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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]  

[뉴스핌 베스트 기사]

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다이슨, 68만원 전동 칫솔 공개 [서울=뉴스핌] 최원진 기자= 고가의 무선청소기와 헤어드라이기로 유명한 영국 가전기업 다이슨이 인공지능(AI) 탑재 전동 칫솔을 선보이며 구강케어 시장에 도전장을 내밀었다.  1일(현지시간) 월스트리트저널(WSJ)은 다이슨이 초소형 카메라와 AI 기술을 탑재해 칫솔질과 치실 기능을 동시에 수행하는 신제품 '다이슨 카메라제트(CameraJet)' 칫솔을 공개했다고 보도했다. 이번 신제품은 평소 치과 스케일링 치료에 극심한 공포와 불편함을 느꼈던 제임스 다이슨(79) 창업자의 개인적 경험에서 출발했다. 다이슨은 인터뷰에서 "나는 치실 사용을 꽤 꼼꼼하게 하는 편인데도, 치과 위생사는 뾰족한 곡괭이 같은 기구로 치석을 깎아낸다. 매번 갈 때마다 큰 스트레스였다"며 개발 배경을 밝혔다. 다이슨 엔지니어진이 6년간 개발한 이 제품은 헤드 부분에 장착된 초소형 카메라가 초당 28장의 실시간 이미지를 분석해 치아 사이의 틈새를 식별한다. 틈새가 감지되면 원깔때기 형태의 구강청결제를 순간적으로 분사해 플라크(치태)를 제거하는 방식이다. 기기를 기울이거나 뒤집어도 액체가 일정하게 분사되도록 무중력 탱크와 전용 펌프 메커니즘을 적용했다. 제품은 이달부터 세포라, 베스트바이, 아마존 등에서 세라믹 핑크와 블루 색상으로 우선 판매되며, 가을 중 코스트코에도 입점할 예정이다. 칫솔 가격은 499달러로, 한화로 약 68만 원이다. 여기에 기기와 카메라 시야를 가리지 않도록 특수 제작된 전용 '거품 없는 치약'도 있다.  다이슨 특유의 과감한 사업 방식도 눈길을 끈다. 별도의 구체적인 매출 목표나 비즈니스 플랜을 세우지 않고 제품을 출시했다는 그는 "매출 규모가 얼마나 될지 전혀 예측할 수 없다"면서도 "상업적으로 실패하더라도 과거 전기차 프로젝트처럼 수용하고 중단하면 될 뿐"이라고 덧붙였다. [사진= 다이슨 영국 홈페이지] wonjc6@newspim.com 2026-09-02 10:48
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평균급여 1억 넘는 '톱10' 기업은 [서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 국내 500대 기업의 올 상반기 직원 1인당 평균급여가 5500만원에 육박한 것으로 나타났다. 한국금융지주는 1억8400만원으로 가장 높았고 금융권을 제외하면 SK하이닉스가 1억4400만원으로 1위를 차지했다. 2일 기업데이터연구소 CEO스코어가 500대 기업 가운데 2025년과 2026년 반기 급여 비교가 가능한 345개사를 분석한 결과, 올 상반기 직원 1인당 평균급여는 5499만원으로 집계됐다. 지난해 같은 기간 5136만원보다 7.1%(363만원) 늘었다. [사진=CEO스코어] 기업별로는 한국금융지주가 1억8400만원으로 가장 높았다. 메리츠증권(1억6521만원), 한국투자증권(1억6200만원), 유안타증권(1억4900만원), SK하이닉스(1억4400만원)가 뒤를 이었다. 상반기 평균급여가 1억원을 넘은 기업은 모두 20곳이었다. 이 가운데 증권사가 12곳, 금융지주가 5곳으로 대부분을 차지했다. 비금융권에서는 SK하이닉스와 두나무, 두산 등 3곳만 이름을 올렸다. 업종별 평균급여는 금융지주가 1억1388만원으로 가장 높았고 증권(1억710만원), 통신(6967만원), 은행(6700만원) 순이었다. 평균급여가 가장 낮은 곳은 이랜드월드로 1700만원이었다. 한국금융지주와의 격차는 1억6700만원으로 10.8배에 달했다. CJ프레시웨이(1900만원), 현대그린푸드(2032만원) 등도 하위권에 머물렀다. syu@newspim.com 2026-09-02 10:18
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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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