IBM, '나노스택' 칩 공개로 무어의 법칙 10년 연장 청신호
IBM이 트랜지스터를 수직으로 적층하는 '나노스택(Nanostack)' 기반의 새로운 CFET 칩 프로토타입을 공개했습니다. 이 기술은 칩의 성능을 최대 50% 높이면서도 에너지 효율은 70%까지 개선하여, 물리적 한계에 직면한 반도체 산업의 성장을 앞으로 10~15년 더 이끌어갈 핵심 동력으로 평가받습니다.
IBM은 손톱 크기 면적에 약 1,000억 개의 트랜지스터를 집적한 새로운 프로토타입 칩을 제작했습니다. 이는 2021년 발표된 이전 최첨단 기술 대비 밀도가 2배 높은 수치로, 향후 수년 동안 더 빠르고 전력 효율이 뛰어난 컴퓨터가 등장할 길을 열어줄 것입니다.
지난 반세기 동안 칩 제조사들은 '무어의 법칙(Moore's Law)'이라는 핵심 원칙을 따라 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적함으로써 점점 더 강력한 컴퓨터를 만들어 왔습니다. 이를 위해 연산을 수행하는 미세 스위치인 트랜지스터의 크기를 점차 줄여왔습니다. 하지만 지난 15년 동안 트랜지스터는 양자역학이 작동하기 시작해 기능을 방해할 수 있는 물리적 한계, 즉 수십 나노미터 크기의 한계에 근접했습니다. 더 이상 크기를 줄일 수 없게 된 것입니다.
따라서 칩에 더 많은 트랜지스터를 탑재하기 위해 업계 엔지니어들은 도시 계획자들에게 친숙한 접근 방식으로의 전환을 모색하고 있습니다. 바로 '위로 쌓아 올리는 것(build up)'입니다. 목요일, IBM은 이러한 전략을 사용한 칩을 창출했다고 발표했습니다. '나노스택(nanostack)'으로 불리는 이 새로운 아키텍처는 실리콘 칩 위에 트랜지스터를 2개 층으로 수직 적층하는 방식입니다.
IBM 리서치의 제이 갬버타(Jay Gambetta) 소장은 화상 기자회견에서 "이는 단순한 점진적 발전이 아니며, 의미 있는 도약"이라고 말했습니다. 갬버타 소장은 향후 10년 내에 나노스택 기술이 적용된 칩이 데이터센터에 널리 보급되어, 향상된 전력 효율을 통해 시설의 에너지 소비를 더 효과적으로 관리할 수 있을 것으로 기대했습니다.
기술 분석 기업 테크인사이츠(TechInsights)의 댄 허처슨(Dan Hutcheson) 부회장은 "확실히 혁신적이며, 이로써 반도체 기술 로드맵이 앞으로 10~15년 더 연장될 것"이라고 평가했습니다. IBM은 이전 최첨단 아키텍처와 비교했을 때, 이 새로운 접근 방식으로 제작된 칩이 동일한 시간 동안 최대 50% 더 많은 연산을 수행할 수 있으며 에너지 효율은 최대 70%까지 향상된다고 밝혔습니다.
이 아키텍처는 트랜지스터를 배치하는 일반적인 방법을 제시하며, IBM은 실제 칩을 생산하기 위해 반도체 제조사들과 파트너십을 맺을 예정입니다. 또한 칩 설계자들이 GPU와 CPU를 포함한 다양한 유형의 칩에 이 설계를 적용할 것으로 예상하고 있습니다. IBM의 글로벌 반도체 R&D 부사장인 부후이밍(Huiming Bu)은 새로운 디자인을 발표하는 기자회견에서 "디자이너들과 이 기술을 어떻게 활용할 수 있을지에 대해 많은 논의를 나눌 것"이라고 밝혔습니다.
'레이어 케이크' 구조 엔지니어들은 케이크를 만들 듯 층층이 쌓아 올리며 IBM의 새로운 칩을 창조했습니다. 먼저 한 층의 실리콘에 트랜지스터를 제작합니다. 그다음, 이 소자들 위에 실리콘 층을 배치하고 그 위에 직접 또 다른 층의 트랜지스터를 제작합니다. 마지막으로 두 트랜지스터 층 사이에 전기적 연결망을 형성합니다.
이 연구에 참여하지 않은 일리노이 대학교 어배너-섐페인(UIUC)의 칭 카오(Qing Cao) 재료공학 교수는 두 가지 유형의 트랜지스터를 결합하는 이러한 종류의 수직 적층을 상보형 전계효과 트랜지스터, 즉 CFET라고 설명했습니다. IBM만 이러한 일반적인 접근 방식을 추구하는 것은 아닙니다. 인텔, 삼성, TSMC와 같은 최대 반도체 제조사들과 벨기에의 경쟁 연구소인 이멕(Imec) 역시 CFET를 연구해 왔습니다.
IBM은 자사의 디자인이 두 번째 트랜지스터 층이 첫 번째 층 바로 위에 놓이는 것이 아니라 엇갈리게(staggered) 배치된다는 점에서 차별화된다고 밝혔습니다. 이러한 방식은 배선을 단순화하는 등 여러 이점을 제공합니다. 카오 교수는 AMD의 3D V-Cache나 화웨이의 차세대 LogicFolding 기술처럼 두 개 층의 칩을 만드는 또 다른 일반적인 접근 방식과 IBM의 나노스택 아키텍처 내의 CFET를 대조했습니다. 앞서 언급된 방식에서는 엔지니어가 두 층을 서로 부착하기 전에 각 칩 층에 개별적으로 트랜지스터를 제작합니다. 카오 교수는 IBM의 새로운 방법을 통해 트랜지스터의 크기가 매우 작아 성능에 매우 중요한 층 간의 정밀한 정렬이 훨씬 더 용이해진다고 덧붙였습니다.
나노스택 기술은 현재 최첨단 트랜지스터를 제조하는 데 사용되는 '나노시트(nanosheet)' 방식을 기반으로 발전했습니다.