CPU 설계 : 5nm 노드 공정 왜 어려울까?

 

 

 

 

애플이 M1칩을 발표하자 경쟁자들은 경악했다.

이게 얼마나 대단한 일일까? 우리도 같이 놀라 보자.

 

 

 

 

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CPU 설계 : 5nm 노드 공정 왜 어려울까?

 

 

 

 

애플은 새로운 칩을 5 nm 공정으로 만들었다고 한다. 거기에 무수히 많은 트랜지스터를 넣었다고 자랑한다.
공개된 성능을 보면 단순 허풍이 아니었다. 그렇다면 다른 업체들은 왜 따라 하지 않는 것 일까?

 

컴퓨터 칩의 성능을 논할 때 종종 더 큰 숫자를 강조한다. 더 많은 코어, 더 높은 GHz 등을 강조하곤 한다. 하지만 CPU 성능에 기반이 되는 반도체에는 숫자가 적을수록 더 훌륭하다. 그 핵심적인 지표가 바로 노드이다.

 

 

 

프로세스 노드의 세계

노드란 반도체 회로를 구성하는 트랜지스터(Transistor)의 선폭을 뜻한다. 얼마 전까지만 해도 트랜지스터의 두 부분 사이의 가장 작은 크기의 간격을 가리켰다. 현재는 마케팅 용어에 가깝다. 단순 생산 방식을 비교하는 건 더 이상 유용하지 않다. 

칩 제작과 관련된 가장 큰 마케팅 용어 중 하나는 기능 크기이다.

 

그렇긴 하지만, 트랜지스터는 모든 프로세서에서 중요한 기능을 한다. 이들은 칩 안에서 수행하는 모든 숫자 계산과 데이터 저장을 수행한다. 다른 말로 설명하자면 이진법으로 이뤄진 디지털 정보를 전기신호로 만드는 반도체 소자다. 같은 제조업체에서 제작했을 때 프로세스의 노드가 작은 것이 매우 바람직하다.

큰 부품은 상태를 변경하는데 더 오래 걸리고, 신호는 이동하는 데 더 오래 걸리며, 프로세서에서 전기를 이동하기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하다. 사이가 멀어질수록 칩의 크기는 더욱더 커진다.

 

 

(좌) 1995년형 펜티엄 (중) 2004년형 펜티엄 M (우) 인텔 2006년형 셀러론

 

오래전 만들어진 Intel CPU를 비교해보면 크기 차이가 실감 난다. 왼쪽부터 1995년형 펜티엄, 2004년형 펜티엄 M 그리고 2006년형 셀러론이다. 각각 350nm, 90nm, 65nm 공정 노드를 갖고 있다. 즉, 24년 된 중요 부품의 디자인은 13년 된 디자인보다 5배 이상 크다. 또 다른 중요한 차이점은 새로운 칩은 약 2억 9천만 개의 트랜지스터를 내장하고 있는 반면 원래의 펜티엄은 거의 수백 배 적은 3백만 개 이상의 트랜지스터를 내장하고 있다 것이다.

하지만 여기서 진짜 중요한 점은 펜티엄이 12W의 열을 내는 것에 비해 셀러론은 30W 정도의 열을 생산한다는 것이다. 이 열은 전기가 칩의 회로 주위로 밀릴 때 다양한 과정을 통해 에너지가 손실되는데 대부분의 에너지가 열로 방출된다. 간과해야 하지 말아야 할 것은 30W의 열을 내는 샐러론 칩이 12W 열을 내는 펜티엄에 비해 거의 100배 많은 트랜지스터를 가지고 있다는 것이다.

따라서, 만약 최대한 작은 노드 공정으로 제작하여 더 작은 칩을 만들 수 있다면, 남는 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있고, 이를 통해 초당 더 많은 계산을 빠르게 할 수 있고, 더 적은 에너지를 손실을 기대할 수 있다. 그런데 왜 세상의 모든 칩이 가능한 가장 작은 노드 공정을 사용하지 않는 것일까?

 

 

 

Photolithography

 

포토리소그래피(화상 형성 공정, Photolithography)는 반도체, 디스플레이 제조공정에서 사용하는 공정이다. 사진 인쇄 기술과 비슷하게 빛을 이용하여 복잡한 회로 패턴을 제조하는 방법이다. 특정 부분은 빛을 투과하고, 특정 부분은 투과하지 못하도록 하여 박막을 하는 원리다.

 

TFT(박막 트랜지스터) 공정은 미세한 회로 패턴 제작을 위해 기판 위에 TFT 구성에 필요한 층을 올리고, 깎아내리고, 그 위에 다른 층을 또 쌓는 것을 반복한다. 이렇게 원하는 모양의 물질을 쌓기 위해 빛을 이용하여 형태를 패 터닝하는 과정을 포토리소그래피라고 한다.

 

 

하지만 전체 설계에 사용되는 것은 우리가 말하는 빛이 아니다. 정확하겐 사용할 수가 없다. 왜냐하면 예전 펜티엄에 사용하기에도 광선을 이용할 경우 너무 크기 때문이다.

 

빛은 전자기파라고 불리는 것으로, 전기장과 자기장의 끊임없이 순환하는 혼합물이다. 따라서 특정한 모양을 갖고 있지 않고 다른 것과 상호작용할 때 주기적인 패턴을 형성한다. 범위가 굉장히 넓기 때문에 이를 모두 합쳐 스펙트럼이라 부른다.

 

일반적인 포토리소그래피 과정(출처:삼성)

 

프린팅 된 기판(출처:Peellden, Wikimedia Commons)

 

 

 

 

가시광선보다 작은 것, UV

 

우리가 보통 빛이라고 생각하는 것은 가시광선(Visible spectrum)으로 스펙트럼의 아주 작은 일부분이다. 스펙트럼은 전파, 전자레인지, 엑스레이 등등 모두를 합친 것을 말한다. 스펙트럼의 확장된 부분을 보면, 빛은 실제로 380 nm에서 750 nm에 이르는 것을 볼 수 있다.

 

광원 영역. 우리가 보는 가시광선은 극히 일부분이며 CPU를 생산하기엔 크기가 크다. (출처:Philip Ronan, Gringer)

위에서 언급했듯 2006년형 샐러론은 65nm 공정으로 제조되었다. 이는 빛보다 훨씬 작은 크기다. 따라서 이를 제조하기 위해선 빛(가시광선)을 사용하지 않고 UV(자외선)을 사용해야 한다.

스펙트럼 차트에서, 자외선은 약 380nm에서 약 10nm까지 파장대를 형성하고 있다. 인텔, TSMC, 그리고 GlobalFoundries와 같은 제조업체들은 약 190nm 크기의 EUV라고 불리는 일종의 전자파를 사용한다. 이 작은 파장은 제조 시 구성요소들 자체가 더 작게 만들어질 수 있다는 것을 의미할 뿐만 아니라, 그것들의 전반적인 품질도 더 나아질 수 있다는 것을 의미한다. 이를 통해 다양한 부품을 서로 더 가깝게 배치할 수 있으므로 칩의 전체 크기를 줄일 수 있다.

 

 

회사마다 사용하는 프로세스 노드 크기를 다양하게 명명한다. 인텔은 최신 제품 중 하나를 P1274 또는 "10nm"라고 명명하는 반면 TSMC는 단순히 "10FF"라고 부른다. AMD는 작은 프로세스 노드를 위해 레이아웃과 구조를 TSMC와 유사한 제품을 생산한다.

TSMC는 소규모 노드(7nm, 5nm, 곧 3nm)에서 꾸준히 작업해 왔으며 애플, MediaTek, 퀄컴, Nvidia 및 AMD를 포함한 최대 고객을 위한 칩을 생산하고 있다. 이러한 생산에서 가장 작은 것 중 일부는 6nm에 불과하다. (대부분은 이보다 훨씬 큰 공정을 사용한다.) 6nm로 노를 생산하면, 프로세서의 대부분을 구성하는 실리콘 원자들은 대략 0.5nm 간격으로 떨어져 있고, 원자들 자체는 지름이 거의 0.1nm다. 대략적으로 TSMC의 공장들은 10개 미만의 실리콘 원자를 덮는 트랜지스터의 측면을 다루고 있는 것이다.

 

 

 

원자를 목표로 하는 도전

 

칩 제조업체들이 단지 몇 개의 원자만을 조절하기 위해 노력하고 있다는 놀라운 사실은 제쳐두고라도, 현재 사용 중인 EUV 포토리소그래피는 기술적으로 많은 제조 문제를 야기한다.

인텔은 특히 그들의 14nm와 같은 수준으로 10nm 생산량을 올리려고 애썼고 GlobalFoundries(GF)는 7nm와 더 작은 생산 시스템을 작동해야 하는 자체적인 문제를 갖고 있었다. 인텔과 GF의 어려움이 EUV 포토리소그래피의 고질적 문제만 있는 것은 아니겠지만 확실하게 아니라 말할 순 없다.

전자파는 파장이 짧을수록 더 많은 에너지를 전달하므로 제조되는 칩의 손상 가능성이 커진다. 제조 공정을 작게 할수록 오염과 사용 중인 재료의 결함이 커지는 것이다.

 

Chip 제조상 겪는 2가지 결함 형태. (출처:Solid State Technology)

또한 원자 단위의 법칙에선 전기의 흐름과 에너지의 전달이 더 이상 고전적인 시스템과 규칙을 따른다고 가정할 수 없다는 문제가 있다. 우리가 생활하고 있는 거시적 세계에서 전기를 움직이는 전자(원자를 구성하는 세 개의 입자 중 하나) 형태 유지하는 것은 도체를 두꺼운 절연층으로 감싸면 되기 때문에 비교적 쉽다. (일반적 전선 구조) 

 

하지만, CPU 제조를 원자 수준에서는 단열재를 충분히 두껍게 만들 수 없기 때문에 전자 형태를 유지하기 매우 어렵다. 이는 현재로서는 EUV 포토리소그래피를 활용해 생산했을 때 발생되는 문제이기 때문에 Nvidia가 AMD는 양자 역학에 눈을 돌리고 있다.

생산상의 어려움 뒤에 숨겨진 궁극적인 이유는 인텔, TSMC 그리고 그들의 모든 제작자들이 이익을 내야 하는 회사란 것이다. 그들은 미래의 수익을 창출하기 위한 유일한 목적으로 원자를 목표로 하고 있다. Mentor의 연구 논문에서, 소규모 공정 노드의 웨이퍼 비용이 얼마나 더 많이 드는지에 대해 다음과 같은 개요를 제시했다.

 

공정 사이즈 대비 웨이퍼 생산 비용 그래프. 공정 사이즈가 줄어들수록 웨이퍼 생산비용이 크게 늘어난다.

예를 들어 28nm 프로세스 노드가 Intel이 Haswell 범위의 CPU(예: Core i7-4790K)를 제조할 때 사용한 것과 동일하다고 가정할 경우 10nm 시스템은 웨이퍼당 비용이 거의 두 배 정도 든다. 각 웨이퍼가 생산할 수 있는 칩의 수는 각 칩의 크기에 따라 크게 달라지지만, 공정 규모가 작을수록 웨이퍼에서 잠재적으로 더 많은 칩을 생산하여 비용 증가를 상쇄할 수 있다. 그러나 궁극적으로 이 비용의 많은 부분을 제품 소매가격을 인상함으로써 소비자로 부담을 줄 것이다. 하지만 이는 산업 수요와 균형 고려해야 한다.

 

 

지난 몇 년 동안 스마트폰 판매의 증가는, 가정과 자동차에서 스마트 기술의 거의 기하급수적인 성장과 함께, 칩 제조업체들이 더 작은 노드 생산을 위해 큰 재정적 출혈을 감수하며 생산해야 함을 의미했다. 이 출혈이 수십억 달러라는 것을 감안하면, 이것은 매우 위험한 사업이고 GlobalFoundries가 프로세스 노드 경쟁에서 손을 뗀 것이 이해된다.

 

 

 

미래 전망

 

삼성과 TSMC는 볼륨과 수익 면에서 7nm 생산 라인을 한동안 양호한 이윤으로 운영해 왔으며 칩 설계자들도 제품에 여러 노드를 사용하여 미리 계획을 세우고 있다.

3세대 Ryzen CPU로 첫 선을 보인 AMD의 칩 디자인과 전략을 다른 칩 제조업체가 벤치마킹하고 있다. 이 경우, AMD의 데스크톱 PC 프로세서는 TSMC의 7nm 노드에서 제조된 두 개의 칩과 GlobalFoundries에서 제조한 14nm 칩을 사용했다. 전자는 실제 프로세서 부품이었고 후자는 CPU에 연결된 DDR4 메모리 및 PCI Express 장치에 적용했다.

 

1970년 부터 2020년 까지 Intel 프로세스 노드 크기 변화. 노드 크기가 약 4.5년마다 반감기를 보였다.  

지난 50년간 Intel의 프로세스 노드 변화를 살펴보자. 수직 축은 노드 크기를 나타낸다. 1970년 10,000nm부터 시작된 chip giant는 4.5년의 거친 노드 반감기(매번 노드 크기를 절반으로 줄이는 데 걸리는 시간)를 따르고 있다.

그렇다면 2025년까지 5nm 인텔을 볼 수 있다는 의미일까? 아마 그럴 것이다. 10nm 공정에서 헤매고 있음에도 인텔은 열심히 경쟁자에 뒤지지 않기 위해 열심히 노력해왔다. 이미 삼성과 TSMC는 5nm 이상의 생산량을 계속 생산해 왔기 때문에 프로세서에 미래는 좋아 보인다.

3 nm를 넘어 20 A(옹스트롱) 까지 계획을 발표한 인텔

 

 

 

 

 

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결론

애플은 이미 10년 뒤 미래를 보고 있다

 

 

 

애플은 생산에 들어가는 모든 재정적 타격을 감수하고라도 미완의 기술(불량률이 높은)인 5nm공정을 활용해 M1칩 그리고 A15 bionic을 생산했다. 이는 결과적으로 애플 기기들의 성능이 경쟁자들의 능력을 아득히 뛰어넘게 만들었다. 따라서 소비자 입장에선 매우 반길일이지만 삼성 같은 직접적 경쟁자뿐 아니라 정통 칩셋 생산 업체는 AMD, Intel도 아연실색한 것이다. 이번에 새롭게 발표된 M1 pro와 max를 탑재한 맥북이 이제 곧 소비자 품에 안긴다. 과연 경쟁자들은 살아남을 수 있을까?

 

 

현존 최강의 칩 : 애플의 새로운 M1 Pro와 M1 Max