삼성전자 및 관계사들은 지역 균형발전을 위해 수도권 이외 지역에 대한 전방위적인 투자에도 나서기로 했다.

또 신입사원 공채 등 신규 채용 이외에도 다양한 사회공헌사업(CSR)을 통해 청년 일자리 창출에 적극 기여하기로 했다.

삼성은 협력회사와의 상생 위한 실질적 자금 지원에도 속도를 내기로 했다. 이를 위해 상생펀드와 ESG 펀드를 적극 운용하고 협력회사에 지급하는 인센티브도 강화하기로 했다.

반도체 투자 확대

삼성전자는 최근 임시 경영위원회를 열고 평택사업장 2단지 5라인의 골조 공사를 추진하기로 결정했다.

삼성전자는 글로벌 AI 시대가 본격화되면서 메모리 반도체 중장기 수요가 확대될 것으로 보고, 시장 변화에 신속하게 대응하기 위해 생산라인을 선제적으로 확보할 계획이다.

평택사업장 2단지에 새롭게 조성되는 5라인은 2028년부터 본격 가동될 예정이다.

또한 안정적인 생산 인프라 확보를 위해 각종 기반 시설 투자도 병행 추진된다.

향후 5라인이 본격 가동되면 글로벌 반도체 공급망과 국내 반도체 생태계에서 평택사업장의 전략적 위상은 더욱 커질 전망이다.

지역 균형 발전 투자

① 삼성SDS는 AI 인프라 확대를 위해 전남에 국가 컴퓨팅센터와 구미 AI데이터센터 등 다거점 인프라 전략을 추진하고 있다.

삼성SDS는 국가 AI컴퓨팅센터를 건립할 SPC(특수목적회사) 컨소시엄의 주사업자로, 전남에 대규모 AI데이터센터를 건립할 계획이다. 이 센터는 2028년까지 1.5만장 규모의 GPU를 확보하고 학계, 스타트업, 중소기업 등에 이를 공급함으로써 글로벌 AI G3로 도약하겠다는 정부의 목표를 뒷받침하게 될 것이다.

삼성SDS는 또 경북 구미 1공장에 대규모 AI데이터센터를 건립할 계획을 수립하고 있다. AI 특화 데이터센터로 리모델링할 예정인 이 데이터센터는 삼성전자를 비롯한 삼성 관계사 중심으로 AI서비스를 제공할 계획이다. 오는 2028년 완공 계획이다.

② 삼성전자는 11월 초 인수 완료한 플랙트그룹(이하 플랙트)의 한국 생산라인 건립을 통해 AI데이터센터 시장을 집중 공략할 계획이다.

삼성전자는 유럽 최대 공조기기 업체 플랙트 인수를 통해 삼성의 개별 공조와 플랙트 중앙공조 사업을 결합해 시너지를 확대할 방침이다.

플랙트는 한국 진출을 본격화하기 위해 광주광역시에 생산라인 건립을 검토 중이며, 인력 확충도 추진 중이다.

③ 삼성SDI는 이른바 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 등 차세대 배터리의 국내 생산 거점을 구축하는 방안을 추진 중으로, 유력한 후보지로 울산 사업장을 검토하고 있다.

지난 2023년 3월 국내 배터리 업계 최초로 전고체 파일럿 라인을 수원 SDI연구소에 설치한 삼성SDI는 같은 해 말부터 시제품 생산에 돌입해 현재 여러 고객사에 샘플을 공급하고 테스트를 진행 중이며, 2027년 양산 돌입을 목표로 하고 있다.

특히 최근 독일 BMW와 ‘전고체 배터리 실증 프로젝트’ 관련 업무협약을 체결하는 등 전고체 배터리 상용화를 위한 차별화된 경쟁력을 지속적으로 확보해 가고 있다.

④ 삼성디스플레이는 충남 아산사업장에 구축 중인 8.6세대 IT용 OLED(유기발광다이오드) 생산 시설에서 내년부터 본격적으로 제품을 양산 예정이다.

이 라인은 올해 말 시험 가동에 들어가 내년 중순경 IT기기에 들어가는 디스플레이 제품을 양산할 계획이다.

이 외 삼성디스플레이는 지난해 오픈한 충남테크노파크 혁신공정센터에 노광기를 포함한 유휴설비 14종을 올해 기증했다.

⑤ 삼성전기는 2022년부터 고부가 반도체 패키지기판 거점 생산 기지인 부산에 생산 능력 강화를 위한 투자를 진행하고 있다.

삼성전기는 반도체 고성능화, AI·서버 시장 확대 등에 따라 급증하는 하이엔드급 패키지기판 시장을 적극 공략 중이다.

부산사업장에서는 국내 최초로 기술 난이도가 매우 높은 서버용 패키지기판을 개발해 양산 중이다. 부산사업장에서 양산 중인 FC-BGA를 기존 빅테크에 공급 확대하고, AI 가속기용 신규 고객사 다변화를 강화해 정부의 AI 기반 성장 기조에 보탬이 될 것이다.

청년 일자리 창출

삼성은 상황이 어렵더라도 향후 5년간 6만명을 신규 채용하기로 했다.

또 이 같은 직접 채용 이외에도 사회적 난제인 ‘청년실업 문제’ 해소에 기여하고자 다양한 ‘청년 교육 사회공헌사업’을 펼치고 있다.

삼성의 청소년 교육·상생 협력 관련 CSR 프로그램은 직/간접적으로 8천 개 이상의 일자리를 만들어내고 있다.

① SSAFY (삼성청년SW·AI아카데미)

SSAFY는 미취업 청년들에게 양질의 SW·AI 전문 교육을 제공해 취업 경쟁력을 강화할 수 있도록 지원하는 프로그램이며 현재 서울/대전/광주/구미/부산 등 전국 5개 캠퍼스를 운영 중이다.

2018년부터 현재까지 누적 8천명 이상의 수료생들이 2천여 개 기업으로 취업해 ‘실전형 인재’로 인정받으며 활약하고 있으며 누적 취업률은 약 85%이다.

이와 관련 삼성은 2023년 5대 시중은행과 업무 협약을 맺고 금융 특화 개발자를 양성하는 데 협력하고 있다.

SSAFY는 올해부터 전체 교육의 60%를 AI 관련 과정으로 확대한 AI 커리큘럼 중심의 ‘SSAFY 2.0’으로 업그레이드했으며, 격차해소를 위해 마이스터고 졸업생에게도 문호를 개방했다.

② 희망디딤돌2.0

삼성은 2015년부터 자립준비청년들의 주거 안정을 지원해 왔으며, 2023년부터는 직무 교육을 추가해 경제적 자립까지 돕고 있다.

삼성은 자립준비청년들의 의견을 청취해 청년들이 원하는 분야의 기술·기능 역량을 쌓을 수 있도록 ▲전자/IT제조 ▲선박제조 ▲공조냉동 ▲제과/제빵 ▲네일아트 ▲애견미용 ▲SW 개발 ▲광고/홍보 ▲중장비운전 ▲반도체배관 등 10개 직무 과정을 운영하고 있다.

관계사들의 업을 기반으로 청년들에게 직무교육을 실시해 2023년 출범 이후 수료자 총 152명 중 70명이 취업에 성공했다.

③ C랩 아웃사이드

삼성은 2018년부터 C랩 아웃사이드를 통해 우수 스타트업을 발굴하고 이들이 혁신을 이어갈 수 있도록 지원하며 스타트업 생태계 조성에 기여하고 있다.

C랩 아웃사이드는 창업 아이디어는 있으나 자금이나 사업 노하우가 부족한 삼성 외부의 유망 스타트업을 지원하는 프로그램이다.

연간 30개 스타트업을 선발해 ▲사업지원금(최대 1억원) ▲전용 업무공간 ▲맞춤형 컨설팅 서비스 ▲국내외 전시회 참가 기회 등을 제공한다.

삼성은 누적 540여 개사를 육성했으며, 대구/광주/경북 등 3개 지역에서 C랩 지역 거점을 운영하면서 지방의 우수 스타트업을 육성하는 등 지역경제 활성화에도 기여 중이다.

④ 청년희망터 (지역청년지원사업)

2022년부터 지역사회 문제 해결을 위해 공익활동을 전개하는 청년활동가 단체를 지원하여 청년 일자리 창출과 지역 발전에 기여해 왔다.

도시재생, 문화관광 등 다양한 분야에서 활동 중인 지역 청년활동가를 지원해, 청년들이 지방의 경기 활성화와 일자리 창출의 마중물 역할을 하게 하기 위한 것이다.

공모를 통해 선발된 청년활동가 단체는 연 최대 5천만원을 지원하고 있으며 2022년부터 총 56개 지역 80개 단체, 총 1,414명의 청년활동가를 지원하고 있다.

협력회사와 상생

삼성은 1~3차 협력회사의 경영 부담 완화를 위해 설비투자, 기술개발, 운영자금 등에 필요한 자금 대출에 대해 저리로 대출을 지원하고 있다. 올 상반기 현재 1,051개사에 대해 2조321억원을 지원 중이다.

삼성은 또 중소/중견 협력회사에 대한 스마트 공장 구축 지원은 물론 ESG 경영 전환을 돕기 위해 2024년부터 협력회사의 안전/환경 투자 비용에 대해 무이자 대출 지원도 진행 중이다.

삼성은 반도체 및 디스플레이 사업장에 상주하는 협력회사 임직원의 작업품질 향상, 사기진작 및 안전사고 예방을 위해 우수 협력회사 임직원을 대상으로 2010년부터 인센티브를 지급하고 있다. 2025년 상반기까지 총 8,146억원의 인센티브를 지급했다.

^{* TLC(Triple Level Cell): 하나의 셀에 3bit 데이터를 기록할 수 있는 구조}

▲ 업계 최초 양산, 삼성전자 9세대 V낸드 제품

삼성전자는 ▲업계 최소 크기 셀(Cell) ▲최소 몰드(Mold) 두께를 구현해 ‘1Tb TLC 9세대 V낸드’의 비트 밀도(Bit Density)를 이전 세대 대비 약 1.5배 증가시켰다.

^{* 비트 밀도(Bit density): 단위 면적당 저장되는 비트(Bit)의 수}

더미 채널 홀(Dummy Channel Hole)제거 기술로 셀의 평면적을 줄였으며, 셀의 크기를 줄이면서 생기는 간섭 현상을 제어하기 위해 셀 간섭 회피 기술, 셀 수명 연장 기술을 적용해 제품 품질과 신뢰성을 높였다.

^{* 더미 채널 홀 (Dummy Channel hole): Cell Array에서 Plane을 구분하기 위해 만들어진 동작을 수행하지 않는 채널 홀}

삼성전자의 ‘9세대 V낸드’는 더블 스택(Double Stack) 구조로 구현할 수 있는 최고 단수 제품으로, ‘채널 홀 에칭(Channel Hole Etching)’ 기술을 통해 한번에 업계 최대 단수를 뚫는 공정 혁신을 이뤄 생산성 또한 향상됐다.

‘채널 홀 에칭’이란 몰드층을 순차적으로 적층한 다음 한번에 전자가 이동하는 홀(채널 홀)을 만드는 기술이다. 특히, 적층 단수가 높아져 한번에 많이 뚫을수록 생산효율 또한 증가하기 때문에 정교화∙고도화가 요구된다.

‘9세대 V낸드’는 차세대 낸드플래시 인터페이스인 ‘Toggle 5.1’이 적용돼 8세대 V낸드 대비 33% 향상된 최대 3.2Gbps의 데이터 입출력 속도를 구현했다. 삼성전자는 이를 기반으로 PCIe 5.0 인터페이스를 지원하고 고성능 SSD 시장을 확대해 낸드플래시 기술 리더십을 공고히 할 계획이다.

^{* Toggle DDR: 낸드플래시 인터페이스 규격으로, 1.0은 133Mbps, 2.0은 400Mbps, 3.0은 800Mbps, 4.0은 1.2Gbps, 5.0은 2.4Gbps, 5.1은 3.2Gbps의 입출력 속도를 지원* PCIe(Peripheral Component Interconnect Express): 기존 SATA 전송 속도의 성능 한계를 극복한 고속 인터페이스 규격* PCIe 5.0: 기존 PCIe 4.0 대비 대역폭이 2배로 커진 32GT/s를 지원하는 차세대 PCIe 통신규격}

또 ‘9세대 V낸드’는 저전력 설계 기술을 탑재하여 이전 세대 제품 대비 소비 전력이 약 10% 개선됐다. 환경 경영을 강화하면서 에너지 비용 절감에 집중하는 고객들에게 최적의 솔루션이 될 것으로 기대된다.

삼성전자 메모리사업부 Flash개발실장 허성회 부사장은 “낸드플래시 제품의 세대가 진화할수록 고용량∙고성능 제품에 대한 고객의 니즈가 높아지고 있어 극한의 기술 혁신을 통해 생산성과 제품 경쟁력을 높였다”며, “9세대 V낸드를 통해 AI 시대에 대응하는 초고속, 초고용량 SSD 시장을 선도해 나갈 것”이라고 밝혔다.

삼성전자는 ‘TLC 9세대 V낸드’에 이어 올 하반기 ‘QLC(Quad Level Cell) 9세대 V낸드’도 양산할 예정으로 AI시대에 요구되는 고용량∙고성능 낸드플래시 개발에 박차를 가할 계획이다.

^{* QLC(Quad Level Cell): 하나의 셀에 4bit 데이터를 기록할 수 있는 구조}

^{* Gbps(Gigabit per second): 1초당 전송되는 기가비트 단위의 데이터* LPDDR5X: Low Power Double Data Rate 5X}

AI 시장이 본격적으로 활성화 되면서 기기 자체에서 AI를 구동하는 ‘온디바이스 AI(On-device AI)’ 시장이 빠르게 확대되고 있어 저전력∙고성능 LPDDR의 역할이 그 어느 때보다 커지고 있다.

이번 제품은 12나노급 LPDDR D램 중 가장 작은 칩으로 구현한 저전력∙고성능 메모리 솔루션으로 온디바이스 AI 시대에 최적화됐다. 향후 모바일 분야를 넘어 ▲AI PC ▲AI 가속기 ▲서버 ▲전장 등 다양한 응용처에 확대 적용될 것으로 기대된다.

▲ 업계 최고 속도 LPDDR5X 제품 이미지

전 세대 제품 대비해서는 ▲성능 25% ▲용량 30% 이상 각각 향상됐고, 모바일 D램 단일 패키지로 최대 32기가바이트(GB)를 지원한다.

삼성전자는 이번 제품에 저전력 특성을 강화하기 위해 성능과 속도에 따라 전력을 조절하는 ‘전력 가변 최적화 기술’과 ‘저전력 동작 구간 확대 기술’등을 적용해 전 세대 제품보다 소비전력을 약 25% 개선했다.

^{* 전력 가변 최적화 기술: 전력 절감 기술 중 하나, 프로세서에 공급되는 전압과 주파수를 동적으로 변경하여 성능과 전력소모를 함께 조절하는 기술* 저전력 동작 구간 확대 기술: 저전력으로 동작하는 저주파수 구간을 확대하여 전력소모를 개선하는 기술}

이를 통해 모바일 기기에서는 더 긴 배터리 사용 시간을 제공하고 서버에서는 데이터를 처리하는 데 소요되는 에너지를 감소시킬 수 있어 총 소유 비용(TCO, Total Cost of Ownership) 절감이 가능하다.

삼성전자 메모리사업부 상품기획실장 배용철 부사장은 “저전력, 고성능 반도체의 수요가 증가함에 따라 LPDDR D램의 응용처가 기존 모바일에서 서버 등으로 늘어날 것”이라며 “삼성전자는 앞으로도 고객과의 긴밀한 협력을 통해 다가오는 온디바이스 AI시대에 최적화된 솔루션을 제공하며 끊임없이 혁신해 나가겠다”고 밝혔다.

삼성전자는 신제품 LPDDR5X D램을 애플리케이션 프로세서∙모바일 업체와의 협업을 통해 제품 검증 후 하반기 양산할 예정이다.

▲ 업계 최고 속도 LPDDR5X 제품 이미지

업계 최초 고성능 256GB SD 익스프레스 마이크로SD 카드

삼성전자가 업계 최초로 고성능 SD 익스프레스 인터페이스 기반의 마이크로SD 카드를 개발하고 고객사에 샘플 제공을 시작했다.
^{※ SD 익스프레스: PCI익스프레스®(PCIe®)사양을 사용하는 신규 SD메모리카드용 인터페이스. 2019년 2월 발표된 SD 7.1 사양 기준 985MB/s의 데이터 전송 속도를 제공}

삼성전자는 저전력 설계 기술과 펌웨어 최적화로 발열 등 마이크로SD 폼팩터 기반 제품 개발의 기술 난제를 해결해 손톱 크기만한 폼팩터에서도 최고의 성능과 안정성을 구현해냈다.

이 제품은 SD 익스프레스 7.1 규격을 기반으로 마이크로SD 카드 최고 연속 읽기 성능인 초당 800 메가바이트(800MB/s)와 256GB의 고용량을 제공해 업계 최고 수준의 성능과 용량을 자랑한다.
^{※ 연속 읽기: 스토리지 메모리에 이미 저장된 영화 등을 불러오는 속도(MB/s)}

연속 읽기 800MB/s는 4GB 크기 영화 한 편을 메모리카드에서 PC로 5초 안에 전송할 수 있는 속도로 기존 UHS-Ⅰ카드의 연속 읽기 200MB/s 대비 최대 4배까지 향상시켰다.
^{※ UHS-Ⅰ(Ultra High Speed-Ⅰ): 2009년 1월 제정된 기존 SD 메모리 카드에서 사용되는 규격}

또한 SSD에 탑재했던 DTG(Dynamic Thermal Guard) 기술을 마이크로SD 카드에도 최초 적용해 제품 온도를 최적 수준으로 유지시켜 소형 폼팩터에서 발생하는 발열 문제를 효과적으로 해결했다.
^{※ DTG 기술: 특정 온도 이상으로 오르지 않도록 제품의 성능을 단계적으로 조절하여, 과열 등으로 발생할 수 있는 데이터 신뢰성 문제, 갑작스러운 성능 하락을 방지하는 기술}

최신 V낸드 기반 1TB 고용량 UHS-Ⅰ마이크로SD 카드

삼성전자는 최신 V낸드 기반 업계 최고 수준의 내구성을 갖춘 고용량 1테라바이트(1TB) UHS-Ⅰ마이크로SD 카드를 양산한다.

최신 8세대 1테라비트(Terabit) 고용량 V낸드를 8단으로 안정적으로 쌓아 패키징하여 기존 SSD에서 구현할 수 있었던 테라바이트급 고용량을 소형 폼팩터인 마이크로SD 카드에서도 구현해냈다.

이 제품은 방수, 낙하, 마모, 엑스레이, 자기장, 온도 변화 등 극한의 외부 환경에서도 데이터를 안전하게 보호하며 업계 최고 수준의 내구성을 갖췄다.
^{※ 데이터 보호 기능: 방수(1미터 깊이 수심에서 최대 72시간 방수), 낙하(최대 5미터 높이에서 낙하 손상 방지), 마모(최대 10,000회 마모 방지), 엑스레이(공항 검색대와 동일한 최대 100mGy에서 210초 기준), 자기장(MRI와 동일한 최대 15,000 가우스 30초 기준), 온도 변화(영하 25℃~영상 85℃)}

삼성전자 메모리사업부 브랜드제품Biz팀 손한구 상무는 “삼성전자의 새로운 마이크로SD 카드는 손톱만한 크기지만 PC 저장장치인 SSD에 버금가는 고성능과 고용량을 선사한다”며, “다가오는 모바일 컴퓨팅과 온디바이스 AI 시대의 요구를 만족시키는 고성능, 고용량 기술 리더십을 견인해 나갈 예정”이라고 밝혔다.

256GB SD 익스프레스 마이크로SD 카드는 다음달 양산해 B2B 공급을 시작으로 연내 B2C 출시 예정이며, 1TB UHS-Ⅰ마이크로SD 카드는 3분기 출시할 예정이다.

▲ SD 익스프레스 마이크로SD카드 이미지

▲ 1TB UHS-1 마이크로SD카드 이미지

삼성전자는 24Gb(기가비트) D램 칩을 TSV(Through-Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 기술로 12단까지 적층해 업계 최대 용량인 36GB HBM3E 12H를 구현했다.
^{* 24Gb(기가비트) D램 용량 = 3GB(기가바이트)* HBM3E 12H D램 용량 : 36GB (3GB D램 x 12)* TSV: 수천 개의 미세 구멍을 뚫은 D램 칩을 수직으로 쌓아 적층된 칩 사이를 전극으로 연결하는 기술}

HBM3E 12H는 초당 최대 1,280GB의 대역폭과 현존 최대 용량인 36GB을 제공해 성능과 용량 모두 전작인 HBM3(4세대 HBM) 8H(8단 적층) 대비 50% 이상 개선된 제품이다.
^{* HBM3E 12H는 1,024개의 입출력 통로(I/O)에서 초당 최대 10Gb를 속도를 지원함. 초당 1,280GB를
처리할 수 있어 1초에 30GB 용량의 UHD 영화 40여편을 업(다운)로드 할 수 있는 속도* 성능은 고객사 모의 환경 기반의 내부 평가 결과이며, 실제 환경에 따라 변동 가능}

삼성전자는 ‘Advanced TC NCF'(Thermal Compression Non Conductive Film, 열압착 비전도성 접착 필름) 기술로 12H 제품을 8H 제품과 동일한 높이로 구현해 HBM 패키지 규격을 만족시켰다.
‘Advanced TC NCF’ 기술을 적용하면 HBM 적층수가 증가하고, 칩 두께가 얇아지면서 발생할 수 있는 ‘휘어짐 현상’을 최소화 할 수 있는 장점이 있어 고단 적층 확장에 유리하다.

삼성전자는 NCF 소재 두께도 지속적으로 낮춤으로써, 업계 최소 칩간 간격인 ‘7마이크로미터(um)’를 구현했다. 이를 통해 HBM3 8H 대비 20% 이상 향상된 수직 집적도를 실현했다.

특히, 칩과 칩사이를 접합하는 공정에서 신호 특성이 필요한 곳은 작은 범프를, 열 방출 특성이 필요한 곳에는 큰 범프를 목적에 맞게 사이즈를 맞춰 적용했다. 크기가 다른 범프 적용을 통해 열 특성을 강화하는 동시에 수율도 극대화했다.
^{* 범프(Bump): 칩 사이를 전기적으로 연결하기 위해 형성한 전도성 돌기를 통칭}

또 삼성전자는 NCF로 코팅하고 칩을 접합해 범프 사이즈를 다양하게 하면서 동시에 공극(Void)없이 적층하는 업계 최고 수준의 기술력도 선보였다.

삼성전자가 개발에 성공한 HBM3E 12H는 AI 서비스의 고도화로 데이터 처리량이 급증하는 상황 속에서 AI 플랫폼을 활용하는 다양한 기업들에게 최고의 솔루션이 될 것으로 기대된다.

특히, 성능과 용량이 증가한 이번 제품을 사용할 경우 GPU 사용량이 줄어 기업들이 총 소유 비용(TCO, Total Cost of Ownership)을 절감할 수 있는 등 리소스 관리를 유연하게 할 수 있는 것도 큰 장점이다

예를 들어 서버 시스템에 HBM3E 12H를 적용하면 HBM3 8H를 탑재할 때 보다 평균 34% AI 학습 훈련 속도 향상이 가능하며, 추론의 경우에는 최대 11.5배 많은 AI 사용자 서비스가 가능할 것으로 기대된다.
^{* 동일 GPU 인프라 조건에서 내부 데이터와 시뮬레이션을 기반으로 산출한 값}

삼성전자 메모리사업부 상품기획실장 배용철 부사장은 “삼성전자는 AI 서비스를 제공하는 고객사의 고용량 솔루션 니즈에 부합하는 혁신 제품 개발에 힘쓰고 있다”며 “앞으로 HBM 고단 적층을 위한 기술 개발에 주력하는 등 고용량 HBM 시장을 선도하고 개척해 나갈 것”이라고 밝혔다.

삼성전자는 HBM3E 12H의 샘플을 고객사에게 제공하기 시작했으며 상반기 양산할 예정이다.

▲ HBM3E 12H D램 제품 이미지

삼성전자가 이번에 생산하는 반도체는 첨단 운전자 지원 시스템(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)에 탑재되는 암바렐라의 최신 SoC(System on Chip) ‘CV3-AD685’이다.

CV3-AD685는 암바렐라의 차세대 인공지능 엔진(CVflow)을 탑재하고 있으며, 카메라와 레이다를 통해 입력된 운전 상황을 스스로 판단하고 제어하는 등 자율주행 차량의 두뇌 역할을 한다.

삼성전자는 첨단 5나노 공정에 오토모티브 전용 IP, 최신 공정, 패키징 기술과 노하우를 총 집약해 자율주행 차량용 고성능·저전력 반도체를 생산한다.

암바렐라의 CV3-AD685는 삼성전자의 첨단 5나노 공정 활용 등으로 인공지능 성능이 전작 대비 20배 이상 향상됐다.

삼성전자와 암바렐라의 협력은 자율주행차 분야에서 고성능·저전력 인공지능 반도체 기반 차세대 운전자 지원 시스템의 안전 수준을 한 차원 높일 것으로 기대된다.

암바렐라 CEO 페르미 왕(Fermi Wang) 사장은 “삼성전자와의 긴밀한 협업을 통해 첨단 5나노 공정에서 암바렐라의 최신작인 CV3-AD685 SoC를 생산하게 돼 기쁘다”며 “삼성전자의 검증된 오토모티브 공정을 통해 자율주행 첨단 운전자 지원 시스템과 ‘레벨 2+’부터 ‘레벨 4’ 구현에 필요한 높은 수준의 인공지능 성능과 전력 효율을 구현할 수 있게 됐다”고 밝혔다.

삼성전자 파운드리사업부 심상필 부사장은 “삼성전자의 첨단 5나노 공정은 자율주행 차량의 전례 없는 성능 향상을 가져온다”며 “앞으로 많은 자동차 업계 고객들이 CV3-AD SoC의 탁월한 성능을 경험할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

한편, 삼성전자는 최신 4나노 공정도 오토모티브로 확대하는 등 파운드리 공정 기술 리더십을 강화하고 자율주행 차량 분야 신규 고객사를 지속 확대할 예정이며, 2027년까지 파운드리 사업에서 모바일 외 제품군의 매출 비중을 50% 이상 높여 나갈 계획이다.

어디서나 끊김 없이 빠른 통신을 지원한다: AI 기술 탑재한 초고성능 ‘모뎀’

‘모뎀(Modem)’이라고 하면, 흔히 90년대 PC에서 인터넷 접속을 위해 사용했던 전화 접속 모뎀(Dial-up Modem)부터 DSL(Digital Subscriber Line, 디지털 가입자 회선) 모뎀, 케이블 모뎀과 같은 유선 통신 모뎀과 셀룰러 모뎀, 와이파이 모뎀 등 무선 통신 모뎀을 모두 포함한다. 다만 요즘 모바일 업계에서 말하는 ‘모뎀’은 무선 통신 모뎀 중에서도 LTE, 5G 등을 지원하는 셀룰러(cellular) 모뎀을 주로 지칭한다.

스마트폰에서 셀룰러 모뎀은 기지국과 신호를 주고받으면서 전화 및 데이터 송수신 기능을 담당한다. 어디서든 전화가 잘 터지고, 끊김 없는 영상을 즐길 수 있는 것은 바로 고성능 셀룰러 모뎀이 있기 때문이다. 오늘날 최신 셀룰러 모뎀은 2G부터 5G까지의 기술을 지원한다.

셀룰러 모뎀은 아날로그 통신 방식을 이용해 전화 통화만 가능한 1G부터 시작됐다. 2G부터 디지털 통신 방식^[1]을 채용했으며, 문자 전송(SMS)과 같은 부가서비스가 가능해졌다. 3G에서는 모바일 브로드밴드(mobile broadband)^[2]의 초석을 닦아 휴대폰에서 인터넷 사용이 가능하게 됐고, 4G에서는 고화질 영상을 끊김없이 볼 수 있는 진정한 모바일 브로드밴드 시대가 열렸다. 2019년 세계 최초로 한국에서 상용화된 5G의 속도는 현재, 10Gbps 수준을 달성했고, 저지연·초연결성 기술을 이용해 모바일 외 다양한 응용처를 만들어내고 있다.

▲이동통신 세대별 특징 비교

LTE 시대가 도래하면서 데이터 전송 속도가 비약적으로 빨라졌고, 휴대폰이 컴퓨터와 거의 유사한 기능을 제공할 수 있게 됐다. 2000년대 이전부터 자체 모뎀 개발을 시작했던 삼성전자는 2007년 본격적으로 LTE 모뎀 칩 개발에 착수했고, 2G와 3G 기술까지 섭렵하면서 2009년 세계 최초 LTE 모뎀 상용화에 성공했다. 

▲모뎀과 기지국의 통신 과정

삼성전자의 LTE 모뎀이 갤럭시 S시리즈에 처음 들어간 것은 2012년이다. 2019년에는 최초로 5G 통신 모뎀과 모바일 AP를 하나로 합친 5G 통합 SoC 엑시노스가 개발됐다. 각각의 기능을 하는 2개의 칩을 하나로 합쳐 전력 효율과 부품이 차지하는 면적을 줄여 스마트폰 제조사의 설계 편의성을 높였다. 현재, 엑시노스의 5G 모뎀^[3]은 서브 6GHz(Sub-6GHz)뿐만 아니라 28GHz와 39GHz 등 을 모두 지원한다. 덕분에 서브 6GHz로 서비스 가능 범위(coverage)를 넓히고, 기지국 근처에서는 mmWave로 초고속 통신을 제공한다.

오늘날 삼성전자는 전 세계에서 손꼽히는 3대 5G 모뎀 설계 기업 중 하나다. 삼성전자 DS부문 미주연구소를 거쳐 현재 시스템 LSI사업부에서 모뎀개발팀장을 맡고 있는 신호 처리(signal processing) 분야 전문가인 이정원 상무는 “모뎀 기술은 3G, LTE 등의 이미 상용화된 주파수와 5G와 같은 신규 주파수를 모두 지원해야 하기 때문에, 기본적으로 개발 과정이 어렵고 복잡하다. 또한, 이를 위한 투자 규모도 상당히 큰 편이다 보니 전 세계적으로 개발사 자체가 많지 않다”며 “알고리즘 개발부터 칩 설계, 소프트웨어 개발, 필드 테스트 등 개발 시간 자체도 많이 걸리는 분야”라고 설명했다.

▲셀룰러 모뎀 개발 성능 향상을 위해 매진하고 있는 모뎀개발팀의 이정원 상무(오른쪽)와 제희원 PL(왼쪽)

삼성전자는 서비스 가능 지역(coverage)를 최대한 개선하기 위해 세계 각국에서 필드 테스트를 진행하고 있고, 전송 속도를 높이기 위해 베이스밴드 신호 처리 방식 개선, 인공지능(이하 AI) 기술 활용 등 많은 노력을 하고 있다. 그 결과, 아직 상용화는 되지 않았지만 지난해 AI 알고리즘을 적용한 모뎀을 만드는데 성공했다. 이정원 상무는 “AI 기술이 탑재된 모뎀은 AI 프로세서를 활용해 간섭 신호 처리를 최적화하거나 전력 효율성을 높이는 등의 성능 향상을 도모할 수 있다”고 말했다.

5G뿐만 아니라 삼성은 현재 6G 기술 개발에도 적극적으로 나서고 있다. IEEE^[4]의 펠로우로 선정되며 모뎀 신호 처리 기술 개발의 업적을 인정받기도 했던 이정원 상무는 “지금은 세계 최고의 5G 모뎀과 5G-Advanced 모뎀 개발에 매진하고 있으며, 곧 다가올 6G 시대를 위해 미주연구소, 삼성리서치와 협업하며 6G 모뎀 기술 연구를 준비하고 있다”고 강조했다.

이어 그는 “6G 모뎀은 1Tbps급 속도가 가능할 것으로 보이며, 위성 통신 등 다양한 통신 네트워크를 지원하고, 스마트폰을 넘어서 자동차, IoT, 증강현실(AR)/가상현실(VR) 등 다양한 응용처에 널리 쓰일 것으로 기대된다”며 “6G 시대가 오기 위해선 THz(테라헤르츠) 등 다양한 대역의 주파수 지원, 수백 개 이상의 다중 안테나 지원, 고도화된 AI 기술, 통신 네트워크 신호 효율화 기술 등이 뒷받침되어야 한다”고 설명했다.

한편, 이 상무는 삼성전자의 모뎀 개발 목표에 대해서는 ‘안드로이드에 탑재될 최고의 모뎀을 만드는 것’을 우선적으로 꼽았다. 그는 “단기적으로는 5G 사업을 확대하고, 중장기적으로는 6G 기술 연구를 통해 6G 시대에 선도적인 위치를 선점하는 것을 목표로 하고 있다”고 전했다. 삼성전자는 이러한 성능 향상과 관련 비즈니스 시장 확대를 위해 모뎀개발팀의 인력을 대폭 충원할 계획이다.

모뎀 분야의 매력이 무엇인지 묻자, 이정원 상무는 “모뎀 기술을 이끄는 글로벌 메이저 기업의 개발진으로서 자부심을 갖고 있으며, 개인적으로는 이론에서 습득한 것을 제품에 적용할 때에 실제 그대로 구현되는 경우가 많아 더욱 재미를 느낀다”고 말했다. 마지막으로 그는 “요즘은 언제 어디서든 매끄러운 전화 연결과 빠른 속도의 인터넷 경험이 아주 기본적이고 당연한 일이 됐다. 이 기본적인 라이프를 경험할 수 있게 하는 것이 모뎀의 역할이며, 그 역할을 더욱 잘 유지시켜 가는 것이 모뎀 개발진의 임무”라고 덧붙였다.

광범위한 무선 통신 환경을 만든다: 끊김 없는 빠른 속도 지원하는 커넥티비티

무선 통신을 위한 통신 규격은 크게 ‘셀룰러 통신’과 ‘커넥티비티(이하 Connectivity)’로 나뉜다.

3GPP^[5]로 대표되는 셀룰러 통신은 CDMA, LTE, 5G와 같은 이동 통신 규격이다. 주파수 경매를 통해 각 이동 통신 사업자들에게 할당된 특정 면허 대역이 있으며, 기지국 인프라를 통해 해당 대역에서 주로 넓은 범위의 통신 서비스를 제공한다. 반면, Connectivity는 IEEE 802.11(Wi-Fi)/802.15(Bluetooth, ZigBee, UWB^[6]로 대표되며, 누구나 사용 가능한 비면허 대역을 사용하여 주로 실내와 같이 국지적인 지역에서 불특정 다수를 대상으로 통신 서비스를 지원한다.

▲무선 통신을 위한 통신 규격 종류

셀룰러 통신이 넓은 지역을 커버할 수 있도록 기지국을 세워 사업하는 모빌리티(mobility) 근간의 인프라 서비스라고 한다면, Connectivity는 기지국 없이 근거리에서 기기간 무선 접속을 가능하게 하는 포터빌리티(portability)를 추구한다. 그 중에서도 와이파이(이하 Wi-Fi)는 블루투스나 Zigbee보다 속도가 빠르고 도달 거리가 길어, 휴대폰과 노트북에서 무선 인터넷에 접속하는 데 보편적으로 사용된다.

지금은 Wi-Fi가 없는 일상을 생각조차 하기 어렵지만, 20여 년 전만 하더라도 Wi-Fi가 무선 데이터 통신 기술의 대표 주자로 자리 잡을 것이라 예상하지 못했다. 오늘 날 스마트폰의 기반 기술로 확장되면서, 셀룰러 통신 대비 낮은 구축·운용 비용으로 날로 급증하는 데이터 트래픽에 가장 효과적으로 대응할 수 있는 수단으로 주목받고 있다. Wi-Fi는 셀룰러 네트워크와는 다르게 통신 도달 반경이 수백미터 이하로 국부적이며, 비면허 대역 특성상 같은 대역을 사용하는 다른 통신 시스템과의 간섭 현상이 발생할 수 있다. 이로 인해 Advanced QoS^[7]를 지원하는데 리스크가 있으나, 최근 셀룰러 네트워크와 Wi-Fi 간의 연동 기술이 지속적으로 발전하면서 ‘끊김 없는 사용자 경험’이라는 큰 편의를 제공하고 있다. 특히, 우리나라에서 Wi-Fi는 이미 특정 기술 차원을 넘어 공공성을 지닌 사회기반시설(infrastructure)로 인식되고 있다.

2016년, Connectivity개발팀 신설 당시 초대 팀장을 맡았던 김준석 부사장은 “당시 Wi-Fi 기술을 엑시노스 내에 통합될 수 있는 수준까지 끌어올리기 위해 전문팀이 만들어졌다”며 “4년여 만에 안정성과 완성도를 높이는 데 성공하면서 6세대 Wi-Fi까지 상용을 성공시켰고, 투자와 인력이 부족했음에도 단기간 내에 기술력을 따라잡았다”고 회상했다.

▲6년이라는 단기간에 시장 선도 기업에 근접한 엑시노스의 Wi-Fi 기술

삼성전자는 현재 기존의 Legacy Wi-Fi 규격을 모두 포함한 ‘Wi-Fi 6E’제품의 상용을 준비하며, 차세대 플래그십향으로 단품(Discrete) 형태의 Wi-Fi 7제품을 개발 중이다. Wi-Fi는 최신 규격을 지원하는 모바일 제품부터 기존 IoT까지 모두 연결성을 지원해야한다. 따라서 Wi-Fi 1~5 수준의 성능을 유지·보완하며, 최신 규격까지 성능을 확보하는 것이 관건이다. 특히 2024년부터 시장에 확장될 것으로 보이는 최신 규격(Wi-Fi 7)은 멀티 링크 동작 (MLO)^[8], 320MHz 대역폭, 4096QAM^[9]등 빠른 데이터 전송 속도, 데이터 전송 용량의 증가, 다수의 사용자가 있는 환경에서도 끊김 없는 무선 통신 지원, 개선된 전력 효율이 강점이다.

▲Wi-Fi 시장 규모는 2022년 47억대에서 2027년 60억대 수준으로 성장이 전망된다. (연평균 성장률 약 5%). 출처: LANCOM(Survey Digital Policy in Germany), TSR(22.06.)

Wi-Fi의 고속 전송 성능 향상을 위해서는 내부 프로세서 코어(Processor Core)가 지금보다 복잡해져야 하며, 고용량 내부 메모리 탑재가 필요하다. 김준석 부사장은 “이를 위해 멀티 프로세서 구조의 연구·개발을 비롯해 고속 전송에 필요한 IP들을 계속 보강 중이다”며 “현재까지 Wi-Fi 솔루션은 주로 미국, 대만을 비롯한 외국 회사가 주도해 왔지만, 엑시노스의 Wi-Fi 기술은 국내 Wi-Fi 솔루션 중에서 유일하게 대규모로 상용화됐다. 모바일 SoC에 탑재(integrated)하는 Wi-Fi 기술로서는 다른 회사와 비교해도 경쟁력있는 기술력이라 자부한다”고 말했다.

사실 일반 사람들에게 Wi-Fi 기술은 첨단 기술이라는 인식은 다소 낮은 반면, 어디서나 끊김없이 사용할 수 있어야 한다는 기대치는 매우 높다. 이에 대해 김 부사장은 “LTE, 5G와 같은 셀룰러는 통신사의 적극적인 마케팅을 통해 쉽게 정보를 접하다 보니 일반 사용자들도 첨단 기술로 인식하는 반면, Wi-Fi 기술은 어떻게 진화를 하고 있는지조차 잘 모르는 경우가 많다”며 아쉬움을 토로했다.

▲지난 20여 년간 꾸준히 커넥티비티(Connectivity) 기술 연구를 이어온 김준석 부사장

다가오는 미래에도 Wi-Fi의 역할이 여전히 중요할지 묻는 질문에 김준석 부사장의 답변은 단호했다. “현재 Wi-Fi를 통해 전송되는 데이터는 전체 무선 데이터 트래픽의 70~80% 수준^[10]으로, 셀룰러와 Connectivity 기술이 추구하는 사용 시나리오가 서로 다른 현실 상, 앞으로도 이러한 추세는 쉽게 변하지 않을 것”이라며 “Wi-Fi 기술과 셀룰러 기술은 상호 보완하며 동반 발전해야 하는 관계이며, 우리 삶에서 IT 기술의 역할이 커질수록 음영 지역을 줄이고 실내에서 안정적인 연결성과 고속 데이터 서비스를 제공하는 Wi-Fi 기술은 매우 중요해진다”고 설명했다.

특히, 증강현실(AR), 가상현실(VR), 메타버스 등과 같은 미래 기술을 활성화하기 위해서는 고속·저지연이 중요하다. 김 부사장은 “Wi-Fi는 2.4GHz, 5GHz, 6GHz와 같이 저주파수 대역을 사용하기 때문에 회절성이 상대적으로 높아 안정적으로 데이터 고속 전송이 가능하다”고 설명하며, 최근 오픈된 6GHz대역에서 320MHz 대역폭이 가능해지면서 기기 간 초고속·저지연 연결이 당초 예상보다 빨리 실현될 수도 있어 이를 위한 Wi-Fi 개발의 중요성을 강조했다. 또한 같은 시기에 Connectivity팀에서 최신 사양(BT5.2)까지 개발, 상용 완료한 Bluetooth, 고성능 측위를 위해 L5위성과 센서보정기술까지 적용하여 Flagship진입에 성공한 GNSS, 그리고 최근 수cm레벨 정확도의 실내 위치 측정을 위해 개발 완료하여 첫 상용을 준비중인 UWB기술까지 접합한다면 앞으로 많은 고사양 IoT 서비스와 application에서 강력한 위력을 발휘할 수 있다는 의견을 피력했다.  

마지막으로 그는 “최신 기술 적용 제품의 시장 표준 선점과 미래 경쟁력 확보, 그리고 기술 개발의 지속성, 호환성과 안정성 조기 확보 차원에서 Wi-Fi 무선 공유기(Access Point)^[11]구현과 관련된 제품 시장에도 진출하기를 개인적으로는 기대하고 있다”고 덧붙였다.

스마트폰 속 개인정보를 안전하게 보호한다: 독립적인 보안 실행 환경 강화하는 시큐리티(iSE)

오늘날 스마트폰은 신분증이나 지갑의 역할을 대체하기도 한다. 대표적인 예로 생체 인식, 모바일 신분증(eID), 삼성페이 등이 있다. 이러한 서비스들은 사용자 인증을 요구하는 경우가 많은데, 사용자 인증을 하는 과정에서 해킹 발생 가능성이 높다. 따라서 소프트웨어 차원의 보안을 넘어, 하드웨어 상의 즉 반도체 레벨에서의 높은 수준의 보안이 요구된다.

스마트폰에서 보안을 제공하는 반도체를 ‘SE(Secure Element)’라고 한다. 기존에는 SoC 외부에 eSE(embedded Secure Element)가 별도로 존재했으나, 엑시노스 2020부터 SoC 내부의 시큐리티 블럭에 iSE(integrated Secure Element)를 탑재하고 있다.

Design Platform개발팀을 이끌고 있는 이종우 상무는 “엑시노스의 iSE는 Secure Tamper-Resistant of Next Generation의 첫 알파벳을 딴 ‘STRONG’이라는 프로젝트명으로 탑재되고 있다. iSE는 SoC 내 독립된 보안 프로그램 실행 환경으로서, 외부에 단독으로 추가하는 eSE의 역할뿐만 아니라, SoC 보안을 컨트롤할 수 있다. 선단 공정을 사용해 성능이 높고, 외부 메모리(DRAM, Flash)로 안전한 확장이 가능하다”며 “SoC 보호를 위한 ‘액티브 보안 모듈’의 역할로 확장될 수도 있다”고 설명했다.

▲모바일 기기의 보안 환경 강화를 위해 매진하고 있는 AP S/W 개발팀의 박근영 님, Design Platform개발팀의 이종우 상무, 강보경 PL, 김성현 님(왼쪽부터)

iSE의 응용처는 ‘기기 보안(device security)’과 ‘보안 서비스(security service)’로 나눌 수 있다. ‘기기 보안’은 기기 자체의 보안 강화 요구이고, ‘보안 서비스’는 모바일 기기에서의 모바일 신분증, 페이먼트, 자동차 키 등 사용자 정보를 기반으로 하는 것. 이종우 상무는 “올 초, iSE의 대표적인 응용 서비스인 ‘iSIM^[12]’의 PoC(Proof of Concept)를 마쳐 개발에 성공했다”며 “데이터 보안 SW 기업 탈레스(Thales), 보안 OS를 개발하는 삼성리서치와 함께 긴밀하게 협업한 결과”라고 강조했다.

iSIM은 ‘eSIM(embedded SIM)’에서 한 단계 발전한 형태로, SIM 기능을 SoC 내에 통합한 형태다. 사용자 입장에서는 SIM 카드 교체 없이 통신사 변경이 가능하고, 2개 이상의 전화번호를 보유할 수 있으며, 여러 통신사를 한 기기 안에서 사용할 수 있어 편하다. 한편, 세트 메이커(Set maker) 입장에서는 SIM 카드 슬롯(Slot)을 없앨 수 있고, eSIM처럼 별도의 반도체 없이 SoC 내에서 구현돼 부품 공간을 줄이는데 유리하다.

▲uSIM, eSIM, iSIM 사이즈 비교

iSIM의 개발이 더욱 의미가 있는 이유는 iSIM이 탑재될 수 있는 기술 환경 조건이 상당히 까다롭기 때문. 이종우 상무는 “iSIM은 ‘CC EAL4+^[13]’이라는 특정 보안 수준 이상의 하드웨어와 OS 소프트웨어 위에 탑재되어야 한다는 GSMA 조건을 충족해야 하는데, 우리는 가이드라인보다 한 단계 높은 ‘CC EAL5+’ 인증 수준의 하드웨어를 갖췄다”며 “또한 대용량 SIM 프로파일을 탑재할 수 있는 시큐어 외부 메모리를 구현하고 있다”고 강조했다.

이 상무는 “삼성전자는 eSIM과 iSIM의 근간이 되는 eSE와 iSE를 모두 제공할 수 있는 유일한 기업인 만큼 스마트폰 제조사가 유연하게 채택할 수 있는 솔루션을 제공할 것”이라고 밝혔다. 이어 그는 “개인적으로 보안 영역에서 ‘완벽하다’는 것은 존재하지 않는다. 완벽에 가까운 보안을 위해 노력하는 것”이라며 “플랫폼의 다양한 보안 기능을 수용할 수 있는 고차원의 보안 실행 환경을 제공하도록 팀원들과 함께 노력하겠다”고 전했다.

컴퓨터를 능가하는 두뇌를 탑재하다: Arm社와의 협력 강화하는 CPU

컴퓨터에서 CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치)는 사람의 ‘대뇌’에 비유되곤 한다. 기억, 해석, 연산, 제어라는 4대 주요 기능을 담당하는 가장 핵심적인 장치로서 PC의 전반적인 성능을 좌우한다. 모바일 CPU 역시, 운영체제(OS) 위에서 모든 소프트웨어(애플리케이션)를 실행하고 다른 하드웨어 장치들을 제어하는 역할을 한다.

CPU의 성능은 클럭^[1] 속도, IPC^[2], 코어^[3] 수 등에 따라 결정된다. 과거 피처폰에 들어가던 CPU는 단순한 파이프라인 구조의 단일 코어로 병렬 처리가 제한돼 최대 주파수가 수백 MHz 수준에 불과했다. 하지만 오늘날 스마트폰의 CPU는 슈퍼스칼라^[4] 구조로 여러 개의 명령어를 병렬 처리하고 최대 주파수는 3GHz(초당 30억 번의 신호를 생성한다는 의미)에 이르며, 멀티 코어 구조를 갖는다. 모바일 CPU가 이제 데스크탑 CPU 이상의 고성능 마이크로 아키텍처를 구현하는 것.

엑시노스에 탑재된 CPU는 소형화·저전력화를 위해 ‘빅코어(Big Core)’에서 ‘빅리틀(Big-Little)’로, 다시 ‘빅미드리틀(Big-Mid-Little)’ 구조로 발전해왔다. ‘빅리틀’은 전력 소모가 적게 필요한 곳에는 작은 코어(Little Core)를 돌려서 조금만 전류를 소모해 배터리를 절약하는 개념이다. 예를 들면, 문자를 쓸 때와 3D 게임을 할 때에 필요한 CPU 성능이 다르기 때문에, 문자를 보내기 위해 굳이 고성능의 CPU 코어를 돌리는 것이 불필요하다는 것이다.

▲ 20여 년간 줄곧 CPU 분야에 몸담고 있는 CPU 전문가 정우경 PL

엑시노스에 탑재되는 CPU 관련 모든 업무를 총괄하는 SoC설계2팀 정우경 PL은 “CPU는 SoC 등 모든 시스템의 경쟁력을 크게 좌우할 뿐 아니라, 반도체의 첨단 기술 적용에 있어 가장 최우선 순위에 있는 중추적인 분야”라며 입사 이래 20여년 간 몸담은 CPU에 대해 설명했다.

이어 그는 “개발 핵심은 제한된 전력 한도(power budget) 내에서 고성능을 내는 것”이라며 “다양한 시나리오에서 최대의 효율을 내기 위해 종류가 다른 CPU 코어들(Big-Mid-Little Core)을 적절히 조합해 운영하는 것이 중요하다”고 말했다. 엑시노스의 CPU는 게임, 카메라 등 고성능을 요하는 다양한 모바일 시나리오에서 최고의 경험을 제공할 수 있도록 동작 코어 조합을 최적화시킨다.

▲ 엑시노스 2200의 CPU 코어 구조

삼성전자는 반도체 설계 기업 Arm의 IP를 활용해 CPU 성능을 끌어올리고 있다. 내부 개발진의 구체적인 업무 영역에 대해 물었다. 정우경 PL은 “제품에 들어갈 CPU의 목표 성능을 결정하고, CPU IP를 입수, 성능을 예측 및 검토, 검증 작업을 거치며, 양산 전 디버깅^[5] 등 CPU 성능 향상을 위한 전반적인 개발 업무를 수행한다”며 “Arm에서 RTL^[6]로 제공된 CPU 설계를 최적의 반도체 칩으로 구현하는 것과 CPU 성능을 최대로 낼 수 있도록 적합한 메모리 서브시스템 등 CPU 주변 회로를 설계·구현하는 것 모두 SoC설계팀의 업무”라고 덧붙였다.

정우경 PL은 앞으로의 개발 방향에 대해 “Arm CPU를 채용하면서 ‘칩 레벨(Chip Level)’이 아닌 ‘세트 레벨(Set Level)’까지 소프트웨어 최적화를 하여 모바일 업계 최고 CPU를 만들 것이며, ‘E2E(End-to-End) Total Solution Provider’를 향한 비전을 갖고 있다”면서 “이러한 목표 달성을 위해 CPU 개발진들은 제품의 초기 개발 단계에서부터 Arm, 세트 업체, 파운드리 공정 등과 One Team으로 매우 긴밀하게 협력하고 있으며, 성능 향상을 위해 차세대 패키징(Advanced Packaging) 기술 활용 등 다양한 방안을 모색하고 있다”고 밝혔다.

특히, 정 PL은 앞으로 AR, 메타버스 등 미래 기술과 관련해서 CPU, GPU, NPU와 같은 모든 프로세서를 적절히 활용한 SoC 레벨의 통합 머신러닝(Machine Learning) 처리 성능이 중요한 핵심 경쟁력이 될 것으로 내다봤다. 이어 그는 “CPU도 머신러닝 처리 성능을 강화하여 경쟁력 확보에 힘쓸 것”이라고 강조했다.

상상하는 것, 기술을 통해 이룬다: 6세대에 걸친 고도화된 독자 기술력 기반의 NPU

NPU(Neural Processing Unit, 신경망처리장치)는 딥러닝 알고리즘 연산에 최적화된 프로세서로, 빅데이터를 사람의 신경망처럼 빠르고 효율적으로 처리할 수 있다. 이러한 특징 때문에 인공지능(이하 AI) 연산에 주로 활용되는 반도체다. 설명은 다소 어렵게 들리지만, 이미 우리 생활에서 흔히 사용되고 있다. 스마트폰 카메라로 사진을 찍을 때 배경 안의 사물·환경·인물을 인식해 자동으로 초점을 조정하는 것, 음식 사진 촬영 시 카메라가 음식 모드로 자동 전환되는 것, 촬영된 결과물에서 불필요한 피사체만 지울 수 있는 것도 모두 NPU 덕분.

▲ 최신 스마트폰의 ‘AI 지우개’ 기능은 NPU의 발전으로 가능하게 됐다.

NPU가 없던 과거에는 주로 GPU로 AI 연산을 수행했는데, 하드웨어의 구조적인 차이로 인해 연산 효율이 떨어졌다. 이제는 AI 연산을 주로 NPU가 담당해 모바일 기기에서도 더 효율적으로 데이터를 처리할 수 있다. 데이터의 병렬 연산 처리에 최적화돼 AI 기반의 애플리케이션이 저전력으로 빠르게 동작하기 때문이다.

엑시노스의 NPU 개발 역사는 2016년 시작됐다. NPU를 탑재한 최초 제품은 엑시노스 9820으로 2019년 출시된 갤럭시 S10에 처음 들어갔다. SoC의 하드웨어 디자인 설계를 담당하다가 2세대 NPU부터 함께했다는 권석남 PL은 “6년 전 첫 TF가 구성될 때만 하더라도 20여명에 불과했던 연구원이 현재 해외 연구소까지 포함하면 10배 이상 늘었다”며 “지금은 NPU가 매우 관심이 높은 분야이지만, 당시만해도 해외 대학의 동영상 강의 등을 찾으며 공부해야 할 정도로 낯설고 새로웠다”고 회상했다.

▲ 입사 후 2세대 NPU 개발부터 함께하며, NPU 개발진을 이끌고 있는 권석남 PL

과거 NPU를 활용하는 영역은 이미지 기반의 객체 검출 등 비교적 단순했다. 하지만 인공지능 시대로 접어들면서 최근에는 카메라 화질 개선, 음성 서비스 등 점차 더 많은 연산량을 필요로 하는 고성능 IP에 대한 시장 요구가 커지고 있다. 게다가 SoC에 들어가는 각 IP의 성능이 높아질수록 면적과 전력이 증가하다 보니, 가장 효율적인 아키텍처를 선정하는 것이 관건.

고성능 NPU일수록 인식 속도와 사진 결과물이 달라진다. 최신 엑시노스에 탑재된 NPU는 전작에 비해 성능이 두 배 이상 개선됐다. 6세대에 걸쳐 NPU 솔루션을 독자 개발해온 만큼, SoC설계팀의 기술과 노하우는 이미 고도화됐다. 권석남 PL은 “엑시노스의 NPU는 MLPerf 등의 벤치마크 성능, 파워 효율성, 면적 경쟁력 등 전반적인 분야에서 절대적인 경쟁력을 갖춘 IP 솔루션”이라며, “성능을 위한 아키텍처 최적화와 파워 효율성 개선을 통해 엑시노스의 경쟁력을 확보하고 있다”고 말했다.

▲ 클라우드 서버를 사용하는 인공지능과 온디바이스 인공지능의 비교

앞으로 NPU와 관련된 기술은 어떤 방향으로 발전하게 될까? 이에 대해 권석남 PL은 “스마트폰에서 민감한 개인정보 유출 사고 위험을 최소화하기 위해 서버를 거치지 않고 개인 폰에서 AI 연산을 수행하는 온디바이스(On-device) AI가 확산될 것으로 예상된다. 이를 위해서는 한 단계 향상된 모바일 NPU의 성능이 필요하다”고 설명했다. 또한 “지금은 하나의 NPU가 여러 연산에 범용적으로 사용되지만, 미래에는 응용 프로그램별 특화된 AI 알고리즘을 동작 시키고자 하는 요구도 예상돼 각 도메인에 특화된 NPU를 개발하는 것도 중요해질 것”이라고 강조했다.

다가오는 자율주행 시대와 관련해서는 “가까운 시기에 현실화될 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)은 방대한 데이터의 자율주행 알고리즘을 실시간으로 수행할 수 있는 하드웨어가 반드시 필요하다. 이를 위해 더욱 높은 성능의 NPU가 요구되고 있고, 삼성전자도 시장 요구에 맞춰 자율주행 기기를 위한 강력한 성능의 NPU를 준비하고 있다”고 권 PL은 덧붙였다.

마지막으로 개발 과정에서 보람 있었던 순간을 묻자, 권석남 PL은 “엑시노스에 매년 향상된 성능의 NPU를 탑재하고 있다는 사실 자체가 큰 보람”이라고 말했다. 이어 “미래 시장의 핵심 IP로 성장할 분야이기에 개인적으로 NPU의 개발 업무는 개인과 기업 차원의 발전은 물론, 나아가 국가 경쟁력에도 일조하는 일이라는 자부심을 갖고 있다”며 ‘상상하는 것을 이룰 수 있는 최고의 분야’라고 전했다.

※ 기사 내 삽입된 이미지는 이해를 돕기 위해 연출된 것으로 실제 제품에 의한 결과물과 일치하지 않을 수 있습니다.

AI와 가상현실에 기반한 서비스가 일상화되는 시대의 흐름에 발맞춰, 삼성전자는 기존보다 두 배 빨라진 PCIe 5.0 기반 고성능 SSD ‘PM1743’을 개발했다. 전력 효율성 향상, 보안과 신뢰성 강화 등 고성능 서버에 대한 시장의 요구를 충족하는 동시에, 기존보다 더 많은 양의 데이터를 빠르게 처리해 우리의 일상을 편리하게 만들어 줄 제품이다.

뉴스룸이 PM1743으로 우리의 삶이 어떻게 달라질지 한눈에 보여주는 영상을 준비했다. 앞으로 스마트 팜, 헬스케어, 금융 등 다양한 분야에서 방대한 데이터를 정확하고 빠르게 분석해 우리 일상을 보다 편리하고 자유롭게 변화시킬 것으로 기대된다. 삼성 SSD가 만들어가는 무한한 가능성을 아래 영상에서 만나보자.

시리즈명인 ‘내일도 애쓰지’는 ESG 업무에 최선을 다하고 있는 임직원들의 열정을 ‘ESG’와 ‘애쓰지’라는 발음을 활용해 중의적으로 표현했다. 현재까지 저전력 반도체, 대기환경, 폐수처리, 폐기물처리, 조경관리, 화학물질 등 ESG 주요 분야에서 전문적으로 일하는 직원들의 스토리를 담았다.

19일 공개된 영상에서는 삼성전자 반도체 솔루션개발팀에서 근무 중인 민성원 님의 이야기가 그려졌다. 데이터센터에 대규모로 사용되는 SSD 저전력 설계 담당인 민성원 님은 반도체 기술 개발을 통해 전력 사용량을 줄이고, 탄소를 저감해 지구 온난화 예방에 앞장서고 있다.

삼성전자는 ‘내일도 애쓰지’ 시리즈를 지난 5월부터 격주 간격으로 게재하고 있다. 1편에서는 온실가스 담당 손지은 님의 업무를 소개했다. 반도체 제조공정에서 생성되는 배기가스를 대기 환경에 무해하게 배출할 수 있는 기술을 개발하고, 설비 유지·관리를 통해 ‘온실가스 배출 제로’ 목표를 이뤄가는 자세한 이야기가 담겼다.

2편에서는 화학물질 관리에 대한 이야기를 만날 수 있다. 반도체 제조공정에 쓰이는 다양한 종류의 화학물질을 안전하게 관리해 환경 보호에 이바지하고, 회사 ESG 분야 사장의 꿈을 꾸고 있는 강지승 님의 이야기를 다뤘다.

3편 조경 담당자 박민지 님 편에서는 약 20만 평에 달하는 화성캠퍼스의 조경 관리를 엿볼 수 있다. 임직원들이 공기 좋은 산책로를 거닐고, 출퇴근길에 심어진 아름다운 꽃과 나무들을 보며 힐링할 수 있도록 꼼꼼한 관리를 이어가고 있다. 또한 이를 통해 사업장 내 연간 60톤의 미세먼지를 저감해 ESG에도 힘쓰고 있다.

4편 폐기물 재활용 편은 반도체 생산 공정에서 필연적으로 발생하는 폐기물의 ‘매립 제로화’를 목표로 “하루 종일 쓰레기만 생각한다”는 김민하 님의 이야기로 구성됐다. 삼성전자 반도체 4개 캠퍼스가 폐기물 매립 제로 최고 등급인 ‘플래티넘 등급’ 인증을 받게 된 내용도 만날 수 있다.

5편에서는 폐수처리 담당자 김연수 님의 소식을 만날 수 있다. 삼성전자 반도체 평택캠퍼스에서 나오는 하루 약 7만 톤의 폐수를 강물보다 깨끗한 물로 정화하는데, 인근 하천에서는 수달도 살 수 있을 정도로 깨끗한 환경을 만들어냈다. 기계공학 전공이 환경보호 활동에 큰 힘을 줄 수 있다는 자부심을 만날 수 있다.

1관 ‘발명가의 시대’에 이어 공개된 2관 ‘기업혁신의 시대’ 전시투어 영상에서는 혁신적인 기술과 제품 개발로 인류 생활 향상에 기여한 기업들의 업적을 소개한다. 크게 ‘반도체’, ‘디스플레이’, ‘모바일’ 세 개의 분야에 대해 순차적으로 영상을 공개할 예정이다.

최근 공개된 ‘반도체’ 분야 영상은 총 세 편으로, 반도체의 탄생부터 집적화, 고성능화, 미래의 모습을 담았다.

첫 번째 영상은 ‘더 많이, 더 빠르게, 더 작게’라는 제목을 갖고 있다. 이 영상에서는 반도체 덕분에 전자제품의 소형화 시대를 이끌 수 있었던 ‘트랜지스터’를 보여준다. 영상을 통해 트랜지스터의 등장이 가져온 사회·문화적인 변화와 기술의 진보를 알아볼 수 있다.

두 번째는 집적회로를 통해 전자제품의 성능이 고도화되는 과정을 보여준다. 집적회로의 발달은 전자제품의 부품 크기와 성능 개선에 큰 기여를 했다. 덕분에 PC가 발달·보급되어 현재와 같이 다양한 비즈니스 환경에서 업무 성과를 높일 수 있었다.

이번에 공개된 반도체 편의 마지막 영상은 ‘모바일 반도체 시대’에 관한 이야기다. 영상을 통해 삼성 반도체가 어떻게 미래 산업을 주도하고 있으며, 우리에게 어떤 풍성한 미래를 가져다줄 지 엿볼 수 있다.

한편, 삼성이노베이션뮤지엄(S/I/M)은 반도체 편에 이어 디스플레이와 모바일에 관한 영상 각 세 편을 12월 8일부터 순차적으로 공개할 예정이다.

이 부회장과 버닝크 CEO는 ▲7나노 이하 최첨단 반도체 생산에 필수적인 EUV(Extreme Ultra Violet) 장비 공급계획 및 운영 기술 고도화 방안 ▲AI 등 미래 반도체를 위한 차세대 제조기술 개발 협력 ▲코로나19 사태 장기화에 따른 시장 전망 및 포스트 코로나19 대응을 위한 미래 반도체 기술 전략 등에 대한 의견을 나눴다.

이 부회장은 이날 ASML의 반도체 제조 장비 생산공장도 방문해 EUV 장비 생산 현황을 직접 살펴보기도 했다.

이재용 부회장은 지난 2016년 11월에도 삼성전자를 방문한 버닝크 CEO 등 ASML 경영진을 만나 차세대 반도체 미세 공정 기술에 관한 협력 방안을 논의한 바 있으며, 2019년 2월에는 프랑스 파리에서 만나 반도체 산업에 대한 의견을 나눴다.

이번 미팅에는 김기남 삼성전자 DS부문장 부회장이 배석했다.

삼성전자는 차세대 반도체 구현을 위해 EUV 기술이 필요하다는 판단에 2000년대부터 ASML과 초미세 반도체 공정 기술 및 장비 개발을 위해 협력해 왔으며, 2012년에는 ASML에 대한 전략적 지분 투자를 통해 파트너십을 강화했다.

EUV 노광 기술은 극자외선 광원을 사용해 웨이퍼에 반도체 회로를 새기는 기술로, 기존 기술보다 세밀한 회로 구현이 가능해 인공지능(AI)·5세대(5G) 이동통신·자율주행 등에 필요한 최첨단 고성능·저전력·초소형 반도체를 만드는데 필수적인 기술이다.

삼성전자와 ASML은 EUV 관련 기술적 난제 해결을 위해 초기부터 ▲EUV에 최적화된 첨단 반도체 소재 개발 ▲장비 생산성 향상 ▲성능 개선 등 다양한 분야에서 협력을 이어 오고 있다.

삼성전자는 최근 시스템반도체에 이어 최첨단 메모리반도체 분야까지 EUV의 활용 범위를 확대해 가고 있으며, 특히 파운드리 사업이 빠르게 성장하면서 두 회사 간 협력 관계도 확대되고 있다.

한편, 이재용 부회장은 지난 1월 브라질, 5월 중국을 방문한 데 이어 코로나19가 유럽에 재확산되는 와중에 네덜란드를 찾아 글로벌 현장 경영을 이어갔다.

▲ 이재용 삼성전자 부회장이 13일(현지시간) 네덜란드 에인트호번에 위치한 ASML 본사를 찾아 EUV 장비를 살펴보는 모습. 왼쪽부터 마틴 반 덴 브링크(Martin van den Brink) ASML CTO, 이재용 삼성전자 부회장, 김기남 삼성전자 DS부문장 부회장, 피터 버닝크(Peter Wennink) ASML CEO

▲ 이재용 삼성전자 부회장이 13일(현지시간) 네덜란드 에인트호번에 위치한 ASML 본사를 찾아 EUV 장비를 살펴보는 모습. 왼쪽부터 ASML 관계자 2명, 김기남 삼성전자 DS부문장 부회장, 이재용 삼성전자 부회장, 피터 버닝크(Peter Wennink) ASML CEO, 마틴 반 덴 브링크(Martin van den Brink) ASML CTO

▲ 이재용 삼성전자 부회장이 13일(현지시간) 네덜란드 에인트호번에 위치한 ASML 본사를 찾아 EUV 장비를 살펴보는 모습. 왼쪽부터 ASML 관계자 2명, 김기남 삼성전자 DS부문장 부회장, 이재용 삼성전자 부회장, 피터 버닝크(Peter Wennink) ASML CEO, 마틴 반 덴 브링크(Martin van den Brink) ASML CTO

삼성전자는 대학의 연구역량이 반도체 산업의 생태계를 질적으로 성장시키는 기초 토양이라는 판단에 따라 2018년 7월 산학협력을 전담하는 ‘산학협력센터’를 설치했다.

이를 통해 매년 ▲전, 현직 교수 350여 명 ▲박사 장학생 및 양성과정 학생 400여 명 등을 선발해 지원했으며, 반도체·디스플레이 분야 산학과제 지원 규모를 기존 연간 400억원에서 2배 이상 확대했다.

삼성전자는 코로나19 등으로 인한 불확실성 속에서도 올해 산학협력 기금 1,000억원을 투입하기로 했다.

이러한 산학협력 투자는 ▲연구활동 지연 ▲과제 보류 ▲연구비 축소 등 코로나19 사태로 어려움을 겪으며 위축돼 있는 국내 대학들의 연구 현장에 활력을 불어넣을 것으로 기대된다.

삼성전자는 국내 대학들이 반도체 연구 인프라 부족을 극복하고 실제 산업에 적용할 수 있는 연구성과를 낼 수 있도록 회사가 보유한 첨단 반도체 설비를 대학들이 연구 활동에 사용할 수 있도록 무상 지원하고 있다.

지난해 삼성전자는 10여개 대학으로부터 약 100여 건의 연구용 테스트 반도체 제작 의뢰를 받아 모두 무상으로 지원했다.

또한 삼성전자는 산학협력이 실질적인 성과로 이어질 수 있도록 현재 진행 중인 협력과제들의 특허 등록을 장려하는 한편, 기존의 공대 중심의 산학협력뿐만 아니라 기초과학 분야에 대해서도 협력을 넓혀가고 있다.

특히, 삼성전자는 신소재 개발과 공정 데이터 분석 등에 활용할 수 있는 물리·화학·수학 등 기초과학 분야의 연구과제에 대해 전체 산학협력 금액의 10% 이상을 할애해 지원하고 있다.

삼성전자 DS부문 산학협력센터장 이한관 상무는 “국내 대학들과의 산학협력 프로그램을 확대해 대학들이 우수한 실무형 R&D 인력을 양성할 수 있도록 할 것”이라며, “우수 인재가 기업으로 진출해 역량을 펼칠 수 있는 건전한 생태계를 구축하는데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

‘삼성미래기술육성사업’은 2013년부터 도전적인 아이디어와 과학 인재를 발굴하기 위해 시작했다. 혁신 기술의 뿌리 역할을 하는 기초과학 분야를 비롯해 소재, ICT 등 다양한 연구를 지원하며 과학 경쟁력 제고의 자양분 역할을 하고 있는 것. 총 1조 5000억 원의 예산이 투입되며, 이 예산은 1년에 3차례 선정된 다양한 과제의 연구비로 지급된다.

2020년 지원 대상이 된 지정 테마 과제들은 총 12가지. 반도체, 세포치료제, 양자컴퓨팅 등 미래를 바꿀 6가지 분야에 총 124억 원이 지원된다. 그 중 양자컴퓨팅의 이준구 KAIST 교수와 반도체 분야의 정진욱 한양대 교수, 세포치료제 분야의 조승우 연세대 교수와 나눈 이야기를 일문일답으로 정리했다.

낯설고 새로운 길, AI와 양자컴퓨팅의 융합을 꿈꾼다

Q. 해당 분야의 연구는 어떤 계기로 시작하게 됐나요?

1996년 미국 프린스턴에서 NEC 연구소를 다니게 되었는데, 당시 양자컴퓨팅 연구회가 있어 연구를 시작하게 되었습니다. 본격적으로 AI와 양자컴퓨팅의 융합을 연구한 때는 2016년부터입니다. 양자 AI 알고리즘은 기존보다 훨씬 단순한 알고리즘으로 기계학습이 가능하기 때문에 지금의 AI를 뛰어넘는 기술로 발전할 가능성이 큽니다. 물론 이런 목표를 달성하기까지 난제가 많아 노력도 필요한 분야입니다.

Q. 삼성미래기술육성사업 과제에 지원하게 된 계기는 무엇인가요?

양자 AI는 신규 학문 분야라, 현재의 학문 체계로는 적절한 지원을 받기 어렵습니다. 이번에 삼성전자 미래기술육성센터에서 양자컴퓨팅 분야 테마공모가 기획되어 다행히 제 연구 제안이 선정될 수 있었습니다.

Q. 양자 AI가 상용화되면 우리의 삶에 어떤 변화가 있을까요?

양자 AI를 당장 상용화하기는 어렵지만, 5년 정도 후에는 실제 응용이 가능할 것으로 기대됩니다. 맞춤형 신약, 거대 물류 시스템, 핀테크 분석 등 정보과학 응용영역에서 양자컴퓨터가 어려운 문제를 풀어내고, 먼 미래에는 궁극적으로 AI가 인간을 뛰어넘는 데 발판이 될 기술로 발전할 것입니다. 그때는 인류가 이해하지 못했던 현상들을 양자 AI가 설명해 줄 수 있는 시대가 될 겁니다.

Q. 삼성미래기술육성사업에 바라는 점이 있다면요?

한국은 세계 4대 연구개발 집중 투자국 중 하나입니다. GDP 대비 연구개발 투자 비율이 세계 최고 수준이지요. 하지만 원천 기술에 대한 연구 투자는 상대적으로 보수적인 편이라 아쉬움을 느낄 때가 많았습니다. 삼성미래기술육성사업에서 앞으로도 이러한 분야를 잘 발굴해서 과감하고 전략적인 투자를 해 주시길 기대합니다.

‘데이터의 바다’를 가능케 할 원자층 전자 식각 기술

Q. 해당 분야의 연구를 시작하시게 된 계기가 있나요?

오늘날 반도체 칩 제작에는 이온 증진 식각 기술이 널리 사용되고 있습니다. 식각이란 화학 용액이나 가스를 이용해 실리콘 웨이퍼 상의 필요한 부분만 남겨두고 나머지 물질을 제거하는 과정을 말합니다. 하지만 이온이 반응 에너지를 제공할 때, 그 질량이 매우 커서 기판에 손상을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 플라즈마의 전자는 질량이 매우 작아 기판에 운동량 전달 없이 표면 반응에 꼭 필요한 에너지만 제공하는 것이 가능할 것이라 판단했습니다. 2008년도 미국에서 안식년을 보낼 때, 전자 식각 기술을 연구한 길리스(Gillis) 교수의 제자를 만나 가능성을 보았고, 문제점과 해결 방안에 대해서 생각해 오고 있습니다.

Q. 삼성미래기술육성사업 과제에 지원하게 된 이유는 무엇인가요?

최근 기존 반도체 한계를 넘기 위해 원자 단위의 식각 기술이 요구되고 있습니다. 실리콘 기판을 손상시키지 않으면서도 원자를 한 층씩 대면적으로 식각할 수 있는 전자 식각 기술을 염두에 두고 있었는데, 마침 이 분야 지정 공모가 있어 지원하게 되었습니다.

Q. 전자 식각 기술이 상용화된다면 우리의 삶에 어떤 영향을 끼칠까요?

무손상 원자층 식각 기술은 원자 한 층 한 층을 가공할 수 있는 기술로 지금의 반도체 성능을 천 배에서 만 배까지 확장할 수 있는 기초 원천 기술이 될 수 있습니다. 이렇게 된다면 스마트폰의 저장 용량을 걱정하지 않고 생활할 수 있게 되며, 삶의 모든 일상이 디지털 데이터화되면서 엄청난 데이터의 바다를 경험하게 될 것입니다. 아미노산의 바다에서 생명이 탄생했듯이 데이터의 바다를 통해 정보 생명체의 탄생도 가능할 것이며, 보편 AI의 탄생도 빨라질 거라 예상합니다.

Q. 삼성미래기술육성사업에 바라는 점이 있다면요?

삼성미래기술육성사업은 그 명칭대로 미래 원천 기초 기술에 높은 점수를 부여하고 매우 혁신성이 높은 기술만 채택되는 것 같습니다. 과제 선정 과정에서 평가가 매우 합리적이고 연구자를 도와 기술을 잘 개발해 보려는 사업단의 의지를 느낄 수 있었습니다. 이 사업이 더욱 확장되어 미래 지향적이고 혁신적인 기술들이 날개를 얻고 우리나라의 기초 원천 기술 개발의 미래를 이끌기를 바랍니다.

슬픔과 고통이 줄어들도록…알츠하이머 치료를 돕는 인공 뇌 인큐베이터

Q. 해당 분야의 연구를 시작하시게 된 계기가 있나요?

최근 뇌 오가노이드 연구에 많은 관심이 있었습니다. 오가노이드는 줄기세포를 배양하거나 재조합해 만든 ‘유사 장기’입니다. 알츠하이머 세포치료제 개발 연구는 다른 퇴행성 뇌신경질환에 비해 매우 미진한데, 이는 알츠하이머 질환을 연구할 수 있는 적합한 체외 모델과 치료제의 효능을 정확히 평가할 수 있는 분석 기술이 없기 때문이라 생각했습니다. 그래서 알츠하이머 세포치료제의 유효성과 안전성을 정확하게 평가하기 위해, 뇌 오가노이드 질환 모델링 기술과 오가노이드의 다양한 인자들을 실시간 모니터링할 수 있는 바이오센서 기술을 접목하는 연구를 시작하게 됐습니다.

Q. 삼성미래기술육성사업 과제에 어떻게 지원하게 되셨나요?

이번에 제안한 연구가 매우 도전적이고 생명공학, 재료공학, 의학 분야의 지식과 기술의 융합이 필요한 다학제 융합연구로서 삼성미래기술육성사업의 취지에 잘 맞는다고 생각했습니다. 또한 예전에 삼성미래기술육성사업에서 지원하는 연구과제의 공동연구원으로 참여한 적이 있어 연구가 어떻게 지원을 받고 진행이 되는지 경험해 보았기 때문에 꼭 다시 한번 참여해 보고 싶다는 생각을 했습니다.

Q. 이번 과제가 상용화되면 우리의 삶에 어떤 변화가 있을까요?

알츠하이머 기전을 규명하는데 일조할 뿐 아니라 세포치료제나 신약 개발에 활용할 수 있을 겁니다. 이번 과제에서 뇌 오가노이드는 환자 혈액세포에서 유도된 줄기세포로부터 제작되기 때문에, 알츠하이머 환자 맞춤형 세포치료제를 선별하여 제공해 주는 판별 기술로 적용될 수 있습니다. 또한 아직 증상이 나타나지는 않았지만, 알츠하이머 유전적 변이를 보유한 사람의 인공 뇌 모델을 제작하여 질환의 발현을 최대한 늦추거나 완화시키는 처치나 치료를 미리 제공하는 예측 모델로서도 가치가 있을 것으로 생각합니다.

Q. 삼성미래기술육성사업에 바라는 점이 있다면요?

삼성미래기술육성사업이 매우 경쟁률이 높고 선정되기 어려운 만큼, 선정된 과제는 각 분야에서 독창적이고 창의적인 연구로서 학계의 인정을 받는다는 의미도 됩니다. 선정 과정부터 전문적인 평가와 관리를 받을 수 있으며, 연구가 진행되면서는 연구 몰입을 최대화할 수 있는 환경을 만들어 주고요. 이번 기회를 통해 저 또한 실용적으로 의미가 있는 기술을 개발할 수 있도록 최선을 다하겠습니다. 기억 상실, 인지기능 저하 등의 증상으로 인해 가족들과 주변 사람들을 힘들고 슬프게 하는 알츠하이머 질환 치료에 조금이라도 기여할 수 있도록 노력하겠습니다. 앞으로도 삼성미래기술육성사업이 창의적이고 새로운 시각으로 세상을 변화시킬 연구를 제안하는 젊은 연구자들에게 많은 기회를 주셨으면 합니다.

현재까지 삼성미래기술육성사업은 기초과학 201개, 소재 199개, ICT 201개 등 총 601개 분야에 총 7713억을 투자해왔다. 단순히 연구비 지원에서 그치는 게 아니라, 특허 출원은 물론 향후 핵심 기술 성장까지도 적극적으로 도와 연구 성과가 인류의 삶을 바꾸는 열쇠가 될 수 있도록 노력하고 있다. 삼성미래기술육성사업은 앞으로도 보석 같은 과학 인재들과 미래를 선도할 과학 발전 성과 발굴을 위해 최선을 다할 예정이다.

반도체 혁신을 위한 소재 연구∙개발에 주력하고 있는 삼성전자 종합기술원. 그간의 연구 성과와 앞으로의 방향에 대해 알아보자.

반도체 소재 난제 해결의 열쇠는 바로 ‘2차원(2D) 소재’

기존 실리콘 기반 반도체 기술의 난제 중 하나는 ‘집적도 향상’. 집적도를 높일수록 더 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있지만, 회로 간 전기적 간섭 등 기술적 문제가 증가하게 된다. 2차원 소재(Two-Dimensional, 2D)는 이러한 반도체 업계의 고민을 해결할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다.

2D 소재는 물질의 가장 작은 단위인 원자 수준에서도 도체, 부도체 혹은 반도체의 강력한 특성을 가지며, A4용지(약 0.1mm) 약 10만분의 1의 두께로 매우 얇아 잘 휘어지면서도 단단하다.

이 중 가장 대표적인 것이 ‘그래핀(Graphene)’. 삼성전자 종합기술원은 수년간 그래핀을 대면적으로 만들어, 반도체 공정에 적용하기 위한 원천 기술을 연구개발해 왔다. 이러한 원천 기술을 바탕으로 최근에는 반도체 회로를 따라 난 전기길인 배선에 그래핀을 적용하는 데 집중하고 있다. 반도체의 집적도가 증가할수록 회로 간 선폭이 좁아지면서 저항이 커지는데, 그래핀의 촘촘한 육각구조 형태가 저항을 줄이는 가장 얇으면서도 단단한 장벽 역할을 하기 때문.

그래핀 개발 프로젝트 리더인 삼성전자 종합기술원 신현진 전문연구원은 “그래핀을 반도체 공정에 적용하기 위해서는 저온(400°C) 환경에서 대면적으로 웨이퍼 위에 바로 성장시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다”며 “종합기술원은 그래핀 양산 적용을 위한 연구개발뿐 아니라 응용 분야 확장에도 힘을 쏟고 있다”고 설명했다.

2D 소재의 변화, 신소재 ‘비정질 질화붕소’의 등장

2D 소재에 대한 삼성전자 종합기술원의 노력은 이번 UNIST와 공동 연구한 비정질 질화붕소(Amorphous Boron Nitride, a-BN)^[1] 발견으로 한 걸음 더 확장되었다.

비정질 질화붕소는 화이트 그래핀의 파생 소재로, 질소와 붕소 원자로 이루어져 있으나 정형화되어있지 않은 분자구조를 가져 화이트 그래핀과 구분된다. 또한, 반도체를 소형화하기 위한 핵심 요소 중 하나인 유전체^[2]로 활용되어, 전기적 간섭을 차단하는 역할을 할 수 있다. 즉, 반도체 집적화가 가속되며 생기는 전기적 간섭이라는 난제를 돌파할 수 있는 열쇠인 셈.

연구팀은 세계 최저 수준의 유전율 1.78을 확보하였을 뿐만 아니라, 저온(400°C) 환경에서도 소재가 반도체 기판 위에서 큰 면적으로 성장이 가능한 것을 입증해, 공정 혁신에 한 걸음 다가섰다. 비정질 질화붕소는 메모리 반도체(DRAM, NAND 등)를 비롯해 시스템 반도체 전반에 걸쳐 적용 가능하며, 특히 고성능이 요구되는 서버용 메모리 반도체에 활용이 기대된다.

삼성전자 종합기술원은 앞으로도 국내외 대학과의 기술협력 등 차세대 소재 개발을 위한 노력을 계속 이어나갈 계획이다. 삼성전자 종합기술원에서 2D 소재 연구개발을 이끌고 있는 박성준 상무는 “최근 2D 소재와 여기서 파생된 신소재 개발이 가속화되고 있지만 공정에 바로 적용하기 위해서는 학계와 기업의 추가적인 연구와 개발이 필요하다” 며, “신소재 연구개발뿐만 아니라, 공정 적용성을 높여 반도체 패러다임 전환을 주도할 수 있도록 지속 노력하겠다”고 전했다.

7월 3일 발표된 이준희 교수(UNIST 에너지 및 화학공학부)의 발견 역시 발상의 전환에서 시작됐다. 반도체 내 정보를 저장하기 위해 필요한 영역인 도메인을 개발하는 대신, 개별 원자에 직접 정보를 저장하는 방법에 집중한 것. 덕분에 이 교수는 메모리 반도체 용량을 획기적으로 늘릴 수 있는 신소재와 이론 발굴의 주인공이 될 수 있었다. 남들이 가지 않은 새로운 길을 찾겠다는 그의 의지는 2019 하반기 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정되었을 때에도 마찬가지였다.

▲ 이번 신소재 발견의 주인공인 이준희 교수(UNIST 에너지 및 화학공학부)

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 기초과학 발전과 산업기술 혁신, 과학기술로 사회가 직면한 문제 해결, 그리고 세계적인 과학기술인(人) 육성을 목표로, 삼성전자가 2013년부터 10년간 1조 5천억 원을 출연하여 시행하고 있는 순수 공익 목적의 과학기술 연구지원 사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술분야를 지정, 해당 연구를 지원한다. 이준희 교수의 새로운 반도체 소재 개발 과제는 창의적이고 도전적인 연구를 지원하고, 우수한 신진 연구자 발굴을 목표로 하는 삼성미래기술육성사업의 취지에 정확히 부합했다. 삼성전자와 이준희 교수의 동행이 시작된 이유다.

도메인에서 개별 원자로, 획기적 발견 이끈 ‘발상의 전환’

지금까지 메모리 반도체 산업은 정보를 저장할 수 있는 최소 단위로 ‘도메인’을 필요로 했다. 도메인은 반도체에 데이터를 기록하기 위해 원자 수천 개를 모아 둔 영역으로, 도메인을 아주 작게 만드는 기술이 지금까지 반도체 산업의 핵심 경쟁력 중 하나였다. 다만 최근에는 그 크기가 수십 나노 수준까지 작아지면서, 공정 미세화에 한계가 왔다는 평가를 받는 상황이었다.

이준희 교수는 모두가 필수 요소라고 생각했던 도메인의 존재에 의문을 던졌다. 원자 묶음 형태인 도메인 대신 개별 원자에 정보를 저장할 수 있다면 작은 영역에 더욱 세밀한 공정을 진행할 수 있다고 판단한 것. 이를 위해서는 원자의 개별 조작을 막아왔던 특유의 탄성력을 제거해야 했다.

오랜 기간 풀리지 않았던 문제의 답을, 이준희 교수는 순수 물리 이론에서 찾았다. 서울대에서 이론 물리로 박사 학위를 받은 그는 전문분야인 이론을 적용할 ‘실용적인 물질’을 찾고 있었고, 메모리 반도체에 지대한 관심을 갖게 되었다. 박사 후 연구원 시절 미국에서 원자 간의 탄성 상호작용을 없앨 수 있는 이론을 연구했던 경험을 바탕으로, 산화물 HfO2에 물리 이론을 접목했다.

그는 “HfO2는 본래 메모리 스위칭이 잘 안 되는 물질이라 여겼다. 그런데 탄성 작용이 사라지는 물리 이론을 적용하면서부터 가치가 달라 보였다”며 “반복 연구를 통해 HfO2가 전압을 걸 때만 탄성 작용이 0에 수렴하는 물질임을 확신할 수 있었다”고 말했다.

새로운 소재에 대한 연구를 계속해 오던 이준희 교수는 이를 반도체 분야에 적용할 수 있겠다는 생각이 들었다. 이후 그의 연구는 삼성미래기술육성사업 지원과제로 당당히 선정되었다.

단일층으로도 폭발적인 용량…HfO2가 열 ‘초집적화 시대’

전압과 함께 탄성력이 사라진 HfO2는 원자 하나하나의 위치를 움직일 수 있어, 도메인 없이도 산소 원자 4개면 1비트의 정보를 저장할 수 있다. 정보를 저장할 수 있는 단위가 확 줄었다는 것은 곧 기존 반도체의 저장 용량을 획기적으로 늘릴 수 있다는 사실을 의미했다.

이준희 교수는 “HfO2는 낸드플래시처럼 128층의 적층 구조를 만들지 않아도, 단일층만으로 제곱센티미터(㎠) 당 500테라비트 이상 저장할 수 있을 것으로 예측된다. 이는 기존 메모리 반도체의 저장 능력이 1000배 이상으로 폭발적으로 향상되는 셈이다”라고 설명했다. 여기에 그치지 않고 “적층 구조를 도입할 경우, 용량은 훨씬 늘어난다”며 “반도체 산업이 경험할 최종 집약도를 가진 물질과 이론”이라고 덧붙였다. HfO2는 단일층 만으로도 많은 데이터를 담을 수 있기 때문에, 크기와 두께가 중요한 플렉시블 기기에 특히 유리하다.

이 교수는 “이번 연구 성과는 반도체 산업의 초집적화 시대를 여는 기초가 될 것이다”라며, “0.5나노는 원자 간 최소 거리이므로, 사실상 인류가 한계까지 끌어올릴 수 있는 최고 집약 공정이다”라고 힘주어 이야기했다.

▲ 이준희 교수(맨 오른쪽)와 연구팀

높았던 사이언스 지의 벽 앞에서 떠올린 봉준호 감독

메모리 반도체가 갖고 있던 한계를 넘어설 수 있는 획기적인 발견이었지만, 세계적인 과학학술지 사이언스에 출간되기까지는 많은 어려움이 있었다. 이준희 교수는 “순수 물리 이론을 실용적인 메모리에 적용하는 독창적 연구였던 만큼, 논문 작성부터 쉽지 않았다. 논문 초록만 100번 이상 쓴 것 같다”고 힘겨웠던 과정을 돌아봤다.

논문이 리뷰어들에게 좋은 평가를 받은 반면, 편집자 회의를 통과하는 것은 쉽지 않았다. 사이언스 지는 에디슨, 벨 등 실용 과학자들이 창간한 학술지인 만큼, 실험 데이터가 없는 순수 이론 논문은 그 사례를 찾아보기 힘들 정도다. 사이언스에 실린 가장 유명한 순수 이론 논문은 1936년 게재된 아인슈타인의 중력 렌즈 이론으로, 그로부터 40년 이상 지난 1979년이 되어서야 그 이론을 입증하는 데이터가 관측되었다. 새내기 과학자에게 그 문턱은 훨씬 높을 수밖에.

힘든 시간을 보내던 이준희 교수에게 외국영화로서 처음 아카데미 작품상을 수상했던 봉준호 감독과 영화 ‘기생충’은 벽을 뛰어넘기 위한 마음을 다잡는 계기가 되었다. 그렇게 근본적인 이론 보강과 실증적인 시뮬레이션을 반복한 지 6개월 정도 지났을 때, 뜻밖에 다른 저명 학술지인 네이처에서 이준희 교수 이론의 일부를 증명하는 실험을 보고했다. 이후 논문 심사자들이 연구의 중요성을 인정했고 빠르게 출간이 결정됐다. 세계적 석학들의 지속적인 리뷰를 통한 검증과 찬사에 힘입어 새내기 과학자의 이론이 세상에 나오게 된 것이다.

“기초 과학과 실용 분야의 결합” 이준희 교수의 목표

이 교수가 일군 성과는 단순 이론에 그치지 않고 상용화될 가능성이 높다는 점에서 더욱 가치가 있다. HfO2는 실리콘 친화적인 반도체로 이미 스마트폰, 태블릿, 스마트워치, PC 등 다양한 제품에 사용되고 있다. HfO2의 특성을 적용한다면 이런 제품들을 한층 고성능·저전력으로 업그레이드 할 수 있다. 더 나아가 새로운 시스템 반도체 개발이나 초집적·초절전 기술을 필요로 하는 인공지능(AI) 반도체 구현에도 이용할 수 있다는 전망이다.

그는 HfO2에 대해 “제곱센티미터(㎠)당 0.1테라비트에 멈춰있는 평면 반도체 집적도를 향후 제곱센티미터당 500테라비트까지 끌어올릴 유일한 소재가 될 것”이라며 “글로벌 경쟁이 심할 것으로 예상되므로 빠른 상용화를 위해 정부와 기업의 투자가 필요하다”고 당부했다.

이 교수의 이번 성과는 순수 물리 이론을 실용 반도체에 적용한 ‘융합 과학’이 고정된 패러다임을 바꿨다는 점에서 그 의미가 남다르다. 그는 “나 같은 순수 이론 물리학자가 실험과 소자 쪽 공부도 많이 할 수 있었던 계기였다. 앞으로도 기초 과학과 첨단 기술의 양극단을 절묘하게 연결하는 연구를 진행하고 상업화해 나가겠다”고 포부를 밝혔다.

“살려고.”

(웹툰 『NANO(나노, 부제: NAN 아무래도 너를 One해)』 1화 중에서)

정말 반도체가 없어지면 사는 데 지장이 생길까? 결론부터 말하면 ‘그렇다’. 다만 눈에 직접 보이지 않기 때문에 인식하지 못하고 있을 뿐이다. 세탁기, 냉장고, 에어컨과 같은 필수 가전뿐 아니라 스마트폰, TV, 컴퓨터와 같은 전자기기, 심지어 체크카드 속에도 반도체가 숨어있다.

삼성이 반도체 사업을 시작한 1970년대에는 ‘반도체’라는 단어조차 생소했다. 그로부터 40여 년이 흘러 우리나라 핵심 산업 중 하나로 자리매김한 지금도 반도체는 여전히 낯선 존재다. 이제 반도체라는 단어를 모르는 사람은 없지만, 반도체가 어떻게 만들어져 어떤 용도로 사용되는지, 우리 생활에서 얼마나 중요한 역할을 하는지 아직 모르는 사람이 많다.

▲ 삼성전자 반도체 웹툰 『NANO』의 3명의 주인공, 왼쪽부터 신세미, 나노민, 이유비

삼성전자가 숨어있던 반도체의 중요성을 알리기 위해 반도체 웹툰 『NANO』를 제작한다. 누구나 쉽고 재미있게 접할 수 있는 ‘웹툰’형식으로 반도체 원리와 제조 공정, 종류 등 반도체에 대한 모든 것을 유쾌한 스토리 속에 녹여낼 예정이다. 반도체 웹툰 『NANO』는 6월 27일 1화를 시작으로 약 20화에 걸쳐 진행된다.

네이버 웹툰의 인기작 『신석기녀』의 한가람 작가와 『스터디그룹』의 신형욱 작가가 참여해 감각적인 그림과 통통 튀는 대사를 선보인다. 또한 웹툰의 배경이 되는 삼성전자 반도체 사업장과 임직원의 일상도 소소한 재미를 더한다. ‘반도체 마스터’를 향한 주인공의 성장스토리를 따라가다 보면 어느새 반도체의 매력에 빠져들게 될 것이다.

이번 웹툰은 삼성전자 DS(Device Solution)부문이 최근 진행하고 있는 반도체 이미지 메이크오버 프로젝트의 일환이다. 어렵고 낯설기만 했던 반도체의 이미지를 벗고 친근하게 다가가기 위한 노력으로 다양한 형태의 콘텐츠들을 선보이고 있다. 지난 4월에 공개된 『Hello! Chips!』(헬로칩스)는 최신의 반도체 지식과 트렌드를 쉽게 풀어주는 10분 분량의 영상 콘텐츠다. 또 삼성전자 DS부문 임직원들이 직접 촬영한 회사생활 영상 콘텐츠 『직장인 Vlog』도 6월부터 시작됐다. 개발, 생산, 품질 등 다양한 직군의 임직원들이 리얼하고 솔직한 반도체 이야기를 전한다.

▲ 삼성전자 뉴스룸 유튜브를 통해 공개된 본격 반도체 지식채널 『Hello! Chips!』(왼쪽)와 반도체 임직원들의 회사생활을 공개하는 『직장인 Vlog』(오른쪽)

웹툰 『NANO』의 그림을 담당한 한가람 작가는 “반도체가 이렇게나 일상 가까운 곳에서, 중요한 역할을 하고 있는 것을 알리고 싶다”며, “처음에는 낯설고 어려운 반도체이지만, 좀 더 매력적이고 친근하게 느낄 수 있도록 표현하겠다”고 말했다. 글을 담당한 신형욱 작가는 “반도체를 모르던 분들도 이 웹툰을 읽다 보면 반도체가 무엇인지 이해할 수 있을 것”이라며, “독자들에게 우리 생활에서 없어서는 안될 존재인 반도체를 다시 만나볼 수 있는 기회와 함께, ‘열정’을 다시 한번 불태울 수 있는 계기를 전하고 싶다”며 이번 프로젝트에 참여한 소감을 밝혔다.

웹툰 『NANO』는 매주 목요일 삼성반도체이야기에서 만나볼 수 있다. 물론, 웹툰을 보는 것도 반도체가 있기에 가능한 일이다.

▲ 문서, 사진, 동영상 등 디지털 정보는 이진법 숫자인 ‘0’과 ‘1’로 이뤄져 있다.

반도체 칩의 가장 기본 요소인 트랜지스터(Transistor)[1]는, 이런 이진법으로 이뤄진 디지털 정보를 전기신호로 만드는 반도체 소자다. 경제성을 위해 한정된 면적의 실리콘(Si) 기판 위에 가능한 많은 반도체 칩을 얹으려면, 트랜지스터의 크기는 최대한 작아져야 한다. 또, 전자 제품의 절전과 배터리 수명 증대, 발열 감소 등 효과를 보려면 전력 소모를 최소화해야 하기 때문에 반도체의 기본이 되는 트랜지스터의 동작 전압도 낮아져야 한다. 다시 말해 반도체 발전 역사는 바로 트랜지스터를 더 작고 빠르게, 또한 더 적은 전력만을 소모하도록 만들어온 과정이라 할 수 있다.

▲ 반도체는 더 작고 빠르게, 더욱 적은 전력만을 소모하는 방향으로 발전해왔다. 왼쪽부터 평판(Planar) 트랜지스터, 완전공핍층(Fully Depleted, 또는 Fin) 트랜지스터, GAA(Gate All Around) 트랜지스터

현재 반도체 업계에서 가장 많이 사용되고 있는 트랜지스터는 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 구조를 가지고 있다. MOS 구조는 △금속(Metal) 전극 △산화물(Oxide) 절연막 △반도체 채널로 이뤄져 있다. 초기 MOS 트랜지스터인 평판 트랜지스터는 게이트와 채널이 모두 하나의 평면에서 맞닿는 구조다. 이 평판 트랜지스터를 활용해 동작 전압을 낮추는 건, 20나노미터[2] 까지가 한계였다. 트랜지스터의 크기가 줄어들수록 소스와 드레인 간 거리가 가까워져서, 게이트가 스위치 역할을 하기 어려워지기 때문. 이를 ‘단채널(Short Channel) 현상[3]‘이라 한다.

이 현상을 극복하기 위해 새로운 후보로 대두한 것이 완전공핍층 트랜지스터다. 완전공핍층 트랜지스터는 요철 형태의 실리콘(Si) 채널을 세워 게이트가 채널을 조정하는 능력을 증대시키며, 이를 바탕으로 단채널 현상을 개선한다. 게이트와 요철 형태로 세운 실리콘 채널이 3면에서 맞물리는 3차원 구조다. 얇고 길게 세워진 채널이 물고기 등 지느러미를 닮아 ‘핀(Fin) 트랜지스터’라고도 부른다. 단채널 현상을 개선해 동작 전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 채널과 게이트가 닿는 면이 넓어져 성능도 향상시킬 수 있다. 삼성전자는 2012년 14나노 공정부터 핀 트랜지스터를 적용했다.

하지만 더 작은 반도체 칩을 위해 몇 세대 공정의 전이 과정을 거친 뒤, 핀 트랜지스터 역시 한계에 도달했다. 핀 트랜지스터 구조는 4나노 이하 공정에서 동작 전압을 줄이는 게 불가능했던 것. 동작 전압을 더 낮출 수 있는 새로운 트랜지스터가 필요하게 됐다.

▲ 반도체 트랜지스터 구조의 차이를 보여주는 그래픽

바로 이 칼럼에서 얘기하고자 하는 GAA 구조의 트랜지스터다. GAA는 ‘Gate All Around’라는 이름처럼 게이트가 채널을 전방위로 감싸게 해, 채널 조정 능력을 극대화했다. 이로 인해 단채널 현상이 크게 개선되고, 동작 전압 또한 낮출 수 있다.

일반적인 GAA 트랜지스터는 채널 영역이 나노와이어(Nanowire)[4] 형태로 가늘고 긴 모양(아래쪽 이미지 참고)이다. 많은 전류를 흐르게 하기 위해선 전류가 흐르는 채널의 폭이 넓어야 하는데, 나노와이어처럼 가느다란 구조는 충분한 전류를 얻기 힘들다.

삼성전자는 이를 극복하기 위해 MBCFET(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor)이라는 아이디어를 냈다. 와이어 형태의 채널 구조를 얇은 종이 모양의 나노시트(Nanosheet)로 만들어, 채널이 게이트에 닿는 실질적인 면적을 늘린 것. 그만큼 전류량도 증가한다. 삼성전자만의 독자적인 GAA 기술인 MBCFET은 GAA 구조의 장점인 단채널 현상 개선뿐만 아니라, 채널 영역을 확장해 성능 개선까지 달성할 수 있는 경쟁력 있는 트랜지스터 구조다.

MBCFET공정은 기존 7나노 핀 트랜지스터 공정과 비교했을 때, 소비전력이 약 50% 절감되고, 성능은 30% 정도 개선되며, 공간도 약 45%나 줄일 수 있다.

▲ GAA 트랜지스터의 나노와이어 구조(왼쪽)와 나노시트 구조. 나노시트 구조로 채널과 게이트가 닿는 실질적인 면적이 더 넓어진 것을 볼 수 있다.

반도체 기술 영역에서 GAA 트랜지스터 개발은 ‘산업혁명’에 비견될 정도로 획기적인 기술의 변환이다. 또한 현재 세계에서 삼성전자만이 그 적용 계획을 제시하고 있을 정도로 난이도가 높은 공정이기도 하다. 20년에 가까운 연구 개발 기간을 거쳐 오늘날 삼성전자만의 독창적인 MBCFET으로 탄생했다. 이는 회사 기술력이 세계 최고 수준임을 다시 한번 보여주는 쾌거라 할 수 있겠다.

삼성전자는 한계라 여겨졌던 ‘4나노의 벽’을 넘으며 반도체 역사를 다시 써 내려 가고 있다. 사람 눈으로 볼 수 없을 만큼 ‘미세’하지만, 4차 산업혁명을 넘어 기술과 산업의 ‘원대한 미래’를 열어갈 GAA 트랜지스터와 MBCFET이라는 신기술. 거대한 기술의 변환, 그리고 새로운 역사와 마주하고 있는 반도체 엔지니어로서 전율을 느낀다.

[1]트랜지스터는 소스(Source)와 드레인(Drain) 양단 간에 전류가 흐르는 ‘채널’과, 채널에 흐르는 전류의 흐름을 제어하는 ‘게이트’로 구성된다. 게이트가 전류를 증폭하거나 스위치 역할을 해 이진법의 데이터를 만들어낸다.
[2]반도체의 크기를 측정하는 단위로 1나노미터는 10억분의 1미터
[3]트랜지스터의 게이트 길이가 줄어듦에 따라 소자특성이 나빠지는 현상
[4]단면의 지름이 1나노미터 정도인 극미세선