오늘 소개할 것은 인터커넥트 기술입니다.
사람들은 칩에 대해 이야기할 때 보통 논리를 작동시키는 작은 스위치인 트랜지스터를 떠올립니다.
하지만 사실 가장 똑똑한 트랜지스터라도 신호가 빠르게 이동하지 못하면 쓸모가 없습니다.
바로 여기서 인터커넥트가 등장합니다.
인터커넥트는 모든 트랜지스터를 연결하여 칩 전반에 걸쳐 정보, 전력, 타이밍을 전달하는 금속 고속도로입니다.
칩이 점점 더 작아지면 이러한 고속도로도 줄어들지만 새로운 문제가 발생합니다.
지연이 증가하고 열이 쌓이며 재료가 고장나기 시작합니다.
이제 엔지니어들은 전선이 스위치만큼이나 중요하기 때문에 트랜지스터만큼이나 인터커넥트에 집중합니다.
오늘은 데이터 흐름을 유지하는 조용한 영웅인 인터커넥트 스케일링, RC 지연, 저유전체라는 세 가지 핵심 아이디어에 대해 살펴보겠습니다.
상호 연결 스케일링
인터커넥트 스케일링은 칩 내부의 금속 선을 더 얇고 가깝게 만드는 것을 의미합니다.
초기 칩에서는 트랜지스터를 스케일링하면 자동으로 모든 것이 더 빨라졌습니다.
하지만 나노미터 크기에 도달하면서 전선이 따라가지 못했습니다.
얇은 전선은 저항이 높고 전선 사이의 공간이 커패시턴스를 증가시킵니다.
함께 하면 신호 속도가 느려집니다.
엔지니어들은 저항이 낮기 때문에 알루미늄 대신 구리를 사용하려고 시도한 다음 이를 보호하기 위해 장벽층을 추가했습니다.
하지만 치수가 10nm 이하로 떨어지면서 구리도 어려움을 겪기 시작했습니다.
고전류 하에서 원자의 이동인 전기 이동이 심각한 문제가 되었습니다.
일부 회사에서는 이제 손상에 더 잘 견디는 코발트나 루테늄과 같은 새로운 금속을 실험하고 있습니다.
스케일링은 더 이상 물건을 더 작게 만드는 것이 아니라 그 규모에서 생존할 수 있는 새로운 재료를 찾는 것입니다.
RC 지연
RC 지연은 저항(R)과 커패시턴스(C)의 곱으로 인해 신호가 전선을 통과하는 데 걸리는 시간입니다.
전선이 작을수록 저항이 높아지고, 전선이 가까울수록 커패시턴스가 높아집니다.
함께 좁고 혼잡한 거리의 교통과 같이 모든 것이 느려집니다.
트랜지스터가 피코초 단위로 전환되더라도 신호가 배선에 더 오래 걸릴 수 있습니다.
이것이 특정 시점 이후 클럭 속도를 높이는 것이 더 어려워진 가장 큰 이유 중 하나입니다.
엔지니어들은 지연을 줄이기 위해 버퍼링, 중계기 삽입, 다층 라우팅 등 영리한 트릭을 사용합니다.
하지만 이는 끊임없는 타협입니다.
모든 개선에는 전력이나 면적의 트레이드오프가 따릅니다.
어떤 면에서는 RC 지연이 반도체 설계의 현실 점검과 같습니다.
논리가 아무리 빨라지더라도 세상은 여전히 연결할 시간이 필요합니다.
저유전체
저유전체는 커패시턴스를 줄이기 위해 금속 선 사이에 배치되는 재료입니다.
"k"는 유전 상수를 의미하며 낮을수록 선이 서로 간섭하는 정도가 줄어듭니다.
기존 이산화규소는 유전 상수가 약 4이지만 저유전체는 2 이하까지 낮아질 수 있습니다.
이를 사용하면 신호가 더 깨끗하고 빨라집니다.
그러나 저유전체는 일반적으로 더 부드럽고 더 취약하기 때문에 가공이 어렵습니다.
수분을 분해하거나 흡수하여 신뢰성이 떨어집니다.
엔지니어들은 특수 증착 방법과 보호 캡을 개발하여 더 오래 사용할 수 있도록 했습니다.
안정성을 희생하지 않으면서 속도를 향상시키는 것이 섬세한 균형입니다.
모든 차세대 칩은 이를 따라잡기 위해 차세대 절연체가 필요합니다.
전선 사이의 공간도 전선 자체만큼이나 중요해집니다.
결론적으로 인터커넥트 스케일링, RC 지연, 저유전체는 진보가 눈에 보이는 것에만 국한되지 않는다는 것을 상기시켜 줍니다.
진정한 도전 과제는 사물 간의 보이지 않는 경로, 즉 정보가 얼마나 빠르고 깨끗하고 신뢰성 있게 이동할 수 있는지에 있습니다.
칩의 미래는 우리가 얼마나 많은 트랜지스터를 장착할 수 있느냐뿐만 아니라 얼마나 아름답게 통신할 수 있느냐에 달려 있습니다.
삶에서와 마찬가지로 연결은 성능을 정의합니다.
그리고 가장 작은 회로에서도 모든 것이 작동하는 것은 바로 그 사이의 공간입니다.