 얘기해 왔지만 아무도 이를 생산하는데 대한 확신을 갖지 못해 왔다”고 말했다. 이날 발표회에서 인텔임원들은 3D트랜지스터로의 전환은 단순히 차세대생산기술로 이전하는 것 이상의 이점을 가져다준다고 말했다.

마크 보어 인텔 펠로우는 “우리는 이렇게 낮은 전압에서 이같은 성능을 구현하는 것을 본적이 없다”고 말했다.

보어는 3D형태는 트랜지스터 스위치가 켜져있는 동안은 더많은 전류가 흐르게 하고 스위치가 꺼져 있는 상태에서는 더 적은 전류를 흐르게 해주는 특징을 가지고 있다고 설명했다.

■새기술을 적용할 때 비용은?

전통적인 생산방식기술을 버리는 것은 비용을 높이게 될 것으로 보이는데 인텔은 이를 피할 수 있는 방법을 찾으로 하고 있다.

보어는 “인텔은 실리콘웨이퍼 당 비용이 2~3% 높아질 것으로 보고 있다”고 말했다.

로저 케이 엔드포인트 테크놀로지어소시에이츠의 시장담당연구원은 “인텔의 새로운 3D트랜지스터 구조는 22나노공정에서 이 칩을 샹산하도록 할 정도로 충분히 신뢰성을 확보한 것”이라고 말했다.

경쟁사들도 3D기술이 어느 시점에서는 사용될 것이라고 보고 있지만 그들의 기술이 22나노공정을 사용할 수 있을 정도가 되어야 할 것으로 보고 있다.

AMD에서 분사한 반도체 생산공장인 글로벌파운드리 같은 회사는 4일 자사는 다가오는 20나노공정을 위해 전통적인 2D트랜지스터를 사용할 것이라고 말했다.

글로벌파운드리의 대변인은 “우리는 후속 생산공정이 나올 때까지 3D트랜지스터기술의 필요성을 느끼지 못한다”고 말했다.

■인텔, 모바일칩 일정은 공개하지 않아

데이비드 펄머터 인텔아키텍처그룹 전무는 아이비브릿지라는코드네임을 사용하는 차세대 마이크로프로세서에서 이 기술을 시연했다.

그는 인텔의 이 기술이 특히 그래픽회로의 성능을 높여 엔비디아나 AMD같은 그래픽회로의 성능도 따라잡을 것이라고 말했다.

그러나 더욱더 긴박한 문제는 22나노미터 공정에서 3D접근방식으로 생산한 칩이 ARM디자인을 라이선스해 만든 저전력소비칩을 넘어설 수 있느냐는 것이다.

한편 이날 펄머터전무는 언제 인텔이 이 새로운 공정을 이용한 모바일기기용 아톰칩을 만들기 시작할 것인지에 대해 언급하지 않았다.

그는 또 펄머터는 언제 인텔이 이 새로운 공정을 이용한 모바일기기용 아톰칩을 만들기 시작할 것인지에 대해 언급하지 않았다.