태양에서 양자까지
1. 반도체가 뜨는 이유
2026년 2월은 한국 주식시장 코스피가 그 지수 6,000을 넘는 신기록을 세웠습니다. 그 기록의 원동력은 주로 반도체 메모리를 생산하는 삼성전자와 SK Hynix의 경영 실적과 미래 전망입니다.
반도체가 뭐 길래 주가가 치솟는 것인가요?
반도체는 AI Agent 기반인 컴퓨터의 CPU와 GPU 소재로 쓰입니다.
컴퓨터는 Bit 이라는 2진법 기계어를 사용합니다.
이진법(Binary Notation)은 0과 1 두 개의 부호를 사용하여 숫자를 표시합니다.
우리가 배우는 산수는 10 진법(Decimal Notation)을 사용합니다.
10 진법을 2진법으로 나타내면 다음과 같습니다.
0(00), 1(01), 2(10), 3(11), 4(100), 5(101), 6(110), 7(111) 8(1000).
이진법 00을 Bit(Binary Digit) 0, 동 01을 Bit 1처럼 표시합니다.
이진법을 컴퓨터에서 부호로 표시를 하려면 전기를 사용합니다.
전기가 통하면(Switch on) Bit 1,
불통이면(Switch off) Bit 0으로 숫자를 나타냅니다.
Switch는 Transistor를 사용합니다.
트랜지스터는 전기의 양극과 음극 간에 서로 당기거나 밀어내는 성질을 사용하여 만듭니다.
이 트랜지스터 스위치는 반도체를 소재로 하여 만듭니다.
AI의 트랜지스터 집적회로(Integrated Circuit, IC)를 바로 반도체로 만드는 것입니다.
IC는 *1 IC―1 연산*입니다. IC의 집적도(쌓아 올림)가 클수록 연산 성능이 올라 갑니다.
요즘 AI Agent(인간의 두뇌가 하는 일을 대신하는 대리인 모델)는 수 십억 개에서 수 백억 개의 IC를 사용합니다. 이렇게 대단위로 쌓아 올리려면 IC의 두께가 얇아야 합니다.
현재 3 나노(십억 분의 1 m 단위)를 생산 중이고 1 나노 m도 개발 중입니다.
반도체 사용량이 많을수록 삼성전자와 SK Hynix의 매출액이 많아질 수밖에 업습니다.
AI와 양자 컴퓨터에 반도체 사용량이 갈수록 많아지고 있습니다.
2. 반도체 IC 사용 CPU & GPU
반도체 IC는 어떻게 만드나요?
반도체 전기의 *On & Off 원리*를 알려면 반도체가 무엇이며 어떻게 전기를 단속(斷續) 시키는지 그 흐름을 알아야 합니다.
반도체(Semiconductor)는 전기가 통하지 않지만(절연체) 특별한 조치를 하면 전기를 통하는(도체) 물질을 말합니다.
반도체의 물질은 규소(Silicon)를 사용하며, 원소주기율표의 원자번호 14 (2 주기 14 족)에 해당합니다.
이 실리콘은 모래 속에서 발견되는 유리 알갱이 입니다. 천연 규소는 그 규소의 성분 순도가 낮으므로, 농축을 시켜 순도를 높인 것을 반도체로 사용합니다.
반도체는 두께가 얇아야 CPU나 GPU 회로를 집적하여 사용할 수 있습니다. 고 집적도 CPU를 스마트폰에 사용하는 것입니다. 그 두께가 두꺼우면 CPU를 장착하는 스마트폰의 크기가 커질 수 밖에 없습니다.
CPU는 Central Processing Unit 으로서 컴퓨터의 Bit 연산 처리를 하는 중앙 처리 장치 입니다. 연산은 *수리 계산이나 논리 처리*를 말합니다.
GPU는 Graph Processing Unit 으로서 AI에서와 같이 문자, 그림, 동영상 등의 연산에 사용하는 그래픽 처리 장치입니다.
미국의 엔비디아(NBDA)가 세계 최대 GPU 생산 업체입니다.
GPU는 양자 컴퓨터의 양자 연산 장치에도 사용합니다.
유리는 전기가 통하지 않는데 어떻게 하여 전기를 통하게 하나요?
3. 전자의 회전 궤도(Orbital)
전자 궤도(Electron Orbital)와 Octet Rule을 알아야 합니다.전기는 전자가 흘러야 흐릅니다. 전자는 음극에서 양극으로 흐르고, 전기는 양극에서 음극으로 흐릅니다.
그런데 물질 속의 전자는 독특한 물성을 보이면서 원자핵을 구름처럼 회전합니다.
이를 전자 Orbital(궤도) 이라고 합니다.
이 Orbital은 제1 바퀴(2), 제 2바퀴(8), 제 3바퀴(18),.. 순으로 그 정수를 채우면서
원자핵을 중심으로 회전 합니다. 정원은 아니고 구름처럼 회전 합니다.
실리콘의 전자 궤도 정수 모형은 다음 그림과 같습니다.
실리콘의 전자는 14로서 제 1 궤적 정수 2개, 제 2 궤적 정수 8개를 채우고, 제 3 궤적은 4개이지만 이 4개는 불안정합니다. 따라서 이웃 원자의 제 3 궤적 4개와 결합하여 정수 8 개를 만들어 안정적으로 존재 합니다. 이런 성질을 Octet Rule(8 전자 원리)이라고 합니다.
4. 실리콘 반도체 전기 통하기
8 전자 원리로 부도체인 실리콘에 15족 인(P)을 혼합하면 전기가 통하게 됩니다. 인의 전자는 15개로서 제 1 궤적 2, 제 2 궤적 8, 제 3 궤적 5개의 전자 정수로 원자핵을 구름 회전하고 있습니다. 제3 궤적에 있는 실리콘의 4 개와 인의 5 개를 혼합하면 9(4+5=9) 개로서, 8 전자 원리를 충족하고도 1 개의 전자가 남게 됩니다.
이 1 개의 전자를 자유 전자(Free Electron)라고 합니다.
이 1 개의 자유전자가 *실리콘―인 혼합 반도체*에 전기를 흐르게 합니다.
그림으로 자유 전자가 전기를 흐르게 하는 원리를 설명합니다.
그림에서 설명한 대로 *실리콘―인 혼합 반도체*의 자유 전자는 밴드 갭을 넘어서 전도대에 이르러 전기를 통하게 합니다. 자세한 내용은 그림 속 설명을 참조하시기 바랍니다.
이렇게 자유전자가 전기를 흐르게 하는 반도체를 N(Negative) 형 반도체라고 합니다.
이번에는 실리콘에 13족 붕소(원자번호 13)를 혼합하면 가전자대의 전자가 7(3+4=7) 개로서 Octet Rule에 1개가 모자랍니다.
이런 1개의 전자 부족 위치를 정공(Hole) 이라고 합니다. 이 정공으로 주위의 전자 1개가 흐르게 되고, 그 자리에 또 이웃 전자가 흐르는 연쇄반응이 전기를 흐르게 합니다.
이렇게 정공이 전기를 흐르게 하는 혼합 반도체를 P(Positive) 형 반도체라고 합니다.
N형과 P형 반도체를 접합하여 전기 스위치 트랜지스터를 만듭니다.
5. MOSFET 트랜지스터
MOSFET 트랜지스터는 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약자로서 금속산화물 전계 효과 트랜지스터 입니다.
이 트랜지스터는 P형 반도체 기판 위에 N형 반도체를 두 개 접합하여 만듭니다. 전기 통하지 않으면 트랜지스터는 불통입니다.
이런 접합 반도체 구조 위에 금속 산화물 판을 부착하여 Gate를 연결합니다. 두개의 P형 반도체에 Source 와 Drain을 연결합니다.
Gate에 전기를 흘리면 금속 산화물 판에 전기가 흐르고, 그 아래에 P형 반도체 기판에 있는 전자가 몰려서 전자 통로를 만듭니다. 그러면 2 개의 N형 반도체 간에 전자가 흐르게 됩니다. 전자가 흐르면 전기가 흐르는 것입니다.
P형 반도체 간에 흐르는 전자는 MOSFET의 Source와 Drain 간에 전기가 흐르게 합니다. Source와 Drain 간에 전기가 흐르거나 안 흐르는 성질을 전기 스위치로 활용합니다.
그림으로 설명합니다.
이처럼 반도체는 전기 스위치로 사용되는 트랜지스터를 만들 수가 있고, 동시에 그 물성으로 IC의 두께를 나노 단위로 얇게 제작할 수도 있게 합니다. 다른 어떤 물질도 반도체처럼 사용할 수가 없습니다. 이런 물성이 반도체를 AI 산업의 핵심 물질로 만드는 것입니다.
6. 시스템 반도체와 메모리 반도체
시스템 반도체는 컴퓨터의 운영체제(Operation System, OS)에 활용되는 반도체 IC 입니다. AI의 CPU나 GPU에 사용합니다. 대만의 TSMC가 위탁생산(Fabless)의 세계 최대 생산 업체 입니다.
메모리 반도체는 컴퓨터의 Memory(기억 장치)에 활용되는 반도체 IC 입니다. AI의 데이터 저장장치에 사용합니다. 삼성전자와 SK Hynix가 세계 최대 위탁생산 업체들 입니다.
OS와 Memory의 작동 원리는 뒤에 나오는 디지털 논리회로 강의에서 상세하게 설명합니다.
제 3강 디지털 논리회로로 이어집니다.
