반도체 쉽게 이해하기 1편. : 0과 1의 마법

본 포스팅은 네이버 프리미엄 컨텐츠의 모두 공개 파트입니다.
전체 내용은 구독자분들을 대상으로 공개하고 있습니다.
구독 채널인 Allled.TV+ 소개는 여기 를 클릭하셔서 보실 수 있습니다.

반도체로 먹고사는 나라, 반도체를 알아야 하는 나라

대중은 생각보다 기술에 관심이 없습니다.

정작 제 주위조차도 반도체, 디스플레이 분야에서 일하는 연구원들이 대부분이지만 밥벌이니까 대략 전체적인 내용만 알지 진짜로 관심을 가지는 사람이 많지는 않은 것 같습니다.

 

사실 그렇습니다. 세상은 이미 수많은 직업으로 세분화되어 있고, 같은 직업군에서도 내가 하는 일을 옆자리 동료와도 완벽히 같은 일을 하는 경우도 생각해 보면 많지 않은 것 같기도 합니다.

 

바쁜 세상 살아가면서 나와는 관계없어 보이는 분야를 깊게 아는 것은 사치입니다. 이해하려면 머리가 지끈거리고 당장의 즐거움을 주는 콘텐츠로 눈을 옮기게 됩니다. 그래서 기술 분야도 문학과 같이 교양 수준에서 편안하게 읽어내릴 수 있는 콘텐츠가 많아져야 한다고 생각합니다.

 

제 채널은 이해하려고 몇 번이고 글을 다시 보지 않을 수 있도록 쉽고 어렵지 않게 기술을 이해할 수 있도록 소개해 드리려고 노력하고 있습니다.

 

이번 시간에는 우리나라 사람이라면 누구나 한 번씩은 들어보았을 반도체(Semi-conductor)에 대해서 4편에 걸쳐서 알아보는 시간을 갖겠습니다.

1편. 누구나 반도체 이해하기 : 0과 1의 마법

2편. 반도체 원리를 찾아서 : 전자여행기

3편. 반도체는 왜 핵무기에 버금가는 전략 자산이 되었는가?

4편. 반도체의 미래에 대하여

4편의 글들로 반도체를 이해하고 왜 반도체가 점점 더 중요해지는지 그리고 반도체국(?)에서 살아가는 우리가 반도체에 대해 이해의 폭을 넓히면 왜 재밌는지 앞으로의 4편을 통해서 간단하게 알아보겠습니다.반도체는 000이다.

반도체는 000이다.

0, 1

무엇이 떠오르시나요?

 

저 같은 경우는 이과적인 생각으로 절여져서 그런지 2진법에 해당하는 디지털 신호가 떠오릅니다. 사람들마다 0과 1에 대해서 떠오르는 이미지가 있을 수도 있고, 이미지가 아예 없을 수도 있습니다. 문학적으로 본다면 시작과 죽음을 의미할 수도 있고, 참과 거짓을 의미할 수도 있을 겁니다.

 

숫자적으로 보면 단지 1차이지만, 의미적으로 본다면 0과 1의 차이는 무한대입니다. 아니 반대의 의미라고 할까요.

 

반도체는 이 0과 1을 전기적으로 표현하기 위한 재료이자 완성된 제품을 뜻하기도 합니다. 0은 전기가 흐르지 않는 상태를 말하는 것이고, 1은 전기가 흐르는 상태를 말합니다. 어디서 많이 본 상태 아닌가요?

 

맞습니다 바로 스위치입니다. 우리는 무의식적으로 하루에도 수백 번씩 스위치를 이용합니다. 일어나자마자 알람부터 끄고, 불을 켜고, 스피커를 키고, 토스터기를 돌리고 옷을 입은 후 차의 시동을 겁니다.

 

그리고 나서도 하루 종일 스위치를 껐다 켰다를 반복합니다. 스위치는 다른 설명 없이도 직관적으로 제품의 작동원리를 이해할 수 있게 합니다. 왜냐하면 스위치를 누르면서 발생하는 변화의 폭이 너무 크거든요.

 

그런데 우리가 사용하는 컴퓨터는 이런 극단적으로 반대되는 정보를 가지고 모든 것을 표현합니다. 0과 1로 이루어진 2진법으로 된 논리회로를 가지고 모든 것을 계산하고 표현합니다. 스위치 내부로 전기가 흐르면 1, 끊어지면 0으로 인식하는 것이죠.

 

애플의 M2 칩, M1 칩마저도 경쟁사들을 아득히 앞서가는 성능인데 이젠 멀리멀리 떠나갔다. (왼쪽) 칩 내부 회로도

 

예를 들어 애플에서 맥(MAC) 용으로 개발된 M2 칩 같은 경우 1초에 15조 8000억 회(15.8 TOPS, 테라플롭스)를 계산할 수 있습니다. 0과 1로 된 수많은 정보를 더하고 빼고 반복 연산한다는 이야기는 1초에 15조 8000억 회 스위치를 껐다 켰다를 반복하면서 계산을 수행하는 것입니다.

 

그러면 한 개의 스위치로는 당연히 이러한 미친 연산속도를 수행할 수도 없을뿐더러 효율적인 면에서 그렇게 만들지도 않을 것입니다. M2 칩에는 이런 식으로 연산에 쓰일 스위치가 200억 개가 들어있습니다. 200개가 아니라 200억 개입니다. 맥북에 들어가는 칩이니 당연히 노트북 안에 들어가는 작은 사이즈의 칩인 텐데 200억 개의 스위치를 넣어야 하는 것입니다.

 

우리는 이렇게 작은 스위치의 이름을 트랜지스터(Transistor)라고 합니다. 이 트랜지스터를 구성하는 재료가 바로 반도체입니다. 반도체란 이름은 바로 위에서 언급한 대로 스위치 역할을 할 수 있기 때문에 반도체라고 이름 붙여졌습니다.

 

도체와 부도체 그리고 반도체

도체(Conductor)는 금속같이 전기를 잘 흘리는 특성을 가진 재료를 말합니다.

부도체(insulator)는 반대로 전기가 흐르지 않는 재료를 말합니다.

반도체(Semi-conductor)는 이름에 세미라는 접두사가 들어가듯이 도체이기도 하면서 부도체이기도 한 재료를 말합니다.

 

도체와 부도체 상태가 자기 마음대로 오락가락하는 재료라면 전기적으로 이용하기 힘들 테니, 우리가 원하는 상태를 의도적으로 만들 수 있어야 합니다. 어떻게 가능할까요?

 

 

01

전체 내용은 구독자 전용 컨텐츠입니다.