반도체 때문에 세상이 끝날 수 있다고?

반도체 때문에 세상이 끝날 수 있다고?

대학생신재생에너지기자단 22기 박재욱, 23기 김태현

[수요가 꾸준히 증가하는 반도체]

현재 반도체는 없으면 살 수 없는 삶의 필수품으로 자리 잡았다. 현재 우리나라의 반도체 수출이 부진하고 있는 등 반도체 경기가 침체되고 있는 시점이지만, 전문가들은 올해 3~4분기부터 반도체 수요가 회복되고 매해 증가할 것이라고 전망했다. 10년 후에는 지금보다 10~20배의 반도체가 필요하다. 이처럼 반도체는 수요가 끊임없이 증가하고 있으며, 앞으로는 더 급격하게 증가할 것이다.

[자료 1. 꾸준히 수요가 증가하는 반도체]

출처 : 뉴스토마토

 

[반도체 성장의 이면]

그러나 반도체 사용량의 증가는 하나의 재앙을 동반할 수 있다. 바로 전력 사용량 증가이다. 현재 쓰이는 전력 중 반도체를 사용하는 데 필요한 전력은 전체의 3~5% 정도이다. 그렇다면 10년 뒤에는 전체 전력 중 최소 3분의 1 이상을 차지하게 된다. 전체 사용 전력 역시 30~50% 정도 증가하게 되는데, 신재생에너지의 효율 상승이 느려지고 있는 현재 상황 속에서 이는 부담스러운 수치일 수 있다. 게다가 이는 자원의 빠른 고갈 및 금전적인 부담으로 이어질 수 있으며, 계통의 불안정화도 야기할 수 있다.

[자료 2. 많은 양의 데이터를 처리하는 데이터센터]

출처 : TECHWORLD

최근에는 반도체 사용을 위한 전력과 더불어 데이터센터를 운영하기 위한 전력도 기하급수적으로 증가하고 있다. 빅데이터 시대가 도래하며 데이터센터는 필요할 때 정보를 끌어올 수 있도록 점점 더 많은 정보를 저장하고 있다. 구글의 인공지능인 바드(Bard)가 지구에서 살아가고 있는 우리 한 명 한 명의 정보를 알고 있다는 말을 떠올려보면 이 수많은 정보들을 지키기 위해 얼마나 많은 전력이 필요한지 짐작할 수 있을 것이다. 정보 저장 및 처리 이외에도 많은 양의 에너지가 필요한 것이 있다. 바로 장비를 냉각하는 데 필요한 전력이다. 데이터센터는 24시간 가동되기 때문에 장비의 열을 식히는 데 많은 전력과 에너지가 쓰일 수밖에 없다. 사실상 데이터센터에서 공급받는 전력의 대부분은 장비 냉각에 쓰인다. 전력통계정보시스템에 의하면 일 년간 전력 생산량은 2021년 기준 약 577TWh이다. 이 중 데이터 센터가 사용하는 전력은 약 1.76TWh로, 이는 전체 전력의 0.3%에 해당하는 수치이다. 2029년에는 데이터 센터가 약 51.2TWh의 전력을 사용할 것으로 전망하고 있으며, 이는 전체 전력의 10%에 가까운 수치이다.

[자료 3. 세계에서 사용하는 전력 중 데이터센터의 비중]

자료출처: 스웨덴 세인 코리아

전 세계를 기준으로 하면 현재 데이터센터는 전체 전력 사용량의 2% 정도를 차지하고 있고 2029년에 그 수치가 20%까지 상승할 전망이다. 2020년대가 끝나갈 무렵에는 데이터센터가 지금의 30배 이상에 해당하는 전기를 사용할 것이며 당장 가까운 미래에도 데이터센터를 운영하는 데 필요한 전력의 양이 반도체를 사용하는 데 필요한 전력의 30% 이상에 해당할 것이다. 언젠가는 데이터센터의 별명이 왜 ‘전기 먹는 하마’인지를 실감할 날이 올 것이다. 또한 이렇게 반도체 사용과 데이터센터 관리하는 데 요구하는 전력이 기하급수적으로 증가한다면 전 세계가 전력난을 겪는 것은 시간문제이다.

[자료 4. 데이터센터의 폐열과 이의 지역 냉난방 활용]

출처 : 에너지데일리

데이터센터는 데이터 관리 이후 많은 폐열이 발생한다. 한국알파라발 노준석 프로는 ‘데이터센터 컨퍼런스’에서 데이터센터에서 사용되는 에너지의 98%는 열로 전환된다고 보고했다. 데이터를 저장하고 관리하는 과정의 에너지 효율은 다른 신재생에너지의 효율과 비교했을 때 압도적으로 낮은 2%에 해당한다는 것이다. 이에 따라 전 세계적으로 지역 냉난방이나 실내 농업에 이용하는 등 데이터센터에서 생성되는 폐열을 이용하려는 노력이 이어지고 있다. 그러나 데이터센터에서 발생하는 폐열은 인접 지역에만 이용할 수 있다는 한계점이 존재한다. 더구나 우리나라에는 해외와 다르게 불확실성 및 기술력 부족으로 인해 폐열을 이용하려는 시도조차 보이지 않고 있다. 이처럼 데이터센터를 운영하기 위해 쓰이는 전력 및 에너지 중 너무 많은 부분이 열로 전환되고 있는 실정이다.

반도체 내부에서도 전력 사용을 늘리는 요인이 존재한다. 바로 누수 전력이다. 반도체는 웨이퍼라는 판 위에 공정을 한꺼번에 진행한 후 여러 조각으로 잘라서 판다. 반도체를 소형화하면 한 번에 많은 수량을 판매할 수 있어 경제성이 높아진다. 그러나 반도체의 크기가 작을수록 구성 요소 간 거리가 짧아지기에 이 요소들이 서로 간섭을 일으킬 수 있어 전력 효율이 떨어지게 된다. 이는 전력 누수로 이어지며 전력 효율을 낮추는 요인이 된다. 더불어 반도체의 전기적 효율을 높일 수 있도록 박막을 점점 더 얇게 증착하려는 노력이 이어지고 있지만, 이 역시 박막이 과도하게 얇아지면 전력 누수로 인해 효율이 오히려 떨어지고 안전에도 큰 영향을 끼칠 수 있다는 단점이 있다.

현재 반도체는 침체기를 걷고 있지만 반도체 수요 및 사용량이 장기적으로는 증가하는 상황에서 우리는 이에 필요한 전력을 생산해낼 수 있어야 한다. 이를 위해서는 현재의 반도체보다 더 적은 전력을 사용하는 친환경적인 반도체가 필요한데, 지금부터는 이를 이룰 수 있게 하는 기술에 대해 알아보도록 하자.

 

[저전력 반도체의 시대, GAAFET]

[자료 5. TSMC 반도체의 전력 소모량]

출처 : TSMC

최근 반도체 시장의 키워드는 ‘저전력’에 맞춰져 있다. 최고의 반도체 대장간이라 불리는 태국의 TSMC가 만든 반도체는 집적도(크기), 에너지 효율, 전력 효율 등 모든 면에서 압도적이다. 그 결과, TSMC는 2023년 1분기 파운드리(반도체를 생산하는 기업) 점유율에서 59%를 차지하며 독보적인 위치임을 다시 한번 증명했다. (2위를 차지한 대한민국의 삼성전자 점유율은 13%이다.) 이렇게 TSMC가 저전력 반도체로 전세계 반도체 시장을 호령하고 있는 지금, 삼성전자는 전세계 최초 ‘3나노’ 반도체를 생산하며 반격했다. 기술력으로는 타의 추종을 불허할 수준임에는 그 누구도 반론할 수 없는 TSMC의 반도체지만, 그 크기를 3나노까지 줄이자 소자 간 간섭, 누설 전류 등 여러 문제와 그에 따른 수율 불안정이 발생하며 한계를 드러냈다. 그렇다면 삼성전자는 어떻게 먼저 3나노 공정에 성공한 것이며 이는 저전력과 어떤 관계가 있을까?

[자료 6. FinFET과 GAAFET]

출처 : 헤럴드경제

그 답은 GAAFET에 있다. 왼쪽 그림은 TSMC에서 주로 제작하는 ‘FinFET’이라는 반도체이고 오른쪽 그림은 삼성전자가 3나노 공정에 사용하는 ‘GAAFET’이라는 반도체이다. GAA는 Gate-All-Around의 약자로, 직역하자면 ‘게이트가 사방에서 둘러싼 구조’이다. 위 그림의 회색 직사각기둥은 반도체 소자의 ‘채널(Channel)’을 나타낸다. 채널은 쉽게 말해 전류가 흐르는 영역이다. 그 위의 보라색 영역은 반도체 소자의 ‘게이트(Gate)’이다. 게이트는 채널을 컨트롤하여 전류를 조절하는 곳이라고 비유하면 적절하다.

FinFET을 보면, 회색 채널 영역을 보라색 게이트가 양옆과 위, 총 3면으로 둘러싸고 있다. 반면 GAAFET의 경우 Gate-All-Around라는 이름에 걸맞게 게이트가 채널을 상하좌우 4면으로 둘러싸고 있다. 즉, GAAFET은 게이트와 채널의 접촉을 늘림으로써 게이트가 채널과 전류를 조절하기에 훨씬 용이한 구조라고 할 수 있다. FinFET의 경우 게이트와 접촉하지 않은 채널 아랫면으로 전류가 세어 나가는 현상이 발생한다. 이를 누설 전류(Leakage)라고 하는데, 누설되는 전류가 많을수록 당연히 전기 효율은 떨어진다. 하지만 채널의 모든 방향을 게이트로 막아놓은 GAAFET는 FinFET에 비해 누설 전류를 확연히 줄일 수 있다.

[자료 7. 반도체의 크기와 누설 전류의 관계]

출처 : 22기 박재욱

앞서 언급했듯 누설 전류 문제는 반도체의 크기가 작아짐에 따라 더욱 심화된다. 어떤 이유에서일까? 만약 반도체 소자의 크기가 일정 수준 이상 크다면 세어 나가는 전류가 효율에 큰 지장을 주지 않는다. 하지만 수율과 성능, 집적도를 높이려면 반도체의 미세화는 필연적이다. 이에 따라 반도체의 크기가 작아지면 전자들이 제멋대로 움직이기 훨씬 쉬워지기 때문에 누설 전류가 전기 효율에 치명적으로 작용한다. TSMC의 FinFET이 3나노 수율 문제의 벽에 가로막힌 것도 이 때문이다. 게이트가 채널을 3면에서 컨트롤하는 것만으로는 전류를 제대로 조절할 수 없었던 것이다. 반면 삼성전자의 GAAFET은 이 문제를 해결하며 세계에서 가장 먼저 3나노 반도체의 깃발을 꽂을 수 있었다.

[자료 8. FinFET과 GAA의 성능 비교]

출처 : 연합뉴스 (https://www.yna.co.kr/view/GYH20220711000800044)

위 자료는 TSMC의 인기 상품인 5나노 FinFET과 삼성전자의 3나노 GAA의 성능을 비교한 것이다. 현재 삼성전자는 1세대 GAA를 생산하고 있으므로 5나노 FinFET 대비 45%의 전력을 감축할 수 있을을 확인할 수 있으며, 2세대에 진입한다면 감축량은 50%까지 상승할 전망이다. 삼성전자가 과거 7나노 반도체에서 5나노 반도체로 넘어갈 때 ‘전력 효율을 20% 향상했다’라고 밝힌 것에 비하면 45%는 굉장한 상승 폭이다. 게다가 앞으로 2나노, 1나노 등 빠른 속도로 작아질 반도체 기술을 고려하면 빠른 시일 내에 추가적인 전력 효율 상승도 충분히 기대해볼 수 있다. 이렇게 불붙은 ‘저전력’ 대결은 물론 기업의 이익 창출을 위한 것이지만, 이러한 경쟁이 가속화하는 발전은 분명 인류에게 큰 보탬이 될 것이다.

 

[인공지능 반도체의 저전력화]

저전력 반도체를 향한 열망은 AI 서비스 구현에 필요한 인공지능 반도체 분야에서도 불타오르고 있다. 방대한 양의 데이터를 학습하는 것은 쉽지 않은 작업이다. 따라서 이 과정에는 일반적인 반도체보다는 이에 특화된 인공지능 반도체를 사용하는 것이 효율적이다. 현재 쓰이고 있는 인공지능 반도체는 CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 처리 장치), FPGA(회로 변경과 프로그래밍이 가능한 소자)가 있다. 하지만 이들은 인공지능에 완전히 특화된 반도체는 아니며, 처리 효율이 좋지 못하고 전력을 많이 소모한다는 단점이 있다.

[자료 9. PIM 반도체]

자료 출처 : 삼성전자

이를 해결하기 위한 것이 바로 PIM(Process In Memory) 반도체다. 반도체에는 데이터를 저장하기 위한 메모리 반도체와 데이터를 처리하기 위한 시스템 반도체가 있다. PIM 반도체는 메모리 반도체에 데이터 처리 기능을 추가한 반도체이다. 메모리에 저장된 데이터를 처리하기 위해 프로세서로 옮기는 과정에만 전체 전력의 70%를 사용한다. 또한, 기존 메모리 시스템 환경을 변경할 필요가 없어 기회비용이 적다. 현존하는 거의 모든 메모리에 데이터 처리 기능을 추가할 수 있기 때문에 이 기능을 구현하기 위해 메모리를 교체하지 않아도 된다.

 

[저전력 시대의 반도체 재료]

이 외에도 전력 사용량을 줄이기 위해 반도체 소자를 이루는 다양한 소재들을 개발하고 있다. 과학기술정보통신부는 지난 3월 ‘국가전략기술 미래소재 확보 전략’을 발표했다. 이 내용에 따르면 2035년까지 미래에 필요한 100대 소재를 국산화할 것을 목표로 설정했는데, 이 중 반도체 관련 소재가 11가지로 가장 많은 비중을 차지하였다. 공개된 대표적인 소재는 반도체 수직 적층용 소재이다. 반도체를 적층하면 전자가 이동하는 거리가 짧아진다. 이는 성능 향상과 함꼐 전력 소모량을 줄이는 효과를 불러일으킨다.

[자료 10. 산화 바나듐]

출처 : 케이켐비즈

지난 2021년에는 반도체의 소비 전력과 발열량을 줄일 수 있는 소재가 개발되었는데, 반도체에 산화 바나듐을 사용했을 때 기존 실리콘 대비 전압이 낮다. 이로 인해 반도체에 실리콘 대신 산화 바나듐을 사용할 경우 소비 전력과 발열량이 줄어들게 된다. 일반적인 반도체는 실리콘을 웨이퍼 위에 쌓아 제작하는데, 산화 바나듐은 이와 결정 구조가 달라 이를 웨이퍼 위에 그대로 쌓아 올릴 경우 결함이 발생하여 안전상 문제가 생길 수 있다. 이로 인해 실리콘과 구조가 같은 산화 티타늄을 웨이퍼 위에 먼저 쌓아 올린 후 산화 바나듐을 단결정 상태로 입히는 방식으로 반도체의 전력 사용량을 줄이고 효율을 높였다.

자성 메모리 반도체는 전자의 스핀에 의한 자성을 통해 정보를 저장하는 반도체이다. 이는 처리 속도가 빠르고 전원을 꺼져도 데이터가 지워지지 않아 차세대 반도체로 주목받고 있었다. 하지만 전자의 스핀 방향이 바뀌는 데 너무 많은 전력이 필요해 전력 효율이 좋지 않은 단점이 존재했다. 반도체 소자에 수소를 주입함으로써 이를 해결하고자 했지만, 수소를 주입할 경우 스핀의 방향 전환 속도가 느려진다는 벽에 다시 한번 가로막혔다. 결국 세라믹 연료전지의 전해질로 쓰이는 ‘YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)’라는 물질을 자성 소자에 접목하여 수소 이온을 주입하는 방안이 제시되었다. 그 결과 스핀 전환 속도가 단순히 수소 이온만 주입했을 때보다 100배 빨라졌다. 이렇게 지금도 더 효율적인 반도체를 만들기 위해 전세계 수많은 연구자들이 다양한 소재 개발에 힘쓰고 있다.

 

[반도체 산업이 나아가야 할 방향]

[자료 11. 반도체와 환경]

출처 : ACM Research

20세기 중후반 혜성처럼 나타나 인류 문명을 뒤바꿔놓았던 반도체는 이제 21세기 정보화 시대를 이끌어가는 중심 산업이 되었다. 이런 추세라면 향후 몇십 년간의 산업도 반도체가 주도할 것이라는 것은 누구나 예측할 수 있는 뻔한 사실이다. 하지만 이러한 반도체에게 ‘환경’이라는 과제가 떨어졌다. 환경문제는 반도체가 앞으로 인류 문명을 짊어지고 갈 수 있는지, 지구에 닥친 위기를 해결할 수 있는지 그 역량을 시험해 보는 테스트와도 같다. 만약 반도체가 과학 기술이 내놓은 진정한 해답이라면 이 테스트를 통과할 수 있어야 한다. 나노미터라는 작은 스케일의 칩 안에 무궁무진한 가능성을 담은 반도체가 과연 이 골치 아픈 문제를 해결할 수 있을지 세상의 관심이 필요한 때이다.

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반도체에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "좀비 화학물질, PFAS에 대해 아시나요?", 21기 곽서영, https://renewableenergyfollowers.org/4061

좀비 화학물질, PFAS에 대해 아시나요?

2. "21세기 만능열쇠 반도체, 환경문제는?", 22기 박재욱, 이지원, https://renewableenergyfollowers.org/3888

21세기 만능열쇠 반도체, 환경문제는?

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참고문헌

[수요가 꾸준히 증가하는 반도체]

1. 김동욱, “솔솔 피어나는 반도체 반등론”, MoneyS, 2023.06.10, https://www.moneys.co.kr/news/mwView.php?no=2023060910004882312

2. 하경민, “반도체 ‘수출 부진’ 여전…4분기부터 ‘수요 회복’ 기대”, 2023.05.30, NEWSIS, https://newsis.com/view/?id=NISX20230530_0002321404&cID=13001&pID=13000

[반도체 성장의 이면]

1. 김혜경, “[IT와 ESG]㊥ '전기 먹는 하마' 데이터센터…'그린화'로 경쟁력 높여야”, 아이뉴스24, 2023.04.06, https://www.inews24.com/view/1582637

2. 김우용, “서버·스토리지는 데이터센터 전기소비를 얼마나 줄일 수 있나”, ZDNET KOREA, 2023.03.03, https://zdnet.co.kr/view/?no=20230303112906

3. 김칭우, “인천, 데이터센터 몰리는데…”. 인천일보, 2023.05.09, http://www.incheonilbo.com/news/articleView.html?idxno=1193208

4. 김원정, “데이터센서 에너지 재활용, “아직 걸음마 수준”, 산업일보, 2023.05.13, http://www.kidd.co.kr/news/232547

[저전력 반도체의 시대, GAAFET]

1. 백상원, “TSMC, 수율문제 제기된 3nm 제품 올해말 양산 확고”, 조세일보, 2022.06.13, https://n.news.naver.com/article/123/0002277810?cds=news_media_pc

2. 이나리, “삼성전자, 파운드리 점유율 15.8%...TSMC와 격차 더 커졌다”, ZDNET KOREA, 2023.03.14. https://zdnet.co.kr/view/?no=20230314134450

[인공지능 반도체의 저전력화]

1. 조성미, “극저전력 AI 반도체 개발에 정부가 사활 건 까닭은”, 연합뉴스, 2022.12.12, https://www.yna.co.kr/view/AKR20221212076800017

2. 뉴스핌, “초저전력•초고집적 반도체 소재 개발, …과기부 2035년까지 100대 소재 국산화 박차”, 2023.03.22, https://www.newspim.com/news/view/20230322000877

3. 윤진우, 삼성이 지원한 ‘초저전력・고밀도 메모리’ 반도체 소재, 국제학술지 게재, 조선비즈, 2021.08.25, https://biz.chosun.com/it-science/ict/2021/08/25/YXROCD2B7NA2ZHBNFWWFR2HNHE/

4. 김동진, KIST, 차세대 반도체 '자성메모리' 전력 소비 낮추는 기술 개발, IT 조선, 2020.05.27, https://it.chosun.com/site/data/html_dir/2020/05/27/2020052700533.html