[반도체]nm 노드는 실제 거리와 동일한 개념이 아니다

반도체 공정에서 'nm(나노미터)'는 오랫동안 트랜지스터의 게이트 길이를 나타내는 물리적 치수로 여겨졌습니다. 하지만 최신 공정에서는 nm 값이 더 이상 특정한 물리적 거리나 치수를 직접적으로 의미하지 않게 되었습니다. 그렇다면 nm 노드는 정확히 무엇을 의미하며, 왜 더 이상 실제 거리를 나타내지 않는 걸까요?

1. 과거의 공정 노드와 nm의 의미

과거에는 반도체 공정에서 nm 값이 실제로 트랜지스터의 특정 치수(예: 게이트 길이)와 밀접한 관련이 있었습니다. 예를 들어, 90nm 공정에서는 게이트 길이가 약 90nm에 해당했으며, 45nm 공정에서는 약 45nm로 감소하는 식이었습니다. 이러한 크기 축소는 단순히 칩의 크기를 줄이는 것이 아니라, 전력 소모를 줄이고 성능을 향상하는 중요한 역할을 했습니다.

그러나 반도체 공정이 발전하면서 단순한 크기 축소만으로는 더 이상 성능을 극대화할 수 없게 되었습니다. 트랜지스터가 점점 더 작아지면서 물리적 한계에 가까워졌고, 전자 이동도와 전력 효율을 유지하기 위해 새로운 설계 방식이 필요해졌습니다.

2. FinFET 및 3D 구조의 등장

기존의 플래너(Planar) 트랜지스터에서 3D 구조인 FinFET(Fin Field-Effect Transistor)로 전환되면서, 기존의 게이트 길이를 단순히 nm 값으로 표현하는 것이 더 이상 타당하지 않게 되었습니다.

FinFET에서는 트랜지스터의 게이트가 평면이 아니라 돌출된 핀(Fin) 형태로 설계되며, 이를 통해 전류가 흐르는 면적을 넓혀 전력 효율과 성능을 높일 수 있습니다. 이로 인해 동일한 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있게 되었고, 단순히 '게이트 길이'를 기준으로 nm 값을 매길 수 없게 되었습니다. 대신 트랜지스터의 밀도, 성능 향상 비율 등을 종합적으로 고려하여 nm 노드가 결정됩니다.

3D 트랜지스터 구조의 발전은 단순히 소형화뿐만 아니라 전력 효율과 성능을 동시에 개선하는 방향으로 나아가고 있습니다. 또한, 향후 GAAFET(Gate-All-Around FET) 등의 새로운 트랜지스터 구조가 도입되면 nm 노드의 의미는 더욱 모호해질 것으로 예상됩니다.

3. 마케팅적인 의미로 변한 nm 노드

현재의 nm 값은 특정한 물리적 치수를 직접 반영한다기보다는, 제조사의 기술력과 트랜지스터 집적도를 나타내는 마케팅적 의미가 더 강해졌습니다. 예를 들어, 7nm에서 5nm로 이동한다고 해서 반드시 특정한 치수가 절반으로 줄어드는 것이 아니라, 전체적인 집적도가 증가하고, 소비 전력이 감소하며, 성능이 개선되는 등의 요소가 포함됩니다.

또한, 제조사마다 nm 노드를 정의하는 방식이 다르기 때문에, 같은 '5nm'라고 해도 TSMC, 삼성, 인텔의 공정이 동일한 밀도와 성능을 제공하는 것은 아닙니다. 실제로 인텔의 7nm 공정이 TSMC의 5nm 공정과 유사한 성능을 제공하는 경우처럼, nm 값 자체만으로는 정확한 비교가 어렵습니다.

4. 반도체 공정 발전과 nm 개념의 변화

반도체 공정이 발전하면서 nm 노드의 의미는 더욱 변하고 있습니다. 초기에는 단순한 크기 축소가 주요 목표였지만, 이제는 성능 향상, 전력 효율 개선, 트랜지스터 밀도 증가가 주요 고려 요소로 자리 잡았습니다. 이를 위해 반도체 기업들은 새로운 소재(예: High-k Metal Gate, EUV 리소그래피)와 혁신적인 공정 기술을 도입하고 있으며, 향후 nm 노드 개념은 더욱 마케팅적인 요소로 자리 잡을 가능성이 큽니다.

결국, nm 노드는 물리적인 크기를 나타내는 수치라기보다는 공정 발전을 나타내는 상징적인 개념으로 자리 잡게 되었습니다. 그렇다면, 왜 동일한 '3nm 공정'이라도 제조사마다 성능과 특성이 다를까요? 이에 대한 자세한 내용은 다음 글에서 살펴보겠습니다.