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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 반도체 설계에서 배우는 상생 원리

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반도체, '0'과 '1'이 공존해야 작동

실리콘 반도체 위에 프로세서나 메모리를 구현하기 위해서는 먼저 디지털 스위칭 기능을 담당하는 트랜지스터가 필요하다. 디지털 신호는 ‘1’과 ‘0’으로 표현하는데, 실제 반도체 내에서는 전자가 채워지거나 전자가 빠져 나간 상태를 의미한다. 그 상태를 만들려면 전류를 공급하기도 하고 전류를 빼 내기도 해야 한다. 이때 전류 스위치가 필요한데 그 역할을 하는 반도체 구조가 트랜지스터(Transistor)이다.

      김정호 카이스트 교수

실리콘 반도체는 대표적으로 CMOS(Complementary metal–oxide–semiconductor) 트랜지스터를 기반으로 설계되고 생산된다. CMOS는 '상보성 금속 산화막 반도체'라는 용어로도 통용된다. CMOS 트랜지스터 구조는 전력 소모가 적고, 단위 면적당 생산량이 높으면서, 신뢰성과, 수율이 높다. 인공지능 서버와 데이터 센터에 쓰이는 들어가는 반도체는 대부분 실리콘 기반 CMOS 트랜지스터 구조라고 보면 된다.

CMOS 구조에는 전류를 공급하는 스위치로 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 종류인 PMOS(P-type MOS field-effect transistor) 트랜지스터가 사용되고 전류를 빼는 역할을 하는 스위치로 NMOS(N-type MOS field-effect transistor) 트랜지스터가 사용된다. PMOS, NMOS 트랜지스터가 합쳐져서 CMOS 스위치 구조가 된다. 그런데 PMOS 트랜지스터에는 전공(hole, 전자가 비는 상태)을 이용해 전류를 흐르게 하고, NMOS 트랜지스터는 전자 자체가 전류를 흐르는 특성을 이용한다.

이 두 가지의 상반된 PMOS, NMOS 트랜지스터가 같이 연결되고 협력해서 디지털 신호 ‘1’과 ‘0’을 주고 받고 저장한다. 이러한 소자들을 연결해서 회로를 만들고, 이 회로들을 연결하고, 시간에 맞추어 동작시키면 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈도 하고 궁극적으로 딥러닝 인공지능 알고리즘도 수행한다.

이처럼 실리콘 CMOS 기반 반도체에는 PMOS, NMOS 라는 서로 다른 성질의 트랜지스터가 공존하면서 조화롭게 협력해서 활동한다. 특히 각자 조화를 위해서 크기, 전류 구동능력, 스위칭에 걸리는 시간도, 균형 있게 조절하여 조화롭게 동작하도록 설계한다. 두 가지가 서로 공존함으로써 가치를 가진다. 디지털에는 ‘1’ 만 존재하지 않고 ‘0’ 만 존재할 수 없기 때문이다.

PMOS, NMOS 트랜지스터로 구성된 CMOS 인버터 회로도와 단면 구조, [출처 : 정보통신용어 해설]

반도체 송수신, 전기적 성질 맞춰야 이뤄져

인공지능 서버나 데이터센터 서버에는 빠른 속도의 데이터 처리를 위해 GPU(Graphic Processor Unit) 와 디램(DRAM)으로 구성된 컴퓨터 기판(PCB, Printed Circuit Board)이 필요하게 된다. 그 기판이 수백 장 수 천장 쌓이면 데이터 센터가 된다.

그런데 이 ‘1’과 ‘0’을 실은 데이터 전자파가 빛의 속도로 날아가는 기판 위의 회로 구조를 전송선이라고 한다. 이 전송선 위에는 전자파가 2가지 종류가 존재한다. 입사파(+z 방향으로 전진하는 전자파)와 반사파(-z 방향으로 꺼꾸로 전파하는 전자파) 2개가 공존한다. 그런데 데이터를 예를 들어 GPU 송신 회로에서 DRAM 수신회로로 보내기 위해서는 입사파만 존재해야 한다. 신호파가 반사해서 돌아오면 곤란하기 때문이다.

그러기 위해서는 전송선 뿐만 아니라 디램의 수신 회로가 서로 협조해야 한다. 그렇지 않으면 데이터가 수신되지 못하고 되돌아 간다. 데이터를 빛의 속도로 보내고 반사를 없애기 위해서는 컴퓨터의 기판 위의 전송선 뿐만 아니라 수신 반도체 회로의 임피던스(Impedance, Z)를 모두 동일하게 맞춰야 한다. 임피던스는 구조나 전송선, 회로, 소자의 전기적 성질을 나타내는 변수로, 컴퓨터나 반도체 설계 시에 항상 맞추어져야 한다.

이 과정을 임피던스 매칭이라고 한다. 우리가 생활 속에서 일상적으로 쓰는 용어로 ‘화합’, 또는 ‘협동’이리고 부를 수 있다. 혼자 성능이 좋다고 되는 것이 아니고 서로 전기적 성질을 조절해서 맞추어야 한다.

고주파 임피던스 매칭을 구현한 인공지능 AI 서버용 HBM(High Bandwidth Memory) 컴퓨터 기판 설계 패턴, [출처: KAIST]

한국 사회도 조화와 상생의 정신 필요

우리 사회는 현재 여러 가지 갈등 문제를 갖고 있다. 그것은 인간과 인류 역사의 본질이기도 하다.

정치적인 관점에서 보면 여야의 대립, 좌우의 대립, 그리고 진보와 보수의 대립이 첨예하다. 경제적인 관점에서 보면 빈부 격차의 확대, 대기업과 중소기업의 차이, 수도권과 지방의 불균형, 서울 강남과 강북의 환경차이가 있다. 그리고 대학 입시의 혼란 문제와 일부 지역의 아파트 값의 급상승이 큰 사회적인 문제를 일으키고 있다. 이 모두 나만 혹은 우리만 잘살고, 돈 벌고, 이익을 보자는 각 개인과 집단의 이익 지상주의에 뿌리를 둔다고 본다.

반도체에서 CMOS 소자의 균형과 상생의 원리를 배울 필요가 있다. 그리고 컴퓨터 신호 전송선에서 실현하는 임피던스 매칭 원리에서 협력와 상생의 원리를 배울 필요가 있다. 특히 일자리 문제와 양극화가 더욱 심해질 수 있는 4차 산업혁명 시대에 이러한 지혜가 더욱 요구된다.

 

joungho@kaist.ac.kr 

  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]  

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Z폴드8 사전예약 美 30%↑ [서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 삼성전자의 신형 폴더블폰 '갤럭시 Z폴드8'이 국내를 넘어 미국과 유럽, 일본 등 글로벌 시장에서 초반 흥행에 성공했다. 미국에서는 역대 폴드 시리즈 가운데 가장 빠른 사전예약 흐름을 보였고, 국내에서는 갤럭시 스마트폰 사상 최대 사전예약 기록을 새로 썼다. 이번 흥행에서 눈에 띄는 점은 단순한 판매량 증가를 넘어 구매층이 달라지고 있다는 것이다. 짧고 넓어진 '여권형' 디자인과 개선된 휴대성을 앞세운 폴드8이 기존 폴더블 마니아뿐 아니라 일반 바형 스마트폰 사용자까지 끌어들이고 있다. 중장년 남성 중심이던 소비자층도 10~30대와 여성으로 확대되면서 폴더블폰 대중화 가능성에 대한 기대감도 커지고 있다.   갤럭시 Z폴드8 시리즈 [사진 = 뉴스핌DB] ◆ 美 30%·유럽 20%↑…한국선 144만대 '신기록' 10일 시장조사업체 카운터포인트리서치 등에 따르면 갤럭시 Z8 시리즈는 미국에서 사전예약 첫 12일을 기준으로 역대 Z 시리즈 가운데 가장 많은 예약 판매량을 기록할 것으로 예상된다. 삼성전자가 공개한 미국 시장 판매 동향을 보면 갤럭시 Z폴드8과 폴드8 울트라의 합산 사전예약은 기존 폴드 시리즈 최고 기록보다 30% 증가했다. 특히 일반형 폴드8이 이동통신사와 유통업체 전체 사전예약의 절반 가까이를 차지하며 흥행을 이끌었다. 기존 플립 사용자들이 폴드로 이동하는 흐름도 뚜렷했다. 전작 출시 당시와 비교해 갤럭시 Z플립을 사용하다 폴드8 또는 폴드8 울트라를 사전예약한 고객은 3배 이상 늘었다. 기존 폴드 사용자뿐 아니라 다른 폼팩터의 스마트폰 이용자까지 폴드8으로 유입되고 있는 셈이다. 유럽에서도 전작을 웃도는 성적을 냈다. 출시 첫 11일간 Z8 시리즈 사전예약은 Z7 시리즈보다 20% 이상 증가했고, 삼성전자가 세운 사전예약 목표도 정식 출시 전에 넘어섰다. 일반형 폴드8이 전체 예약의 약 40%를 차지했다. 국내에서는 역대 최대 기록을 새로 썼다. 폴드8 울트라와 폴드8, 플립8은 7일간 진행된 사전예약에서 총 144만대가 예약됐다. 전작 폴드7·플립7 시리즈의 104만대보다 약 39% 증가한 규모로 역대 갤럭시 스마트폰 사전예약 가운데 가장 많다. 이 가운데 폴드8이 약 70%를 차지하며 전체 흥행을 주도했다. 갤럭시 Z 시리즈 출시 이후 분기별 예상 출하량 추이 [사진=카운터포인트리서치] 일본과 중국, 동남아시아에서도 폴드8을 중심으로 초기 수요가 몰리고 있다. 일본에서는 삼성전자 공식 온라인스토어에서 폴드8 256GB 모델의 상당수 색상이 품절됐다. NTT도코모·au·소프트뱅크·라쿠텐모바일 등 일본 4대 이동통신사가 모두 삼성 폴드 모델을 판매하는 등 유통 기반도 확대됐다. 중국에서는 폴드8이 티몰과 징둥닷컴에서 삼성전자 스마트폰 가운데 판매 순위 1위에 올랐다. 말레이시아와 인도네시아, 베트남 등 동남아에서도 폴드8을 중심으로 초기 수요가 나타나고 있으며 일부 지역에서는 배송 지연도 발생하고 있다. 다만 인도에서는 폴드8 울트라가 사전예약의 약 60%를 차지하며 다른 주요 시장과는 다른 양상을 보였다. ◆ '아재폰' 벗어난 폴드…1030·여성까지 확산 이번 흥행에서 주목되는 부분은 판매량뿐 아니라 소비자층의 변화다. 그동안 폴드 시리즈는 대화면과 멀티태스킹, 업무 생산성을 중시하는 중장년 남성 중심의 제품이라는 인식이 강했지만 폴드8에서는 10~30대와 여성 고객의 유입이 두드러지고 있다. SK텔레콤에 따르면 국내 Z8 시리즈 사전예약 고객 가운데 기존 일반 바형 스마트폰 사용자는 약 62%로 전작보다 10%포인트 증가했다. 삼성닷컴 기준으로는 10~30대 구매 비중이 절반을 넘어섰으며, 이 연령대가 가장 많이 선택한 모델도 폴드8이었다. 특히 10~30대 여성의 폴드8 구매는 전작보다 두 배 이상 늘었다. ◆ 짧고 넓어진 '여권형' 통했다…업무용서 일상폰으로 폴드8의 달라진 디자인과 사용성이 소비자층 확대를 이끌었다는 분석이 나온다. 기존 폴드가 넓은 화면을 활용한 멀티태스킹과 업무 생산성에 무게를 뒀다면 폴드8은 무게와 두께를 줄이고 화면을 기존보다 짧고 넓게 만들면서 일상적인 스마트폰으로서의 사용성을 강화했다. 접었을 때는 일반 스마트폰에 가까운 형태로 사용할 수 있고 펼치면 넓은 화면으로 동영상과 소셜미디어(SNS), 웹서핑, 독서 등을 즐길 수 있다. 기존 폴드의 대화면이라는 장점을 유지하면서 휴대성과 콘텐츠 소비 경험을 동시에 개선한 것이다. 카운터포인트리서치도 이 같은 변화를 폴드8 흥행의 주요 요인으로 꼽았다. 짧고 넓어진 본체가 휴대하기 편하면서도 독서와 동영상 시청, 웹 브라우징 등에 적합해 폴드8의 활용 범위를 넓혔다는 평가다. 실제 글로벌 시장에서 일반형 폴드8은 인도를 제외한 한국과 미국, 유럽, 일본, 중국, 동남아 등 대부분 지역에서 Z8 시리즈의 초기 판매를 이끌고 있다. 최고 사양과 카메라를 앞세운 폴드8 울트라보다 상대적으로 대중적인 폴드8에 수요가 집중되고 있다는 점에서 폴더블폰의 소비 기반이 넓어지고 있다는 분석도 나온다. 삼성전자의 갤럭시 Z8 시리즈 [사진 = 뉴스핌DB] 카운터포인트리서치는 갤럭시 Z8 시리즈의 출시 첫해 출하량이 Z7 시리즈보다 두 자릿수 증가하고 Z6 시리즈와 비교하면 70% 이상 늘어날 것으로 전망했다. 관건은 사전예약 이후 흐름이다. 초기 판매에는 보상판매와 할부, 사은품 등 출시 프로모션 효과가 반영돼 있다는 것이다. 또 애플의 폴더블폰 시장 진입이 예상되는 만큼 향후 글로벌 폴더블 시장의 경쟁은 한층 치열해질 것으로 전망했다. 다만 폴드8이 기존 폴더블 마니아층을 넘어 일반 스마트폰 사용자와 젊은층, 여성까지 소비자층을 넓힐 경우 삼성전자가 시장 주도권을 이어가는 데 긍정적으로 작용할 것으로 내다봤다. syu@newspim.com 2026-08-10 11:07
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국방부, 용산 옛 청사서 첫 브리핑 [서울=뉴스핌] 오동룡 군사방산전문기자 = 정빛나 국방부 대변인이 10일 서울 용산구 국방부 옛 청사에서 복귀 후 첫 정례브리핑을 하고 있다. 정빛나 국방부 대변인이 10일 서울 용산구 국방부 옛 청사 브리핑룸에서 복귀 후 첫 정례브리핑을 하고 있다. [사진=오동룡 군사방산전문기자] 2026.08.10 gomsi@newspim.com 국방부는 윤석열 정부의 대통령실 용산 이전에 따라 2022년 합동참모본부 청사로 옮긴 뒤 약 4년 만에 옛 청사 복귀 절차를 밟고 있다. 지난달 21일부터 부서별 이전 작업을 시작했으며, 주요 부서와 출입기자실 등을 순차적으로 옮긴 뒤 장관실 이전을 끝으로 오는 14일쯤 작업을 마칠 계획이다. 국방부와 합참이 한 청사를 함께 쓰던 체제도 종료된다. gomsi@newspim.com 2026-08-10 11:30
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
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