[2] CH1 컴퓨터 추상화 및 관련 기술 < 프로세서와 메모리 생산 기술 >

프로세서와 메모리는 믿기 어려울 정도로 빨리 개선되어 왔습니다. 밑의 표가 그 사실을 보여주고 있습니다.

이러한 기술은 컴퓨터가 어떤 일을 할 수 있으며 얼마나 빨리 발전할 것인가를 결정짓는 요소이기 때문에, 컴퓨터 전문가라면 집적회로에 대한 기초적인 내용을 알고있어야 합니다. 

 

트랜지스터(transistor)는 한 마디로 전기로 제어되는 ON/OFF 스위치입니다. 집적회로는 수십,수백 개의 트랜지스터를 칩 하나에 집적시킨 것입니다. 트랜지스터 숫자가 수백 개에서 수백만 개까지 늘어난 경이적인 증가를 표현하기 위하여 초대규모(very large scale)라는 형용사를 덧붙여 초대규모집적회로(VLSI)라는 용어를 만들었습니다. 

 

어떻게 집적회로를 만드는지를 이해하기 위해 맨 처음부터 시작합시다. 실리콘(silicon)은 전기를 통하기는 하는데 썩 잘 통하는 편은 아니여서 반도체(semiconductor)라고 불립니다. 특수한 화학적 처리를 거쳐 불순물을 첨가하면 실리콘의 작은 부분을 다음 세 가지 중 하나로 바꿀 수있습니다. 

 - 전기의 양도체(초소형 구리나 알루미늄 전선)

 - 전기 절연체(플라스틱 피복이나 유리 같은)

 - 조건에 따라 도체가 되기도 하고 절연체가 되기도 하는 물질(스위치)

 

트랜지스터는 마지막 종류에 속한다. VLSI회로는 수십억개의 도체, 절연체, 스위치를 작은 패키지 하나에 만들어 넣은 것이다. 집적회로 제조 공정은 칩 가격에 심각한 영향을 미치기 때문에 컴퓨터 설계자에게도 중요한 문제이다. 

공정은 콘 소시지 같은 실리콘 결정 괴에서부터 시작된다. 이 덩어리를 0.1인치 이하의 두께로 얇게 잘라 웨이퍼(wafer)를 만든다. 이렇게 잘라진 웨이퍼는 화학 물질을 첨가하여 부분 부분을 트랜지스터, 도체, 절연체로 바꾸는 일련의 공정을 거치게 된다. 오늘날의 집적회로에서 트랜지스터는 한 층으로 배치되지만, 금속 도체는 2~8개의 계층을 구성할 수있다. 각 계층의 도체는 절연체 층으로 분리된다. 

 

웨이퍼의 불완전성을 대처하기 위해 간단한 방법 중 하나는 한 웨이퍼에 독립적인 컴포넌트를 여러 개 만드는 것이다. 그럼 다음 웨이퍼를 컴포넌트별로 자르는데 이것을 다이(die)또는 칩이라 한다. 

좌 : 웨이퍼, 우:다이(칩)

이렇게 여러 조각으로 나누면 웨이퍼에 결함이 생겼을 때 웨이퍼 전체를 버리는 대신 해당 다이만 버리면 된다. 이개념은 수율(yield)로 계량화할 수 있다. 수율은 웨이퍼상의 전체 다이 중 정상 다이의 비율로 정의된다. 

 

다이 크기가 커지면 웨이퍼에 넣을 수 있는 다이가 적어지고 수율이 떨어지므로 집적회로 가격이 급속히 증가한다. 차세대 프로세스를 이용해서 트랜지스터와 연결선의 크기를 줄임으로써 큰 다이를 축소시켜 원가 절감을 꾀하기도 한다. 예를들어 7nm공정이라 함은 다이에서 구현할 수 있는 최소 배선폭이 7nm라는 것을 의미한다. 

 

결함이 없는 다이는 패키지의 입출력 핀과 연결하는데 이 과정을 본딩(bonding)이라 한다. 

 

♣ 점검하기 

Q) 집적회로 원가를 결정하는 중요한 인자 중 하나는 수량이다. 다음 중 대량으로 생산하면 칩 원가가 싸지는 이유에 해당하는 것들은 무엇인가 ?

1. 대량으로 생산하면 생산 공정을 특정 설계에 맞추어 조정할 수 있으므로 수율이 높아진다. 

2. 소량 부품보다는 대량 부품을 설계할 때 작업량이 줄어든다. 

3. 칩 제작에 사용되는 마스크가 비싸기 때문에, 대량으로 생산하면 칩당 단가가 낮아진다. 

4. 기술 개발 비용은 매우 크면서 수량과는 무관한 특성이 있다. 그러므로 대량으로 생산하면 다이당 개발 비용이 낮아진다.

5. 대량 생산 부품은 보통 소량 부품보다 다이 크기가 작으므로, 웨이퍼당 수율이 높아진다.