무어의 법칙이란 다음과 같습니다. 1965년 인텔 회사의 창업자인 고든 무어(Gordon Moor) 는 마이크로칩 기술의 발전 속도가 일종의 법칙에 의거하여 마이크로칩에 저장할 수 있는 데이터 분량이 18-24개월 마다 두 배씩 증가한다고 발표 하였다. 이는 컴퓨터 성능이 거의 5년후엔 10배, 10년후엔 100배씩 개선된다는 것을 의미한다. 이 글에서 조금 더 자세하게 다뤄 볼테니 참고 바랍니다.
무어의 법칙
말그대로 무어의 법칙이란 고든 무어에 의해 발견된 관찰 결과로서 고든 무어의 이름을 따 지어진 법칙이다. 1965년 고든 무어는 당시 발전되는 반도체 칩의 속도를 지켜 보면서 1년에 2배씩 반도체 칩에 집적할 수 잇는 트랜지스터의 수가 2배 또는 그 이상 증가하여 매년 그 증가폭이 유지 될 것이라고 발표한 적이 있다. 하지만 10년뒤인 1975년 발전상황이 바뀌어 무어는 2년마다 2배로 성장한다고 정정하게 됩니다.
특별히 무어가 이 법칙을 지키려고 하였던 것은 아니었으므로 법칙이라고 할 것 까진 없지만, “무어의 법칙”이라는 물리학 용어에서는 변치 않는 방정식을 의미하는 “법칙”이라는 이름을 사용할 만큼 반도체 칩의 발전속도가 꾸준하게 증가하였고 또 꾸준하게 증가할 것을 당시에도 예상하고 있었다는 것을 의미 합니다.
2016년 2월에 반도체 업계가 경제성이 떨어진다는 이유로 발전포기를 선언하면서 무어의 법칙은 잊혀진 듯 하였습니다. 하지만 2021년 10월에 인텔의 CEO 팻 겔싱어가 3D 적층술을 도입하면서 2년 마다 2배이상의 집적도가 증가할 수 있다는 슈퍼 무어의 법칙을 발표하게 되면서 다시하면 무어가 재조명 받게 됩니다..
무어의 법칙의 한계
무어의 법칙은 자연법칙이 아니라 경험에 의거하여 통계적으로 나온 경험 법칙이라고 할 수 있습니다. 하지만 마치 반도체 칩 업계에서는 이 법칙을 꼭 지켜야 하는 것처럼 열심히 그 목적에 맞게 설계하고 생산하는 것을 목표로 하였습니다.
초창기 칩 메이커들은 무어의 법칙을 꾸준히 유지하는것 처럼 보이다가도 어느 순간에 모든 사람들이 입을 모아 ” 더 이상의 발전을 불가능하다” 고 말하게 되는데 이는 여러가지 한계를 마주 하기 때문입니다. 그 당시 한계라고 여겨 졌던 여러가지 요소들은 다음과 같습니다. 대략 5가지로 정리해 보았습니다.
트랜지스터의 크기가 점점 줄어들면서, 이제는 원자 수준에 가까워졌습니다. 2019년 기준 AMD의 마티스 CPU는 7nm 선폭을 사용하는 공정을 사용하였습니다. 하지만 5nm 이상부터는 물리적으로 더 이상 트랜지스터를 작게 만들기 어려워져 더이상 크기를 줄일 수 없게 됐습니다. 양자터널링현상이 발생하여 회로를 구성하던 원자의 전자가 다른 곳으로 워프해 버리는 문제가 실제로 발생했기 때문입니다. 하지만 그해 2019년 삼성이 5nm 공정을 개발하게 되면서 또 한번 발전을 시도하였지만, 여전히 물리적 한계는 숙제로 남을 수 밖에 없습니다.
트랜지스터가 무한히 늘어나면 그에 따라 트랜지스터에서 발생하는 열 문제도 무시할 수 없습니다. 작은 공간에 수많은 트랜지스터가 빼곡히 쌓여 있다면 발열이 심해지고 반도체의 성능저하를 초래하기 때문에 더 이상의 트랜지스터가 회로에 집적될 수 없다는 것이 또 다른 문제 입니다.
위에서 말한 모든 것들을 적용하기에는 매번 들어가는 반도체 제조 비용이 천문학적으로 크게 들어갑니다. 이 중에는 치킨게임에서 살아남은 업체도 있으며 사라져 버린 칩 제조 회사도 있을 것입니다. 하지만 중요한 것은 결국 반도체 제조 원가가 올라가기 때문에 경제적인 이유로 인해 발전을 더 할 수 없다는 것이 반도체 제조 회사들의 딜레마 입니다.
마지막으로 무어의 법칙이 지속 되려먼 기술만 발전해야 하는것이 아닌 경제적으로도 이득이 있어야 하는데 위의 제조 비용과 마찬가지로 반도체 제조 회사가 수익이 나지 않으면 그 다음 세대로의 발전을 도모할 수가 없게 됩니다.
무어의 법칙을 지켜낼 차세대 기술
현재 반도체 제조 회사들은 특별히 무어의 법칙을 이뤄낼려는 노력보다는 자신들의 이익을 위하여 열심히 회로 집적도,성능,가격 적인 부분에서 꾸준히 경쟁하며 여전히 치킨게임의 위기에 노출 되어 있습니다. 아래에서 차세대 기술들을 지켜보면서 앞으로 어떤 기술들의 반도체 칩의 집적도 및 성능을 향상 시켜 우리 삶의 변화를 주게 될지 알아보도록 하겠습니다.
3D 트랜지스터는 현재 이미 공정에서 개발되었으며, 시판중인 3D 트랜지스터 입니다. 이미 반도체 미세 선폭을 줄이는데 한계에 다달은 반도체 회사들은 3D 모델을 도입함으로서 한단계 성장할 수 있었습니다. 이 기술은 현재 이미 적용되어 있으며 이 기술로 인해 현재 무어의 법칙이 유지 될 수 있습니다.
양자역학의 원리로 작동되는 양자컴퓨터는 양자비트(Quantum Bit, Qubit)가 0과 1 상태를 동시에 가질 수 있는 특이성을 가지고, 기존의 이진법 컴퓨팅 방식보다 훨씬 높은 계산 능력을 수행 할 수 있습니다. 성능적인 부분에서 큰 향상을 불러 올 수 있지만 현재는 가격적인 부분에서 큰 한계에 봉착되어 있습니다.
위의 두 개의 항목 이 외에도 광컴퓨터, 분자 컴퓨터, 신경망 컴퓨터 등이 이론적으로 존재하긴 하지만 2024년 현재의 기술로는 상당히 거리가 먼 기술들입니다. 우선 경제적인 부분에서 맞지 않기 때문에 서서히 발전해 나가도 보면 어느새 우리 생활속에 들어와 있을 것으로 예상 됩니다.