미세공정을 하는 이유와 공정의 미세화로 성능향상이 되는 이유

얼마전에 모래에서 부터 CPU가 만들어지는 과정을 포스팅한적 있습니다.

지난 포스트의 내용은 아래의 링크를 참고하세요.
링크 ☞ 2012/04/12 - [PC 전반적인 정보] - 모래에서 CPU가 되기 까지

CPU나 램(RAM)을 를 만들어 내는 공정이 점점 미세화 되고 있다는 것은 누구나 알고 계실것입니다.

60nm 공정, 55nm공정, 45nm, 32nm, 22nm 등등
CPU를 만들어 내는 공정은 점점더 미세화되고 있고,
"이번 인텔에서 새로나온 프로세세는 이전보다 더 미세화 되어서 성능이 증가했다더라... " 라는 말을 누구나 한번쯤은 들어보셨을 것입니다.

그리고 PC에 관심이 있는 분이라면...
"공정이 미세화 되면 CPU의 크기가 작아지고, 전력 소모가 적고, 성능이 향상된다."다는 것이 일반적으로 알고 있는 사항입니다.

2010년의 노트북 프로세서인 클락스필드(Clarksfield), 블룸필드(Bloomfield)는 45nm 였고,
애런데일(Arrandale)은 32nm공정의 CPU와 45nm공정의 GPU가 결합된 제품이고,
샌디브릿지(Sabdybridge)는 CPU와 GPU둘다 32nm 공정의 제품입니다.

그리고
2012년 4월에 출시된 아이비브리지(IvyBridge)
기존 2세대 코어 프로세서의 32nm 공정 보다 미세해진 22nm 공정을 도입한 제품입니다.

그런데 인텔(Intel)은 자선단체가 아닌 물건을 팔아서 수익을 남기는 회사인데...
왜 점점더 미세 공정을 추구할까? 라는 의문이 드신적은 없나요?

단순히 더 큰 용량의 메모리를 만들고, 더 많은 트랜지스터를 가진 성능좋은 프로세서를 만들기 위해서라면 공정 미세화는 별 필요가 없습니다. 단순히 칩 사이즈를 트랜지스터 사이즈에 비례해서 크게 만들면 되니까요. 그런데 인텔을 포함한 삼성등의 반도체 업체들은 회사의 사운을 걸고서까지 공정 전환에 집착하고 있습니다.

왜 반도체 산업은 점점 미세공정을 하는 걸까?
그리고 왜 미세공정이 되면 성능이 증가할까?
이런 의문이 드신적은 없나요?

 

인텔이나 삼성 또는 그래픽제조업체들이 미세공정에 목숨거는 이유~!!!

업체에서 미세공정을 하는 이유는 반도체 산업 자체가 "규모의 경제"가 적용 되는 산업입니다.
규모의 경제는 규모에 대한 수익 이라고도 합니다. 생산규모가 점점 늘어감에 따라 생산비보다 생산량이 더 크게 증가함으로써 생기는 경제적 이익을 말합니다. 즉 들어간 비용에 비해 점점 생산량이 많아진다는 겁니다.

즉, 대량 생산과 대량 판매가 전제된 상황에서의 산업이기 때문에
큰 비용을 들여서 공정을 전환하더라도, 제품당 단가가 더 내려갈 수 있다면 이는 장기적으로 볼 때 더 이득이됩니다.

하나의 웨이퍼에서 기존의 공정이 40개 가량의 양품을 생산해 낼 수 있다고 하고, 미세화괸 새로운 공정에서 같은 제품이 50개 가량의 양품이 나올 수 있다고 한다면 이를 위해 천문학적인 액수를 투자할 지라도, 이 투자비용은 금방 회수됩니다. 반도체 시장은 주로 기업대 기업으로 이루어지며 거래 물량 역시 기본 천 단위에서 시작하는, 전형적인 규모의 경제가 지배하는 산업이기 때문입니다.

그리고 실리콘 웨이퍼를 크게 키우기가 쉽지 않다는 것도 있습니다.
현재는 300mm 웨이퍼를 주로 사용하고 있고, 일반적인 반도체는 아무리 커도 대각선 길이 300mm 안에 들어가야 된다는 제약이 있습니다. 물론 제품의 크기는 이보다 훨씬 작아야 할것입니다.

그런데 이 실리콘 웨이퍼에섷 한두개의 제품만 만들어진다면 어떻까요?
불량률과 제조 비용과 시간 등을 생각하면, 반도체는 더 높은 트랜지스터 집적도를 가지는 제품을 더 작게 만들어야 성능과 가격 두 가지를 잡을 수 있다는 결론에 도달하게 되는것입니다. ^^

 

 

미세공정을 하면 성능이 증가하는 이유~!!!

성능증가하는 이유에 대해서 간단하게 설명하자면...
a4용지에... 빽빽하게 줄을 긋는다고 할때... 두꺼운 크레용과 얇은 색연필... 두개중 어느게 더 많은 선을 그을 수있을까요? 답은 색연필이죠.

한정된 공간에 더 많은 선을 그을수 있다는건 그만큼 많은 기능을 넣을 수 있다는 뜻이 됩니다.
부품들이 미세화 될수록 더 많은걸 집적할 수 있게 되죠.

전력소비는 트렌지스터때문인데요. 간단히 설명하면 트렌지스터가 작아지면 전자의 이동이 편해져 전압이 낮아지게 됩니다. 즉 낮은 전압으로도 트렌지스터에 전자의 이동이 가능하게 되는것입니다.

반도체인 트랜지스터의 설명이 있어야 할듯하고...
트랜지스터 역시 진공관에 대한 설명이 선행되어야 할듯 한데...
이부분은 따로 시간을 내서 올리도록하겠습니다.
진공관의 탄생부터 다루려니 생각보다 분량이 너무 방대하더군요. ^^

 

 개인적인 생각으로는
보다 뛰어난 제품을 만들어 내기 위해 공정 미세화를 한다기 보다는
보다 많은 이익 창출을 위해 공정 미세화를하다보니
뛰어난 제품이 나오게 된것입니다.
즉, 제품의 성능항샹은 공정 미세화에 따른 부가 수익물이라고 볼수 있습니다.

위의 색연필과 크레용의 예에서 말했듯이
공정이 미세화 된다는 것은 회로 선폭이 준다는 말과 같습니다.
선폭이 줄어들면 또 회로 저항까지 바뀌게 됩니다. 저항은 회로의 선폭에 반비례하기 때문이죠.
 저항이 바뀐다면 회로의 성질이 바뀌며, 최악의 상황에는 같은 회로를 다른 공정으로 제조해서 같은 조건으로 동작시켰을 때, 한 쪽이 동작하지 않는 경우도 생기게 됩니다. 이를 해결하기 위해서는 선폭의 변화에 따라 회로에도 대폭 수정이 가해져야 합니다.

만약 단순히 선폭을 줄이는 수준에서 해결된다면 사실 아무도 공정 미세화가 그렇게 뉴스꺼리는 되지 않을 것입니다. 단순히 선폭을 줄이는 것 그 이상의 문제가 있고, 이런 문제를 해결하려면 물리적, 전기적인 문제와 논리 구조의 문제까지 모두 생각해야 됩니다. 이것은 절대 단순한 문제가 아니며, 모든 제조사가 모든 제품에 같은 공정을 쓸 수 없는 가장 직접적인 원인이기도 합니다.

보통 제조사들은 공정이 변화할 때마다 새로운 제품을 출시하게 되는데, 그 이유는 어차피 기존의 회로를 그대로 사용할 수 없는 상황에서 좀 더 바꾸면 ‘기존의 제품을 대폭 업그레이드한’ 신제품이 나오는 탓이다. 인텔등의 프로세서 업체들은 이 때 주로 캐시를 올리거나 새 기능을 추가하는 방법을 사용합니다.

공정 미세화는 선폭의 미세화 외에
회로 도선간 간격이 줄어든다는 것을 의미합니다.

회로에 전기가 흐르면 주위에는 전기장이 형성됩니다. 특히 미세한 회로에는 강한 저항과 함께 강력한 전기장이 형성되고, 이는 주위 도선에 영향을 미치게 됩니다.

이 전기장을 줄이기 위해서는 
두 가지 방법이 있습니다.
도선의 폭을 넓히거나 전압을 줄이는 것인데... 도선의 폭은 이미 정해져 있으니 제대로 구동하기 위해서는 전압을 줄이는 방법밖에 없습니다. 저항 문제도 있으니 회로도 구동이 가능하도록 바꿔야 합니다.

이런 노력의 결과,
공정이 바뀌면 전압이 낮아지고, 때에 따라서는 소비전력도 줄어들고 성능도 좋아지기도 합게됩니다.

공정 미세화로 "소비전력이 줄어들었고, 성능이 좋아졌습니다."
새로운 프로세서(CPU)가 출시되면 많이 듣게 되는 광고문구입니다.
그러나 이러한 표현보다는 회로가 바뀌기 때문에 소비전력이 줄어들었고, 성능이 좋아졌다는 것이 보다 맞는 표현입니다.