우리가 알고있는 반도체 (Semiconductor)가 되기까지

우리가 통상 알고있는 반도체 : 네모난 모양의 지네 다리 혹은 거미 다리 모양의 것들이 달려있는 칩을 떠올린다.
아마도 미디어의 효과 때문인 듯 하다. 반도체라는 개념이 생겨나고 대한민국 산업의 큰 줄기가 될 때 쯤 가장 보편적인 반도체의 모습이 그러했으니 그런걸 것이라고 추정해 본다.
우리가 아는 반도체는 흔히 얘기하는 IC (Integrated Chip) 이다.

우리 인류는 이제 반도체 없이는 살 수 없다. 어쩌다 인간이 이런 상황에 놓이게 된 걸까.
Semiconductor가 무엇인지에 대해 고민해보며, 작금의 Semiconductor 세상이 도래하게된 필연적인 흐름을 이해해보고자 한다.

1. 반도체란?

반도체의 개념을 설명하고자 한다면 이 글 하나만으로는 부족할 정도로 아주 깊은 과학적 원리에 근거를 두고있다. 하나의 핵심은 반도체는 이름에서도 알 수 있듯, 도체도 부도체도 아니라는 것이다. 도체와 부도체 사이의 그것. 그것이 반도체 이다.

좀 더 정확히 표현하면, 어떤 때는 도체가 되고, 어떤 때는 부도체가 되는 것이 Semiconductor라고 할 수 있겠다.
이렇게 도체 였다가, 부도체 였다가를 “선택” 할 수 있는 특징이 ‘Semiconductor’ 이다. 여기서 “선택” 이란 개념을 생각해보면, “인간이 목적을 갖고 의도한 결과” 라고 할 수 있다. (선택 자체가 결과라고 말하는 것이지, 선택의 결과에 대해 논하고자 하는 것이 아니다.)

방에 있는 전등을 생각해보자. 방을 밝히기 위해서 우리는 전등을 키는데, 전등을 키고 끄는데 도구로써 활용되는 것이 “스위치” 이다. 스위치를 on 으로 하면 우리는 “전등을 켜다” 라는 선택을 한 것이고, off 로 하면 “전등을 끄다” 라는 선택을 한 것이다.
이때 “스위치” 의 역할을 할 수 있는 근본 원리가 “반도체”와 같다.

도체도 아닌, 부도체도 아닌, Semiconductor라는 상태가 스위치의 역할로써, 전류를 때로는 흘려보내고, 때로는 막는 상태를 인간의 의도에 따라 해낼 수 있게 해준다. “Semiconductor”의 이러한 역할을 소자로 구현해낸 것이 “트랜지스터 (Transistor) 이다.”

2. Semiconductor 의 발견이 위대한 이유

Semiconductor의 발견이 위대한 이유는 한마디로 표현하면 다음과 같다.

“인간이 전기를 통제할 수 있다.”

인간이 전기를 발견한 것은 인류 역사에 비하면 그리 오래되지 않았다.
그리고 전기라는 것은 자연의 산물이고, 자연의 법칙에 따라 움직이는 성질의 것이다.
그러한 자연을 인간이 통제하고자 하는 것은 어찌보면 신의 영역에 도전하는 것과 같다.
인간은 그러한 자연의 법칙을 통제하고자 “Semiconductor”라는 것을 고안해 내었고, 그렇게 저기를 통제할 수 있게 되었다.

전기는 늘 흐르기만 한다. 그리고 멈출수도 없었다. 그러나 그러한 전기를 인간이 인위적인 힘으로 보관하기도 하고, 원하는 타이밍에 흐르게끔 만든 것이다.
Semiconductor가 위대한 이유는 인간이 전기를 통제할 수 있게끔 했기 때문이다.

3. Semiconductor 의 발전

불과 10년, 20년전만해도, Gigabyte 라는 단위는 엄청나게 큰 단위였다.
1GB (Gigabyte) 는 8Gb (bit) 에 해당한다. 그리고 8Gbit 는 80억개의 Cell 을 갖고 있음을 의미한다. DRAM 의 경우 Cell 한개는 1개의 Transistor (스위치) 와 1개의 Capacitor (저장고) 를 갖고 있다.

우리가 통상 쓰는 컴퓨터에 현재는 8GB 혹은 16GB 램이 기본으로 탑재되어 있다. 이는 8GB 의 경우 640억개의 Cell 을 갖고 있다는 의미이다. 실로 엄청난 숫자가 아닐 수 없다.

그 작은 IC 칩에 수십억, 수백억개의 Cell 이 들어가 있다는 것. 그리고 인간이 그 엄청난 수량의 Cell 들을 통제할 수 있다는 것. 이는 인간이 얼마나 대단한 발전을 이룩한 것인지를 느끼게 해준다.

4. Semiconductor 의 사용

인간이 전기를 원하는대로 통제할 수 있게 되니, 이제 우리가 할 수 있는 것은 무궁무진해졌다. 인간이 사용하고있는 모든 제품에는 작게는 1~2개의 많게는 수천개의 IC 칩들이 들어간다.
Semiconductor가 없는 전자제품은 이제 인류에 없다고 봐도 과언이 아니다.

5. Semiconductor의 미래

Semiconductor의 미래는 혁신과 변화를 중심으로 한 역동적인 여정을 예고하고 있다. 먼저, Semiconductor의 크기는 더욱 작아지고 성능은 더욱 향상될 것이다.
이는 3나노미터 이하의 공정 기술을 통해 가능해질 것이며, 더 많은 트랜지스터를 더 작은 공간에 집적함으로써 에너지 효율성과 처리 속도를 극대화할 수 있다.

또한, Semiconductor는 인공지능(AI)과 사물인터넷(IoT)의 발전을 촉진할 것이다.
AI 칩셋은 자율주행차, 스마트홈, 헬스케어 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌 것이다.
예를 들어, 자율주행차의 경우 실시간 데이터 처리와 의사결정을 위해 고성능 AI Semiconductor가 필수적이다.

퀀텀 컴퓨팅도 Semiconductor 산업의 주요 변화 요소 중 하나다. 기존의 이진법 시스템을 뛰어넘어 양자 상태를 활용하는 퀀텀 컴퓨터는 현재의 컴퓨팅 능력을 기하급수적으로 향상시킬 잠재력을 가지고 있다.

더 나아가, Semiconductor 제조 공정의 친환경화도 중요한 과제가 될 것이다. 에너지 소비와 탄소 배출을 줄이기 위한 노력은 지속 가능성을 위한 필수 요소로 자리 잡고 있다.

결론적으로, Semiconductor의 미래는 기술적 진보와 더불어 환경적 책임, 그리고 새로운 응용 분야의 확장을 통해 더욱 밝아질 것이다. 이는 우리의 일상생활을 더욱 스마트하고 효율적으로 변화시킬 것이다.

우리는 지금 반도체 세상에 살고 있다.