반도체와 알이랑 민족

대한민국의 반도체는 보이지 않는 오일

편집인

| 입력 : 2026/07/16 [09:29] | 조회수: 66

대한민국 최고 수출품 1위가 반도체이다. HBM메모리는 SK하아닉스와 삼성이 세계 시장을 장악하고 있다. 메모리가 없으면 AI도 없다.

반도체란 무엇인가?

그렇다면 반도체가 무엇인지 아는 것도 중요할 것이다. 알이랑 민족은 반도체에까지 영향을 주었기 떄문이다. 그리고 미국 고려인 강대원박사도 반도체 집적회로에 공헌을 했다.

그는 노벨상급에 해당하는 발명을 해서 트랜지스터를 한층 발전시켰다. 그는 디지털 문명의 근간이 되는 MOSFET과 플로팅 게이트를 발명했다. 반도체의 아버지로도 불리는 발명가이다. 서울대, 오하이오 주립대 물리학 박사이다. "무화과 꽃이 피었습니다"의 이휘소와 강대원은 노벨상 후보이다. 알이랑 민족은 이처럼 반도체 발전에 큰 공헌을 했다..

강대원박사

반도체의 이중성, 부도체에서 도체로

반도체(Semiconductor)는 평소에는 전기가 통하지 않는 부도체(절연체)처럼 행동하지만, 특정 조건(빛, 열, 전압 등)을 가해주면 전기가 통하는 도체로 변하는 물질이다.

반도체는 상온에서 전기 전도율이 금, 구리 같이 전기가 잘 흐르는 도체와 애자, 유리 같은 전기가 흐르지 않는 부도체의 중간 정도인 물질이다.

흐르기도 하고 흐르지 않기도 하는 물질이 오늘날 컴퓨터와 AI, 스마트폰의 핵심요소이다.

그러나 이렇듯 반도체가 가진 전기 흐름(도체)과 전기 흐르지 않음(부도체)의 이중적 성질이 우리가 컴퓨터에서 사용하는 1(켜짐, On)과 0(꺼짐, Off)이란 이진 논리(Bit Logic)인 비트 처리를 가능케 한다.

이처럼 반도체라는 것은 조건에 따라 전기의 흐름을 제어할 수 있는 성질을 이용하여 만든 전자장치이다.

반도체는 오늘날 IC 또는 칩이라 불리는 집적회로를 말한다. 반도체의 핵심물질은 규소(실리콘)이다.

규소(실리콘)

규소(Si, 실리콘)가 없으면 반도체는 없다. 규소는 알이랑 하나님이 천지를 창조할 때 만든 위대한 창조물이다. 흙과 물질, 모래는 하나님이 세째 날 창조했다.

9. 하나님이 가라사대 천하의 물이 한곳으로 모이고 뭍이 드러나라 하시매 그대로 되니라. 10 하나님이 뭍을 땅이라 칭하시고 모인 물을 바다라 칭하시니라 하나님의 보시기에 좋았더라.(창1:9-10)

하나님은 뭍이 드러나라 하실 때, 이미 땅속에 광물까지 창조하셨던 것이다. 창세기 3째날에 반도체의 원료인 규소(실리콘)를 창조하셨던 것이다.

규소

인간은 천지창조의 땅속에 있는 물질을 발견하고 이를 이용만 할 뿐이다. 규소는 모래나 화강암속에도 있는 흔한 물질이다. 지구상에서 산소 다음으로 많은 물질이다. 실크로드 사막에 가면 규소 천지이다.

오늘날 규소를 실리콘이라고 하는데 실리콘은 단지 규소만 의미하는 것이 아니라 하이테크 산업을 의미한다.

그래서 구석기가 아니라 지금은 규석기 시대라고 한다.

그렇다면 실리콘은 어떤 성질을 갖고 있나?

규소는 준금속, 반도체 특성을 갖고 있다. 금속과 비금속의 성질을 갖고 있다. 그러나 비금속에 압력이나 물질을 넣으면 전기가 통하는 금속으로 변한다.

규소는 평소에는 전기가 잘 안 통하는 부도체이지만, 온도가 높아지거나 특정 물질(불순물)이 섞이면 전기가 통하는 도체의 성질을 띤다.

규소는 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소로서, 반도체 산업의 핵심 기초 재료이다.

이처럼 반도체는 금속과 비금속의 성질을 모두 가진 준금속으로, 전기 흐름을 조절하는 뛰어난 특성을 가지고 있다. 스마트폰, 인공지능, 컴퓨터는 전기흐름을 조정하는 반도체는 필수적이다.

반도체가 필요한 이유

스마트폰에 전기 흐름을 조정하는 반도체가 필요한 이유는 전기 신호를 스위치처럼 켜고 끄거나, 각 부품에 맞는 적절한 전력으로 바꾸어 기기를 안정적으로 작동시키기 위해서이다.

반도체는 평소에는 전기가 통하지 않지만, 특정 신호가 오면 전기가 흐르게 된다. 이 성질을 이용해 디지털 기기의 기본 언어인 (0)과(1)의 데이터 연산을 처리한다.

컴퓨터는 0과 1로 문자, 연산, 이미지, 동영상까지 처리한다. 그러기 위해서는 전기를 흐르게 하고 끊고 하는 반도체가 반드시 필요하다.

"전기가 흐른다는" 1, "흐르지 않게 한다"는 0으로 표시할 수 있다. 컴퓨터는 0과 1의 이진법으로 행해진다.

컴퓨터는 0과 1만을 사용하는 2진법(Binary) 체계로 모든 정보를 처리한다. 컴퓨터가 2진법을 쓰는 이유는 전기 신호의 안정성이다.

컴퓨터 내부의 회로(트랜지스터)는 전기가 흐르는 상태(1)와 흐르지 않는 상태(0) 두 가지로만 동작하는 것이 가장 확실하고 오류가 적다.

컴퓨터와 트랜지스터

컴퓨터안에는 많은 트랜지스터가 있다. 전기 신호가 들어오면 (on), 안들어오면 꺼진다(off). 컴퓨터는 이것을 0과 1로 해석한다.

0과 1로만 표현하는 컴퓨터의 정보체계를 디지털이라고 한다. 이러한 것을 활용하기 위해서는 전기를 보내고 끊을 수 있는 제어장치가 필요하다. 그래서 전기를 제어할 수 있는 반도체는 컴퓨터에 필수적이다.

반도체를 구성하는 규소는 순도가 최상급이라야 한다.

트랜지스터

세계 최초의 트랜지스터는 레플리카이다. 진공관 같았다.

그러나 트랜지스터는 점점 발전하여 집적회로 형태로 되었다.

우리는 어렸을 때 트랜지스터 라디오를 사용했다.

라디오 안에는 집적 회로가 있었다.

어렸을 때는 무슨 뜻인줄도 모르고 트랜지스터 라디오라고 불렀다. 트랜지스터는 라디오라고 생각을 했다.

트랜지스터 라디오(Transistor radio)는 트랜지스터를 사용하여 소형, 경량, 저전력화한 제품의 호칭이다.

1970년대, IC 라디오 출현

1970년 말경부터 IC(집적회로)화되어 일부 조립형 제품을 제외한 시중에 발매되는 휴대용 라디오의 거의 대부분은 '트랜지스터 라디오'가 아닌 'IC 라디오'이지만 관용적으로 여전히 트랜지스터 라디오로 부르는 경우가 많다.

세계 최초의 트랜지스터 라디오는 현재는 공학용 계산기로 널리 알려진 미국 Texas Instruments사가 개발하였지만, 이를 대중화한 것은 일본의 소니이다.

트랜지스터: 증폭과 스위치

트랜지스터( Transisto)는 신호를 전달한다는 뜻의 'Transfer'와 저항기를 뜻하는 'Resistor'의 합성어이다. 흐름과 억제라는 이중의 뜻을 하나로 묶은 것이다. 우리말로는 '전환 저항기' 또는 '반도체 소자'라고 부른다. 반도체는 한 개의 스위치로 두가지 상태를 표현한다.

증폭

트랜지스터의 주요 역할은 증폭 작용으로 작은 전기 신호나 전력을 받아 더 큰 신호로 키워주는 역할을 하고 (예: 마이크의 미세한 음성 신호를 스피커로 크게 키워줌)고, 다른 하나는 스위칭 작용으로 전류가 흐르게 하거나 차단하여 전기 흐름을 켜고 끄는(0과 1) 스위치 역할을 한다.

증폭이란 전압이나 전류가 몇 배로 변환되는 것을 말한다. BJT든 FET든 전자적 측면에서 정해진 비율로 커지는 것을 증폭이라고 말할 수 있다.

스위치

스위치작용은 수도꼭지처럼 전류의 흐름을 열거나 닫아 전기가 통하게 하거나 차단한다. 이 성질을 이용해 컴퓨터의 0과 1(디지털 논리 연산)을 처리한다.

컴퓨터에서의 트랜지스터 역할

트랜지스터는 컴퓨터의 핵심 부품인 CPU, 메모리, 그래픽 카드 등의 기저에서 연산과 제어를 담당하는 가장 기본적인 반도체 소자이다.

SK하이닉스 반도체 전공정 칼럼에서 설명하듯, 트랜지스터의 등장은 인류를 거대한 진공관 시대에서 효율적인 트랜지스터 컴퓨터(2세대 컴퓨터) 시대로 이끌었다.

트랜지스터는 전류의 흐름을 켜고(ON) 끄는(OFF) 아주 빠른 스위치 역할을 한다. 컴퓨터가 이해하는 0과 1의 숫자(2진법)를 트랜지스터의 꺼짐과 켜짐 상태로 표현하여 복잡한 계산을 수행한다.

현대의 트랜지스터 기술은 수십억 개의 미세한 트랜터를 하나의 칩(CPU) 안에 집적하여 컴퓨터의 속도를 폭발적으로 높였다.

트랜지스터 컴퓨터(transistor computer) 는 진공관 대신 개별 트랜지스터를 사용하는 컴퓨터이다. 많은 양의 열을 발생시키는 진공관을 사용한 1세대 전자 컴퓨터는 부피가 크고 신뢰성이 떨어졌다.

컴퓨터는 1950년대부터 시작

1950년대 후반과 1960년대의 2세대 컴퓨터는 개별 트랜지스터와 자기코어 메모리로 채워진 회로 기판을 특징으로 했다. 이러한 기계는 집적 회로가 등장하기 시작하고 3세대 컴퓨터가 탄생한 1960년대 후반까지 주류 설계로 남아 있었다.

하나의 칩에 수백만 개에서 수십억 개의 트랜지스터를 촘촘하게 넣으면서 컴퓨터의 연산 능력이 폭발적으로 커졌다. 트랜지스터의 크기가 작아질수록 더 많은 연산을 더 적은 전력으로 수행할 수 있게 되었다. 라디오에서 컴퓨터까지 발전했다. 모두 트랜지스터가 사용된다. 트랜지스터는 스마트폰까지 진화한다.

스마트폰

하나의 스마트폰 애플리케이션 프로세서(AP) 칩 안에는 수백억 개에서 수천억 개의 트랜지스터가 촘촘히 들어 있다. 연산 능력 향상도 트랜지스터의 크기가 작아질수록 칩 하나에 더 많은 소자를 넣을 수 있어 스마트폰의 두뇌 회전이 빨라진다.

전력 효율은 성능이 좋아지면서도 전기를 적게 소모하게 만들어, 스마트폰 배터리를 오래 사용할 수 있도록 돕는다. 그러기 위해서 900억개의 트랜지스터가 필요하다.

스마트폰 내부에는 전류의 흐름을 켜고 끄거나 신호를 증폭하는 수억-수조 개의 미세한 트랜지스터(반도체)가 이미 칩 형태로 촘촘하게 연결되어 있다. 그러나 트랜지스터는 스마트폰에서 나아가 인공지능(AI)까지 작용된다.

AI(Artificial Intelligence), 인공지능

인공지능은 스마트폰보다 더 많은 트랜지스터를 요구한다.

AI는 1956년에 처음 탄생한다. 다트머스대학교에서 인간 학습과 사고, 판단을 인공지능으로 구현하는 것이 가능하다고 했다. ,

1960~70년대 초기 AI는 체스 두기, 수식 계산, 간단한 언어 처리에서 성과를 냈다. 그러나 연산 능력은 부족했고, 데이터는 턱없이 적었으며, 인간 지능은 생각보다 훨씬 복잡했다. AI에 대한 절망이었다.

1997년, IBM의 딥블루가 체스 챔피언 가리 카스파로프를 이겼고, 2016년에는 알파고가 이세돌 9단을 꺾으면서 AI에 대한 관심도가 깊어졌다. AI는 특정 영역에서 인간의 판단과 능력을 넘어설 수 있다는 사실을 증명했다.

결정적인 전환 2022년

결정적인 전환은 2022년 11월에 시작된다. OpenAPI사의 ChatGPT의 공개로 AI는 처음으로 사람 앞에 앉아 말을 걸기 시작했다. 질문을 이해하고, 글을 쓰고, 생각을 정리하며, 판단의 근거까지 설명했다. 오늘 우리는 AI의 시대에 살고 있다.

AI, 수백억 개에서 수천억 개의 트랜지스터가 필요

인공지능(AI)을 구동하는 최신 고성능 칩에는 수백억 개에서 수천억 개의 트랜지스터가 필요하며, 향후 1조 개 이상의 트랜지스터를 탑재한 시스템으로 진화하고 있다.

상술한 바와 같이 트랜지스터는 컴퓨터 내부에서 전류의 흐름을 켜고 끄며, 0과 1의 데이터를 계산하는 아주 작은 전자 스위치이다. 이러한 고밀도 집적회로가 담긴 트랜지스터가 컴퓨터, 스마트폰을 넘어 AI까지 도약하고 있다. 어디까지 갈지 아무도 모른다.

AI는 수많은 데이터 속에서 패턴을 찾기 위해 엄청나게 복잡한 수학 계산을 동시에 수행해야 하므로, 이를 뒷받침하기 위해 초미세 공정으로 만든 수천억 개의 트랜지스터가 칩 하나에 빽빽하게 들어간다. 0과 1이라는 숫자로 모든 문서, 이미지, 영상, 연산을 만든다.

인간의 뇌처럼 수많은 데이터를 처리하려면 높은 전력과 빠른 속도가 필수적이다. CPU, GPU 대비 범용성은 낮지만, AI 알고리즘에 최적화된 AI 전용 반도체가 등장하게 되었다. 현재 모든 반도체는 AI에 맞추어져 있다. 그래서 SK하이닉스의 HBM 메모리가 인기이다.

HBM 메모리만이 엄청난 작업과 속도를 처리할 수 있기 때문이다. 다행히도 삼성은 D램, SK는 D램을 고층아파트처럼 쌓아 올려서 만든 HBM의 선두주자이다. 고성능 메모리팁을 만드는 이상, 당분간 대한민국은 저장메모리로 반도체 시장을 승부할 수 밖에 없다.