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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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인터넷은행 신용대출 빗장 [서울=뉴스핌] 전미옥 기자 = 인터넷전문은행 3사가 일제히 신용대출 조이기에 나섰다. 금융당국의 신용대출 관리 강화 주문에 따라 시중은행에 이어 인터넷은행까지 나선 모습이다. [이미지=뉴스핌DB] 16일 카카오뱅크는 오는 22일부터 마이너스 통장 대출 한도를 최대 1억원으로 축소한다고 밝혔다. 약정액 5000만원 이상인 마이너스 통장의 대출을 연장할 때도 최근 6개월간 한도 사용률이 20% 이하인 경우 그 한도를 최대 20%까지 감액키로 했다. 케이뱅크는 이날부터 다음달 31일까지 신규 마이너스 통장 개설을 일시 중단하기로 했다. 고액 연봉자에 대한 신규 신용대출 한도도 축소할 예정이다. 토스뱅크는 신용대출 최대 한도를 기존 3억원에서 1억원으로 낮추고 마이너스통장 한도를 5000만원으로 조정할 예정이다. 마이너스통장을 5000만원까지 이용 중인 고객은 추가 신용대출을 최대 5000만원까지만 받을 수 있게 된다. 적용시기는 조율 중이다. 한편 시중은행은 지난주 신용대출 규제 방안을 잇따라 내놓은 바 있다. KB국민은행은 이날부터 마이너스 통장 신규 개설 한도를 5000만원, 이를 포함한 신용대출 신규 한도는 1억원으로 제한한다. 하나은행은 지난 12일부터 고액 연봉자 대상 신규 신용대출 한도를 1억원까지로 축소했고 우리은행도 같은날 비대면 신용대출 갈아타기 상품 접수를 중단했다. 신한은행은 비대면 신용 대출 하루 한도를 정해서 운영하고 있다. romeok@newspim.com 2026-06-16 11:01
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김명수 前 합참의장 영장 기각 [서울=뉴스핌] 박민경 기자 = 12·3 비상계엄에 관여한 혐의를 받는 김명수 전 합동참모본부 의장에 대한 구속영장이 15일 기각됐다. 반면 함께 영장이 청구된 전직 합참 수뇌부 3명에 대해서는 구속영장이 발부됐다. 부동식 서울중앙지법 내란영장전담 부장판사는 이날 내란중요임무종사 등 혐의를 받는 김 전 의장에 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)를 열고 구속영장을 기각했다. 12·3 비상계엄에 관여한 혐의를 받는 김명수 전 합동참모본부 의장에 대한 구속영장이 15일 기각됐다. 사진은 서울 서초구 서울중앙지법 전경. [사진=뉴스핌DB] 반면, 이재식 전 합참 전비태세검열차장, 정진팔 전 합참 차장, 김흥준 전 육군본부 정책실장에 대해서는 구속영장을 발부했다. 부동식 부장판사는 김 전 의장에 대해 "주된 범죄 혐의에 대해 다툼의 여지가 있어 방어권 보장의 필요가 있다"며 "도망·증거인멸 염려가 없다"고 설명했다. 나머지 피의자에 대해선 증거인멸의 염려가 있다고 판단했다. 종합특검팀(특별검사 권창영)은 지난 9일 12·3 비상계엄 당시 합참 지휘통제실에서 내란 상황을 파악하고도 제지하지 않고, 계엄사령부를 함께 구성해 내란에 가담한 혐의로 김 전 의장 등에 대한 구속영장을 청구했다. 이들은 모두 내란중요임무종사 혐의를 받고 있다. 김 전 의장은 비상계엄 선포 이후 군 작전 지휘권을 가진 합참의장으로서 국회 병력 투입 등을 제지하지 않고, 계엄 상황을 지원하는 데 관여한 혐의를 받는다. 종합특검은 김 전 의장이 계엄 선포 직후 특수전사령부와 수도방위사령부 등에 '계엄사무를 우선하라'는 취지의 단편명령을 내림으로써 계엄에 관여한 것으로 의심하고 있다. 단편명령은 부대 행동 지침 등을 담은 간략한 작전명령이다. 종합특검은 합참 참모들이 계엄의 절차적 문제와 국회 병력 투입의 위법 소지를 제기했음에도 김 전 의장 등이 이를 제지하거나 김용현 전 국방부 장관 등에게 병력 철수를 건의하지 않은 것으로 보고 있다. 김 전 의장 측은 혐의를 부인하는 입장이다. 김 전 의장 측 변호인단은 지난 1일 "국회로 출동한 병력은 김 전 의장의 상관인 국방부 장관의 지휘를 받고 있어 당시 김 전 의장은 작전지휘권을 행사할 수 없는 상태였다"고 밝힌 바 있다. pmk1459@newspim.com 2026-06-16 07:55
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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.
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