모든 새로운 칩 설계에는 조용한 긴장감이 감돌고 있습니다.
우리는 더 빠른 속도, 더 낮은 전력, 더 작은 트랜지스터를 동시에 원합니다.
하지만 물리학이 항상 협조적인 것은 아닙니다.
수십 년 동안 엔지니어들은 무어의 법칙이 눈 앞의 결승선인 것처럼 크기에 역행하며 추격해 왔습니다.
그 경주 어딘가에서 평평한 트랜지스터는 한계에 도달했습니다.
전류가 흘러서는 안 되는 곳에 전류가 새기 시작했습니다.
소자 스스로의 성능을 파괴할 정도의 열이 쌓였습니다.
예전 방식으로는 더 이상 결승선을 따라잡을 수 없었습니다.
그때 수직 핀, 감싼 게이트, 공기처럼 얇은 나노시트 등 새로운 모양이 나타났습니다.
각각은 같은 질문에 대한 새로운 답이었습니다.
새로운 기술들은 모든 것을 깨지 않고 어떻게 계속 줄어들 수 있을까요?
FinFET 아키텍처
핀펫은 판도를 바꿨습니다.
채널은 표면에 평평하게 누워 있는 대신 핀처럼 일어섰습니다.
게이트는 세 면에서 게이트를 감싸고 내부의 전류를 더 잘 제어할 수 있었습니다.
이 간단한 변화로 스케일링과 관련된 많은 문제를 해결할 수 있었습니다.
누설이 감소하고 성능이 향상되었으며 트랜지스터는 신뢰성을 잃지 않고 마침내 다시 축소될 수 있었습니다.
핀펫은 수십 년 전에 실험실에 처음 등장했지만 실용화되기까지 수년이 걸렸습니다.
높고 좁은 핀을 에칭하고 게이트를 정확하게 정렬하는 것은 쉽지 않았습니다.
마침내 작동했을 때 효율성의 향상은 새로운 시작처럼 느껴졌습니다.
거의 10년 동안 핀펫은 스마트폰부터 서버에 이르기까지 모든 첨단 프로세서의 핵심이 되었습니다.
하지만 핀이 얇아지면서 가변성이 생겨났고 업계는 다시 한 번 앞을 내다봐야 했습니다.
게이트 올라운드 (GAA)
게이트 올 어라운드는 FinFET의 아이디어와 한계를 받아들여 완성되었습니다.
게이트를 세 면으로 감싸는 대신 채널을 완전히 둘러싸고 있었습니다.
채널은 더 이상 핀이 아니라 좁은 와이어나 그 더미가 되었습니다.
이 설계는 타의 추종을 불허하는 정전기 제어를 제공하여 원자 규모에서도 누설을 줄였습니다.
실제로 GAA 트랜지스터는 이전 모델보다 더 빠르게 전환하고 전력을 덜 사용할 수 있습니다.
또한 설계의 자유도를 높여 엔지니어가 성능과 효율성의 균형을 맞추기 위해 채널의 너비와 수를 조정할 수 있도록 합니다.
하지만 GAA는 구축하기 쉽지 않습니다.
여러 개의 스택 채널을 만들고 게이트로 고르게 감싸는 것은 몇 옴스트롱의 정밀도를 요구합니다.
FinFET에서 GAA로의 전환은 새로운 칩이나 아키텍처보다는 눈에 잘 띄지 않지만 정의하기에 충분한 조용한 혁신 중 하나입니다.
전류 관리에서 2차원에서 3차원으로 전류를 조각하는 방식으로 전환하는 것입니다.
나노시트 트랜지스터
나노시트 트랜지스터는 이러한 진화의 최신 단계입니다.
둥근 나노선을 사용하는 대신 평평한 반도체 소재 시트를 서로 겹쳐서 사용합니다.
이 모양을 통해 제어력을 잃지 않고 채널 폭을 더 쉽게 조정하고 구동 전류를 개선할 수 있습니다.
미묘한 변화이지만 강력한 변화입니다.
나노시트는 더 빠른 스위칭, 더 나은 에너지 효율성, 다양한 워크로드에 대한 더 쉬운 적응 등 미래 노드에 필요한 유연성을 제공합니다.
또한 오늘날의 기술과 다음 단계의 기술 사이의 격차를 좁힙니다.
이러한 전환은 이미 고급 Fab에서 진행 중이며 초기 결과는 가능성을 보여줍니다.
DNA 한 가닥보다 얇은 각 시트는 그 어느 때보다 더 많은 제어력으로 전류를 전달합니다.
한계에 가까워진 것 같지만 어떻게든 더 작아질 수 있는 여지는 항상 남아있습니다.
모든 세대는 트랜지스터를 더 작게 만드는 것이 최종 단계라고 생각합니다.
하지만 우리는 여전히 새로운 모양, 새로운 소재, 새로운 아이디어를 발견하고 있습니다.
핀펫은 우뚝 일어섰고, GAA는 더 단단히 감쌌으며, 나노시트는 더 넓게 퍼졌습니다.
그 진전은 돌이켜보면 불가피한 것이라고 느껴지는 것일 수 있습니다.
사실 현미경 아래 작은 불완전함을 응시하고 포기하지 않는 사람들로 가득 찬 연약하고 시행착오로 가득 차 있습니다.
우리는 물리적으로 가능한 것의 가장자리에 가까워졌지만, 실리콘이 여전히 우리를 놀라게 할 방법을 찾는 곳에서 바로 거기서부터 혁신이 시작될지도 모릅니다.