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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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지구촌 경제 숨통 '호르무즈 10km' [서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 호르무즈 해협 10km 남짓의 수로가 지구촌 경제의 숨통을 조이고 있다. 미국과 이란의 직접 충돌 이후 이란 혁명수비대가 호르무즈 해협을 통과하는 선박들을 불태운다는 협박을 거듭하는 상황. 160km 길이와 폭 30~50km의 호르무즈 해협에서 실제 항로는 10km 가량이지만 전세계 에너지 거래의 심장부다. 보도에 따르면 머스크와 CMA CGM 등 주요 컨테이너 선사와 탱커, 트레이딩 하우스들은 호르무즈 통항을 전면 중단한 채 우회 또는 대기 중이다. 유럽과 중국 쪽 해운 데이터에서도 3월2일(현지시각) 기준 상업 유조선 통과가 사실상 0에 가까운 것으로 확인된다. 사실상 민간 선박의 통행이 중단되면서 충격파가 지구촌 에너지와 물류 시스템에서 물가, 통화정책, 실물경제까지 덮칠 수 있다는 우려가 번진다. 일부 투자은행(IB)은 물가 급등과 경기 침체를 의미하는 스태그플레이션을 경고한다. 주요 외신에 따르면 호르무즈의 좁은 심해 수로를 통과하는 원유는 교역량의 4분의 1 이상이다. 액화천연가스(LNG) 물량도 전세계 해상 거래의 20%에 이른다. AI 도구를 이용해 미국 에너지정보청(EIA) 분석을 재가공해 보면, 호르무즈를 지나는 원유와 LNG의 80% 이상이 중국과 인도, 일본, 한국 등 네 개 국가로 전달된다. 에너지 흐름은 이미 급제동이 걸렸다. 미국 에너지정보청과 민간 데이터 업체 Kpler의 통계에 따르면 호르무즈를 거쳐 나가던 중동산 원유 가운데 상당 부분이 선적항에서부터 출항이 보류되거나 해협 인근에서 정박하는 실정이다. 호르무즈 해협과 중동 지역 [사진=미국 에너지부, 블룸버그] 걸프 산유국들은 수출항에서의 선적 일정을 조정하고 일부 물량을 내륙 파이프라인을 통해 홍해 또는 지중해 쪽으로 우회하는 방안을 검토하고 있지만 호르무즈를 완전히 대체하기에는 역부족이다. 이미 아시아 LNG 현물 가격을 나타내는 JKM 지수는 3월2일 15.068달러/MMBtu까지 상승하며 2025년 2월13일 이후 최고치를 찍었다. 국제 유가도 이번 사태 직전보다 20~30% 가량 뛴 상태다. 주요 투자은행(IB)은 단기적으로 브렌트유가 배럴당 90달러 선을 중심으로 변동할 것으로 보되, 호르무즈 봉쇄가 길어질 경우 120달러 선까지도 상단이 열려 있다고 경고한다. 단순한 리스크 프리미엄이 아니라 물리적 공급 차질에 따른 구조적 유가 상승이라는 설명이다. 중국과 유럽의 경기 둔화, 미국의 셰일 생산 여력, OPEC(석유수출국기구) 플러스(+)의 증산 여지를 감안한 다수의 시나리오에서도 호르무즈 봉쇄로 인해 당장 하루 2000만 배럴에 달하는 물량이 제때 시장에 도달하지 못하면 과거 걸프전 당시와 유사한 수준의 가격 충격이 재현될 수 있다는 전망이 나온다. 유가만의 문제가 아니다. 유조선과 LNG선, 컨테이너선이 호르무즈와 인근 해역을 기피하거나 우회하면서 해상 운임과 보험료가 동시에 치솟는 모양새다. 한 LNG 트레이딩 업체는 중동 항로의 워 리스크(war risk) 보험료가 화물 가치의 15~25% 수준으로 치솟았다고 전했고, 이로 인해 일부 선사는 차라리 선박을 놀리거나 다른 노선으로 돌리는 실정이라고 전했다. 중국 신화통신은 글로벌 선사들이 호르무즈와 페르시아만 항로를 피하기 위해 선박을 재배치하면서 해상운임과 보험료가 동시에 상승하고, 일부 화주들은 아예 신규 예약을 중단했다고 보도했다. 운임과 보험 쇼크는 곧바로 에너지 수입 가격과 전력 요금, 나아가 광범위한 물류비 상승으로 이어질 수 있다. 정유사와 발전사, 석유화학 기업의 원가가 이중으로 압박받게 되고, 여기에 컨테이너선과 벌크선까지 위험 해역을 피해 돌아가기 시작하면 중간재와 원자재, 곡물과 사료까지 운송 시간이 늘어나고 비용이 오른다. 호르무즈 해협의 폐쇄가 장기화되면 글로벌 공급망은 또 한 번 구조적인 병목을 겪을 전망이다. 가뜩이나 끈적끈적한 물가가 재차 급등할 수 있다는 우려가 나온다. 호르무즈 봉쇄로 유가가 배럴당 100달러를 넘어서는 수준으로 유지될 경우 미국과 유로존, 아시아 등 주요 수입국의 소비자물가지수가 수개월간 0.5~1.0%포인트의 상방 압력을 받을 수 있다는 시뮬레이션 결과가 여러 연구기관에서 제시된다. 유가가 배럴당 120달러를 넘고 상황이 장기화되는 경우에는 특히 에너지 집약도가 높은 신흥국과 유럽 일부 국가에서 물가와 성장률이 동시에 악화되는 스태그플레이션이 닥칠 수 있다는 경고다. AI 도구로 세계은행과 IMF, 민간 리서치기관의 모델을 종합하면 유가가 10달러 상승할 때마다 글로벌 경제 성장률은 0.1~0.2%포인트씩 떨어지고, 에너지 수입국의 경상수지와 재정 부담이 눈에 띄게 악화되는 것으로 확인된다. 유가 150달러 시나리오에 대한 스트레스 테스트에서는 일부 취약 신흥국에서 통화 가치 급락과 경상수지 위기가 동시에 발생할 수 있다는 결과도 제시됐다. 지금과 같이 전쟁과 제재, 수송 차질이 겹친 상황에서는 단순히 유가 상승분만이 아니라 LNG와 전력요금, 곡물과 비료, 운임비까지 연쇄적으로 튀어오를 수 있어 기존의 "유가 파급계수"보다 충격이 더 커질 수 있다는 점이 AI 기반 시뮬레이션에서 공통적으로 드러난다. 호르무즈 봉쇄가 장기화될 경우 아시아 제조 강국들의 심장부를 이루는 반도체와 석유화학, 철강, 조선, 자동차 산업이 동시에 압박을 받을 전망이다. 정유사와 발전사는 더 높은 가격에 원유와 LNG를 조달해야 하고, 이는 곧 전기 요금과 산업용 연료비 상승으로 이어질 수 있다. 석유 화학과 철강, 시멘트 등 에너지 소비가 높은 업종은 원재료와 연료 비용 상승과 동시에 해상 운임 상승까지 감내해야 한다. 자동차와 조선, 전자업체들은 중간재와 부품 공급 지연, 운송비 상승, 해외 수요 위축이라는 삼중고를 마주할 수 있다. 시장 전문가들은 10km 바닷길이 막히면서 에너지 공급과 해상 운임, 보험료와 전력 요금, 나아가 세계 각국의 물가와 성장률까지 동시에 흔들리는 '복합 쇼크'가 현실화되는 시나리오를 경고한다. shhwang@newspim.com 2026-03-03 13:17
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900만 울린 '왕사남 강가 포스터' [서울=뉴스핌] 양진영 기자 = 2026년 최고 흥행작에 등극한 영화 '왕과 사는 남자'가 900만 관객 돌파를 기념해 짙은 여운을 남기는 강가 포스터를 공개했다. '왕과 사는 남자'가 3일 900만 관객 돌파에 힘입어 강가 포스터를 공개했다. 영화 속 이홍위(박지훈)의 마지막과 함께 공개되는 장면 속 아련한 모습을 담아 깊은 울림을 전한다. 공개된 포스터는 왕위에서 쫓겨나 청령포로 유배된 이홍위가 강가에 홀로 앉아 쓸쓸히 물장난 치는 장면을 담았다. 흰색 도포를 입고 쪼그려 앉은 이홍위의 모습은 어린 나이에도 자유를 꿈꿨을 그의 심정을 짐작하게 해 먹먹한 감정을 자아낸다. [사진=(주)쇼박스]  특히, 엄흥도 역의 유해진과 이홍위 역의 박지훈이 포스터 속 장면에 대해 직접 소회를 밝힌 바 있어 관객들의 감정을 배가시킨다. 유해진은 "이홍위가 유배지 강가에서 물장난 쳤던 모습이 기억에 남고, 그때 엄흥도의 심정은 아들을 바라보는 심정이 아니었을까? 유배지가 아니라면 자유롭게 있을 나이인데, 너무 안쓰러웠다"라 말하며, 해당 장면에 대한 남다른 애정을 언급하기도 했다. 박지훈 또한 "강가에 쪼그리고 앉아 있는 장면은 해진 선배님의 제안으로 생긴 장면. 생각해 보니 친구들과 뛰어놀고 싶을 시기, 유배지에 와서 혼자 물장난을 치며 무슨 생각을 했을까? 그런 단종의 마음을 표현하려고 노력했다" 며, 해당 장면의 비하인드 스토리와 함께 이홍위의 복합적인 내면을 표현하고자 고심했던 과정을 밝혀 눈길을 모았다. 이처럼 배우들은 물론 900만 관객의 마음을 뒤흔든 강가 포스터는 '비운의 왕'이라는 단종의 단편적 이미지에서 벗어나 '인간 이홍위'에 집중한 '왕과 사는 남자'만의 서사를 선명하게 드러낸다. '왕과 사는 남자'는 1457년 청령포, 마을의 부흥을 위해 유배지를 자처한 촌장과 왕위에서 쫓겨나 유배된 어린 선왕의 이야기를 담은 영화다. 모두가 알고 있는 역사 속 숨겨진 단종의 이야기로 900만 관객의 마음속에 묵직한 감동을 남기며 파죽지세의 흥행을 기록 중이다.  jyyang@newspim.com 2026-03-03 08:11
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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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