마이크로칩은(는) 여기로 연결됩니다.
미국의 반도체 제조사에 대한 내용은
Microchip Technology 문서 참고하십시오.| width=100%]]|세계 최초의 집적 회로. 저 사진에 보이는 세계 최초의 집적 회로는 트랜지스터 1개와 그걸 보조해주는 소자를 합친 것이다. |
1. 개요
集 積 回 路 / Integrated Circuit; IC집적 회로는 특정 기능을 수행하는 전기 회로와 반도체 소자(주로 트랜지스터)들을 하나의 칩(Chip)으로 구현한 것이다. 반대로 모든 소자가 모두 별개의 부품으로 구성된 회로는 이산 회로(Discrete Circuit)라고 한다. PC에서는 개별적인 기능을 하는 여러 칩을 하나로 묶어 집적화를 꾀하고 여러 기능을 동시에 하는 칩은 칩셋이라고도 한다.
2. 역사
1958년, 텍사스 인스트루먼트에서 일하던 잭 킬비가 만들었다. 잭 킬비는 집적 회로의 개념을 구상하고 처음으로 실물로 구현한 공로를 인정받아 2000년에 노벨물리학상을 공동 수상한다.잭 킬비는 본래 RCA사가 적극 추진하고 있던 회로 구성 방식인 마이크로모듈( Micromodule)을 연구하고 있었다. 마이크로모듈은 회로를 구성하는 개별소자(Discrete Component)[1]를 기존보다 작고 얇은 동일한 크기로 만든 후 여러 층으로 쌓은 뒤 외곽에 전선을 넣어 회로를 구성하는 방식으로, 기존의 개별 소자 하나가 들어갈만한 공간에 소자 수십 개를 적층하여 더 작고 빠른 회로를 만들 수 있었기에 미 육군으로부터 차세대 기술로 낙점받고 연구되고 있었다.[2] 하지만 잭 킬비는 마이크로모듈이 수직으로 소자를 결합하는 방식이 지나치게 복잡하다고 생각하였다. 이에 잭 킬비는 저마늄 단일 소재로 개별소자의 전기적 성질을 모두 구현하고 가느다란 전선으로 연결하면 마이크로모듈보다 훨씬 작고 소자 집적도가 높은 회로를 만들 수 있다는 발상을 하였다. 잭 킬비의 집적 회로는 저마늄으로 된 트랜지스터와 다이오드를 각각 1개씩 집적한 것이다.
대중들이 알고 있는 집적 회로의 원형은 1959년에 로버트 노이스가 규소로 단일체 집적 회로를 발명한 것이다.
1959년에 강대원과 모하메드 아탈라가 MOSFET를 발명하면서 집적 회로의 미세화가 쉬워졌다. 덕분에 1964년 이후 집적 회로는 마이크로모듈을 완전히 도태시키고 시장의 주류가 되었으며[3], 미국이 스푸트니크 쇼크에서 벗어나는 계기가 된 아폴로 계획에도 절찬리에 쓰였다. 1960년부터 20㎛(마이크로미터)공정으로 시작되어서 현재까지도 서서히 미세화되고 있다.
3. 장단점
수많은 트랜지스터가 포함된 회로를 현미경적 크기로 축소함으로써 전자회로의 크기를 획기적으로 소형화하였으며 소모되는 전력도 크게 감축시켰다.[4] 이는 컴퓨터의 처리능력 향상으로 이어졌으며 오늘날의 정보기술 혁명은 모두 집적 회로 덕분이라 해도 전혀 과언이 아니다.2020년 기준으로 컴퓨터의 CPU는 대개 20억~400억 개의 트랜지스터를 포함한 집적 회로로 구성되어 있으며, 만약 집적 회로 없이 트랜지스터 100억 개를 일반 회로(이산 회로, discrete circuit)에 얹으려면 약 100 헥타르, 즉 1 km²의 면적의 회로 기판이 필요할 것이다.[5]
집적 회로의 단점은 장점에 비하면 사소한 것이며 그리 많지 않지만, 그래도 한계가 있기 때문에 집적 회로의 대체품을 연구하는 이들이 많이 있다.
- 집적 회로에 트랜지스터를 탑재하는 것은 용이하지만 저항기, 커패시터, 인덕터를 집어넣는 것은 어려우며 이런 부품은 집적 회로 밖으로(즉 이산 회로로) 빼거나[6], 집적하더라도 매우 큰 면적 소모를 감수해야 한다.
- 회로에 흐르는 전류의 양에 상한선이 있다. 물론 이는 모든 회로가 마찬가지지만 집적 회로는 이산 회로에 비해 그 상한선이 크게 낮다(대개 10와트 미만).
- 한번 만들어진 집적 회로를 일부 개조하거나 수리하는 것은 사실상 불가능하며 통째로 교체해야 한다.
- 고등급 P-N-P 트랜지스터는 조립이 불가능하다.
- 이제 더 이상 작게 만들기가 힘들다. 집적 회로는 이제 소형화의 이론적인 한계에 가까워지고 있다. 양자 터널이란 작용 때문.
4. 분류
4.1. 집적방식에 따른 분류
- 단일체 집적 회로(Monolithic IC) - 대중매체에서 가장 잘 보도되는 집적 회로로 마이크로칩(Microchip)이라고 한다. 하나의 반도체 물질에 반도체 소자들을 새기는 방식으로 제작된다. 주로 웨이퍼로 만든 다음에 그 과정을 진행한다.
- 혼성 집적 회로(Hybrid IC) - 이산 소자들을 모아 하나의 칩으로 구성한 것이다. 에폭시로 밀봉되거나 PCB를 씌워 단일체 집적 회로와 혼동되기 쉽지만 웨이퍼로 제작된 것이 아니기 때문에 개봉하면 이산 소자들을 볼 수 있다.
둘 다 칩이라고 표현하면 차이가 있다면 작은 칩에 소자들을 새겨넣은 것인가 이산 소자들을 모아 큰 칩으로 만든 것인가이다.
4.2. 소자에 따른 분류
집적 회로는 1960년도부터 생긴 개념이고 그동안의 기술이 많이 바뀐 관계로 제작 방법과 소재 등이 많이 바뀌었다. 그중 대표적인 것들을 적어보면 이렇다.- 트랜지스터-다이오드 로직 - 바로 위에 보이는 사진의 집적 회로가 이 구성이다.
- TTL - 트랜지스터-트랜지스터-로직. 말그대로 트랜지스터와 트랜지스터를 이어붙어서 만든 집적 회로. 7400 시리즈 집적 회로로 유명하다.
- PMOS, NMOS, CMOS
- FinFET, GAAFET
4.3. 집적도에 따른 분류
하나의 칩에 들어있는 소자( 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드 등이 있지만, 주로 트랜지스터)의 갯수에 따라 아래와 같이 분류한다.- LSI (Large Scale Integration): 하나의 칩에 들어가 있는 소자의 수가 1000 ~ 10만 개인 경우.
- VLSI (Very Large Scale Integration): 하나의 칩에 들어가 있는 소자의 수가 10만 ~ 100만 개인 경우.
- ULSI (Ultra Large Scale Integration): 하나의 칩에 들어가 있는 소자의 수가 100만 개 이상인 경우.
다만 현재 업계에서 이렇게 구분하는 경우는 거의 없다. 어지간한 고성능 칩들은 이미 소자수가 수십억~수백억 단위를 찍는 터라… 이런 분류는 1970년도에 나온 개념으로, 당시 전자제품(전자계산기, 휴대용 게임기 등)에는 자랑스럽게 “LSI”라는 문구가 들어가곤 했다. 퍼스널 컴퓨터 초창기의 베스트셀러였던 6502 CPU도 LSI였다(트랜지스터가 약 3500개).[7] 허나 어지간한 프로세서에는 전부 수백억에서 수천억 개 이상의 트랜지스터가 들어가는 2022년 기준으로는 이런 분류가 전혀 의미 없다. 이미 초대 펜티엄 시절에 수천만 단위에 도달했기 때문이다.[8] 이미 무어의 법칙으로 인해 90년대가 끝나기도 전에 집적된 소자의 수가 천만 단위로 올라가 버려서, 위의 분류법은 그야말로 고대의 유물이 되어 버린 것이다. 게다가 칩이 복잡해짐에 따라 예전과 달리 집적도 및 트랜지스터 수와 성능이 비례하지 않는 경우도 많기에 집적도로 칩의 성능을 나타내기가 부적절해져 위의 분류법이 무의미해져 버린 것이다. 특히 메모리에 트랜지스터가 엄청나게 많이 들어가기에 그래픽 카드와 같은 경우 메모리의 트랜지스터 수를 포함하느냐 그렇지 않느냐에 따라 총 트랜지스터 수가 수백 퍼센트까지 차이가 나며 SoC의 경우 체급에 비해 트랜지스터 수가 굉장히 많게 나오는 편이다. 1980년대 이후로 어지간한 칩들은 전부 VLSI로 통칭하며 소수의 사람들이 ULSI라는 용어를 사용한다.
최근에는 집적도를 단위면적당 트랜지스터 밀도 Cell Density 로 표기하기도 한다. 예를들어 갤럭시 노트20에 들어가는 퀄컴 스냅드래곤 865+, SM8250-AB의 경우는 Cell Density = 121.49 MTr/mm² 정도의 집적도를 보인다.
4.4. 기능에 따라
4.4.1. 메모리 반도체
정보를 저장하기 위한 집적 회로이다. 트랜지스터 및 커패시터[9]로 구성된 회로인 단위 셀을 2차원[10]으로 무수히 배열한 형태로 이루어져 있다.4.4.2. 비메모리 반도체
정보를 계산하고, 변환하고, 신호를 감지하는 등 특정한 기능을 수행하기 위한 집적 회로이다. 위에 서술한 메모리 반도체를 제외한 모든 IC가 이 분류에 속한다.5. 설계
집적 회로의 초창기, 즉 위에 나온 LSI, VLSI 등의 용어가 현역으로 사용되던 시절에는 회로를 종이에 그리고, 이를 사진 필름으로 찍은 뒤 포토 에칭[11]이라는 고색창연한 기술을 이용해 집적회로를 만들었다. 이처럼 손으로 레이아웃을 그리며 모든 회로를 설계하던 시대는 80년대에 이미 끝났으며, 그 이후로 디지털 회로는 전적으로 코딩으로 설계한다[12]. HDL(Hardware Description Language)라는 특수한 프로그래밍 언어를 사용하며, 합성(synthesis)[13]이라는 과정을 통해 넷리스트[14]로 변환하고, 이를 블록 단위로 실제 칩 다이에 배치하는 레이아웃 과정을 거친다.HDL은 대표적으로 Verilog와 VHDL이 있는데 업계의 대세는 Verilog. 회로의 동작 구조를 프로그래밍 언어로 추상화하는 것인데, 합성을 통해 결국은 디지털 회로로 치환되어야 하므로 소프트웨어 프로그래밍과는 감각이 상당히 다르다. 코드를 봤을 때 회로의 구조가 눈에 안 들어오면 일반적으로 나쁜 코딩 스타일로 본다. 아무리 합성 툴의 최적화가 좋다고 하더라도 어떤 회로가 될지 모르면 생각지도 않은 곳에서 버그가 튀어나올 수 있다.
컴파일러와도 비슷하다고 볼 수 있겠지만, 하드웨어 버그는 소프트웨어 버그와는 차원이 다른 문제이기 때문에, 설계도 굉장히 보수적으로 이루어진다.[15] 보통 전혀 새로운 모듈을 넣는 경우, 기존의 것도 남겨두고 레지스터 프로그래밍을 통해 둘 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있는 구조를 만들고, 새 모듈이 새 제품에서 검증된 이후에야 다음번 제품에서 기존 모듈을 제거하는 식... 개발 단계에서는 당연히 모듈, IP, 칩 레벨에서 이중, 삼중으로 검증팀이 테스트한다. 검증팀이 설계팀보다 인력이나 자원이 더 많이 들어갈 정도. 칩의 구조 자체도 몇 겹의 대응 구조를 둘러서 만든다. 핀의 극성(0/1)을 뒤집는 기능은 기본이고, 내부 블럭들도 웬만한 I/O에는 이러한 기능을 단다. 물론 이렇게 몇겹으로 대응체제를 갖춰도 결국은 엔지니어들이 하는 일이라 버그가 한두 개씩은 제품까지 흘러나간다.[16] 그런 식으로 개발은 됐지만 버그 때문에 완제품까지 못 가고 통편집당한 기능은 CPU/GPU 개발사에 부지기수이다.
2010년대부터 공정의 미세화와 이에 따른 누설전류의 폭증[17]으로 저전력 설계의 중요성이 대두되어서, 사용하지 않는 회로는 클럭을 끈다든지(clock gating), 전원을 끊는다든지(power gating), 칩 곳곳에 사용량 측정 회로(activity monitor)를 심어두고 사용량이 낮은 곳은 클럭/전압을 최대한 내린다든지(DPM: dynamic power management)하는 각종 눈물나는(...) 노력이 이어지는 중이다.
6. 제조
집적 회로의 제조를 위해서는 팹이라는 생산 공장이 필요하다. 이 팹을 소유하고 운영하는 데에만 주력하는 업체를 파운드리라고 한다.7. 관련 회사
8. 쓰임새
9. 종류
[1]
트랜지스터,
캐패시터,
다이오드,
저항기 등 전자회로의 구성요소를 독립적인 부품으로 생산한 것
[2]
당시 미군은
스푸트니크 쇼크에 크게 데인 후 소련과의 기술적 격차를 줄이려고 안간힘을 쓰고 있었고, 기존 개별소자 방식 전자회로보다 최소 6배 이상의 집적도를 보이며 신뢰성도 높은 마이크로모듈 기술에 큰 감명을 받은 상태였다.
[3]
소자를 수직으로 적층시키는 회로 구성 방식은 약 50년 후
MCM을 연구하는 과정에서 다시 빛을 보게 되며,
HBM에서 실용화되었다. 다만 소자를 연결하는 인터포저 설계가 어렵다는 단점은 여전히 존재한다.
[4]
전자기술의 발달 하면 빼놓고 말할 수 없는 기기인 라디오는 과거에는 탁상형만 존재했으나, IC가 나오면서 주머니에 넣어 다닐 수 있는 크기로 작아졌다.
[5]
대략
여의도 삼분의 일 면적이다.
[6]
뚜따할 때 CPU 코어 주변이 커패시터로 둘러싸여 있는 모습을 볼 수 있다.
[7]
6502는 당시 유명한 개인용 컴퓨터(
애플 2 등)와 가정용 게임기(
닌텐도
패미컴 등) 등에 널리 사용된 CPU다.
[8]
예시로 10년 된
코어 i7 2600K에 116억 개,
라이젠 7 5800X에는 624억 개의 트랜지스터가 들어가고,
Xbox Series X에 사용되는 APU에는 153억 개의 트랜지스터가 들어간다. 서버/워크스테이션용 CPU는 이미
클로버타운/하퍼타운 시절에 이미 1백억 개를 훌쩍 넘겼다.
[9]
DRAM의 경우이다.
[10]
요즘엔 3차원으로도 한다.
[11]
Photo etching. 오늘날 반도체 웨이퍼 제작에 이용하는 기술인 리토그래피의 조상 격인 기술이다. 단순하게 설명하자면, 종이에 회로도를 그린다 -> 회로도를 사진으로 찍는다 -> 흑백 역전된 사진 필름을 대폭 축소 복사한다 -> 회로 기판에 특수한 광반응성 화학물질을 바르고 그 위에 회로도가 축소 복사된 사진 필름을 덮는다 -> 빛을 쬔다 -> 필름의 회로 부분은 투명하고 나머지 부분은 검은색이므로(종이에 그린 회로도에서는 회로가 검은색, 나머지 부분은 백색이지만, 이를 촬영한 사진 필름은 네거티브이므로 회로는 투명, 나머지 부분은 검은색이 된다) 회로 부분만 빛이 통과한다 -> 빛이 기판에 칠해진 광반응성 화학물질과 반응해 기판이 회로 모양대로 패인다 -> 회로를 만들 길이 준비되었다.
[12]
단, 아날로그 회로는 아직도 레이아웃을 직접 그리는 경우가 대부분이다. 물론 손으로 직접 그리는 것은 아니고, EDA(Electronic Design Automation) tool의 도움을 받아 컴퓨터로 그린다.
[13]
프로그램 코드의
컴파일과 유사한 개념이다.
[14]
트랜지스터, 셀(
팹에서 제공하는, 해당 공정이 지원하는 설계의 최소 단위들로 이루어진 라이브러리)와 전선(wire)으로만 구성된 설계도이다.
[15]
일단 하드웨어가 제품에 탑재되면, 그 하드웨어가 어떤 문제를 일으켜도 교체할 방법도 없고 동작을 바꿀 방법도 없다. 운이 좋다면 소프트웨어적으로 해결이 가능할 수도 있긴 하지만 이 경우에도 막대한 성능 손실을 피하긴 어렵다.
[16]
멜트다운·스펙터가 이런 식으로 출고되어 20여 년 동안 발견 못한 채로 주구장창 쓰였다.
[17]
2019년 기준 시판되는 최신 CPU/GPU의 소자들은 동작(스위칭)할 때의 전력과 대기상태의 전력소모가 별 차이 없을 정도로 누설전류가 많다. 자동차로 치면 공회전 할 때랑 시속 100킬로로 달릴 때랑 연료 소모가 비슷한 셈이다.. 더군다나 이건 공정 자체의 문제이므로 미세화를 포기하지 않는 한 어떻게 할 수가 없다!
[18]
휴대용 단말 (
스마트폰,
태블릿PC 등)에서 쓰인다.