열번째 이야기. 시스템 반도체? AI 반도체? 뉴로모픽 반도체? (1/2)

최근에 이런 기사를 봤다.

www.bloter.net/archives/478194

카이스트, 21배 빠른 PIM 인공지능 가속 시스템 개발

AI 기능이 들어간 메모리 반도체? 이거랑 AI 반도체랑 차이가 뭐지? 하다가 조금 더 조사해보게 되었다.

우선, 나는 반도체에 대해서는 잘 모르기 때문에 알아보면서 내용을 추가하거나 수정할 수도 있을 것 같다.

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반도체란

출처 : https://m.blog.naver.com/kasagave/220974553491

우선, 반도체는 도체와 부도체 사이의 성질을 가져서 전기가 통하기도 하고 안 통하기도 한다.

위의 사진을 보면 도체에서는 가전자대(전자가 차있는 구역)와 전도대(전자가 텅 비어있는 구역)가 붙어있는 것을 확인할 수 있다.

반도체와 부도체에서는 전도대와 가전자대 사이에 에너지갭 Energy Gap(Eg)만큼 사이가 떨어져있다.

전기가 통하기 위해서는 전자가 없는 구역으로도 전자가 쉽게 이동해야한다.

즉, 가전자대에 있던 전자가 전도대로 이동할 때, 전기가 통한다.

도체는 전도대와 가전자대가 붙어있기 때문에 전기가 잘 통하지만, 부도체는 가전자대의 전자가 전도대로 이동하기 위해서는 Eg만큼의 에너지가 필요하기 때문에 전기가 잘 통하지 않는다.

반도체는 부도체에 비해서는 필요한 에너지가 적지만, 도체보다는 에너지가 많이 필요하다.

사람들은 이 성질을 이용하여 평소에는 전기가 안 통하다가 필요할 때, 조금의 에너지를 가해 전기가 통하게 해 사용하려고 반도체 소자를 만들었다.

 

이론에 충실하여 기초부터 Dopping과 p-n접합부터 설명할까 싶었지만, 내가 궁금한 건 주제로만 따졌을 때, 메모리 반도체와 ai 반도체라고 할 수 있기 때문에 이것까지 따로 설명하지는 않겠다.

 

반도체의 종류

처음에는 반도체를 집적도로 분류하고 그 다음은 메모리와 비메모리, 즉 정보를 저장하느냐 안하느냐로 분류하겠다.

(집적도 : 하나의 실리콘 칩에 이러한 논리 소자가 몇 개나 포함되어 있는지)

집적도로 분류한 사진(출처 : http://www.msdkr.com)

집적도를 고려했을 때, 반도체의 종류는 크게 Discrete(개별소자라 하기도 함)와 IC(Integrated Circuit, 집적회로)으로 나눌 수 있다. 

개별소자에는 트랜지스터와 다이오드처럼 On/Off와 같이 단순한 기능을 하는 반도체들을 말한다.

집적회로는 많은 전자회로 소자가 하나의 기판 위 또는 기판 자체에 분리 불가능한 상태로 결합되어 있는 초소형 구조다.(개별소자를 모아서 만든 회로가 아니니 주의하자!)

 

집적회로는 다시 또 시스템 IC와 메모리 IC로 나뉘게 된다.

(메모리 IC는 우리가 흔히 말하는 그 메모리 반도체가 맞지만, 시스템 IC는 개별소자를 제외한 시스템 반도체를 말한다)

 

메모리 반도체는 이름 그대로 메모리의 기능을 할 수 있는 반도체를 가리킨다.

그 종류에는 그림에서 볼 수 있듯이 DRAM, SRAM, 그리고 Flash 메모리로 나뉜다.

DRAM과 SRAM은 전원이 끊기면 저장된 정보가 사라지는 휘발성을 갖고 있고

Flash 메모리는 전원이 끊겨도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성을 지닌다.

메모리 반도체의 종류와 시스템 반도체의 종류 (출처 : 삼성반도체이야기)

시스템 IC는 메모리 반도체가 아닌 모든 IC를 말한다.

정보를 저장하는 기능 외에 논리, 연산, 제어 등의 기능을 하는 반도체이기 때문에 비메모리 반도체라는 명칭이 좀 더 자연스럽긴 하다.

위의 사진에서는 Analog, Logic, Micro 이렇게 세가지로 분류를 했지만, 사실 완벽히 분류하기는 조금 까다롭다.

그래도 보편적으로 아날로그 신호를 처리하는지, 디지털 신호를 처리하는지에 따라 구분한다.

 

추가로 반도체에 대해서 더 알고 싶다면 참고했던 링크들을 아래에 첨부하니 읽어봐도 좋을 것 같다.

blog.naver.com/kms9363/220306955312

[반도체 이야기] 3. 반도체의 종류(1) - 메모리 반도체

m.blog.naver.com/kasagave/221184498552

[반도체 이야기 #05] 반도체소자의 종류

www.msdkr.com/news/articleView.html?idxno=10602

알아봅시다: ⑬반도체의 종류별 구분법 - MSD(Motion System Design)

news.skhynix.co.kr/category/Technology/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4

'Technology/반도체' 카테고리의 글 목록

www.samsungsemiconstory.com/category/%EA%B8%B0%EC%88%A0/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4%2B

'기술/반도체+' 카테고리의 글 목록

SK하이닉스와 삼성전자에서 최신 반도체 정보도 잘 정리해서 관심있다면 읽어야할 것 같다.

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반도체 시장의 현황

서론을 마무리했지만, 앞의 내용으로 잠깐 다시 돌아가보자.

집적회로는 크게 메모리와 시스템(비메모리)로 나눌 수 있는데 메모리 반도체는 데이터를 저장하는 장치라고 했다.

일반적으로 메모리 반도체는 종합 반도체 기업 IDM(Integrated Device Manufacturer)에서 생산한다.

설계부터 가공, 조립, 마케팅 등을 총괄하여 메모리 반도체를 만들고 대표적인 기업으로는 삼성전자와 인텔이 있다.

 

시스템 반도체는 종류가 정말 다양해서 8000여종이 넘는다.

그 중에는 데이터를 연산하거나 판단하는 CPU와 AP, 데이터를 주고받으면서 통신 기능을 하는 모뎀, 데이터를 수집하는 이미지 센서 등 우리가 쉽게 생각해낼 수 있는 것들이 많다.

종류가 정말 다양하기 때문에 어떤 반도체를 만들어 낼 때, 메모리반도체와는 다르게 제조 과정이 분업화되어 있다.

설계전문 기업인 팹리스(Fabless)에서 설계를 하면, 생산전문 기업인 파운드리(Foundary)에서 위탁 생산을 하여 시스템 반도체를 생산해낸다.

대표적인 팹리스 기업에는 퀄컴과 엔비디아가 있고 파운드리 기업에는 TSMC와 삼성전자가 있다.

 

 

우리나라는 메모리 반도체로 유명하지만, 수출에 대한 집중도가 높아 글로벌 규제에 취약하다는 단점이 있고, 메모리 반도체 시장 호황 이후 새로운 성장 동력 확보를 위한 미래 유망 시스템 반도체 기술 발굴 및 시장 선점이 필요한 시점이다.

 

아래 인용글을 살펴보면, 삼성전자에서 위기라고 느낀다며 시스템 반도체에 집중하는 모습을 찾아볼 수 있다.

삼성전자는 2019년 기준 메모리반도체(D램·낸드플래시 등) 점유율 세계 1위에 올랐다. D램 분야에서는 2분기 기준 43.5%의 점유율을 차지해 2위 SK하이닉스(30.1%), 3위 마이크론(21%) 대비 두자리수 포인트 이상 격차를 유지했다.

하지만 삼성전자는 현재를 ‘위기 상황’이라고 인식한다. 이재용 삼성전자 부회장은 6월 19일 경기 화성시에 있는 삼성전자 반도체 연구소를 찾아 "가혹한 위기 상황이다. 미래 기술을 얼마나 빨리 우리 것으로 만드느냐에 생존이 달려있다. 시간이 없다"며 임직원들에게 신신당부했다. 잘하는 분야만 ‘초격차’를 유지해서는 미래가 없다고 판단했기 때문이다.

출처 : http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/21/2020082104062.html

실제로 시스템반도체 시장 규모는 메모리반도체 대비 2배 이상 크다.

기술 발전에 따라서 수요가 폭발적으로 늘어날 것이 당연하기 때문에 삼성전자가 미래 주력사업으로 시스템 반도체를 낙점했다고 볼 수 있다.

www.samsungsemiconstory.com/2512?category=537530

더 강화된 시스템반도체 생태계를 만든다! 'S.LSI 레퍼런스 플랫폼 사업 공표회’

실제로 다양한 기업들이 시스템 반도체 시장에 뛰어들고 있고 우리나라 정부도 이에 대해 규제를 풀고 사업 장려를 위한 정책을 시행하려고 하는 모습을 살펴볼 수 있다.

www.hani.co.kr/arti/economy/marketing/965510.html

“AI 반도체 선점하라” 한·미·중·대만 4개국 뜨거운 각축전

출처 : http://www.hani.co.kr/arti/economy/marketing/965510.html

 

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AI 반도체부터는 다음글에 이어서!