반도체

수도꼭지를 돌려 물의 흐름을 멈추거나 콸콸 쏟아지게 조절하는 모습을 떠올려 보세요. 반도체라는 물질로 만든 트랜지스터가 바로 눈에 보이지 않는 전기를 다루는 가장 정밀한 전자 수도꼭지예요. 일상에서 '반도체'라고 하면 이 물질로 만든 칩을 가리키기도 해요.

구리선처럼 전기가 무조건 통하는 물질(도체)은 전기 신호를 켜고 끄기가 매우 어려워요. 반대로 고무처럼 전기가 전혀 통하지 않는 물질(부도체)은 신호 자체를 만들어 전달할 수 없죠. 반도체로 만든 트랜지스터는 외부에서 전압 신호를 줄 때만 전기가 흐르도록 조절할 수 있어서 전기의 흐름을 매우 정밀하게 다룰 수 있어요.

이 똑똑한 조절 능력 덕분에 반도체는 컴퓨터가 세상을 이해하는 기본 언어인 '0(전기 꺼짐)'과 '1(전기 켜짐)'을 1초에 수십억 번씩 번개처럼 빠르게 만들어낼 수 있어요.

반도체를 만드는 가장 대표적인 원재료는 놀랍게도 바닷가 모래사장에서 흔히 볼 수 있는 모래의 주성분인 이산화규소에서 얻는 실리콘(규소)이에요. 이산화규소가 많은 규석을 탄소와 함께 높은 온도로 가열해 산소를 떼어내고, 정제를 거듭해 극도로 높은 순도로 만든 실리콘을 녹여 둥근 기둥으로 뽑아낸 뒤, 이를 얇은 원판 형태로 썬 것을 웨이퍼(반도체 원판)라고 불러요.

이 거울처럼 매끄러운 웨이퍼 위에 첨단 빛 기술을 이용해 눈으로는 전혀 볼 수 없을 만큼 미세한 전기 회로를 수없이 새겨 넣어요. 그 결과 손톱만 한 조각 안에 수십억 개가 넘는 초미세 스위치가 빈틈없이 자리를 잡게 돼요.

이 수많은 스위치가 일제히 작동하며 복잡한 계산을 처리하기 때문에 스마트폰, 인공지능 서버, 자율주행 자동차 같은 현대 문명의 첨단 기기가 움직일 수 있어요. 반도체를 두고 '현대 산업의 쌀'이라고 부르는 이유가 바로 여기에 있어요.

조금 더 정확히 나누어 보면, 반도체 칩은 크게 정보를 저장하는 메모리 반도체와 그 밖의 기능(연산·제어·센서 등)을 맡는 시스템 반도체로 나눠요. 이 밖에 LED나 전력 반도체 같은 종류도 있어요.

정보를 저장하는 반도체는 '메모리 반도체'라고 불러요. 스마트폰을 껐다 켜도 사진이나 음악 파일이 사라지지 않게 보관하는 낸드플래시나, 여러 앱을 띄워두고 빠르게 작업할 수 있게 돕는 디램(DRAM)이 여기에 해당해요.

반대로 입력된 명령을 연산하고 전체 기기를 지휘하는 두뇌 역할은 '시스템 반도체'가 맡아요. 스마트폰의 메인 두뇌인 AP나 컴퓨터의 중심인 CPU, 인공지능 연산(주로 추론)을 빠르게 처리하는 NPU가 대표적인 예예요. 우리는 전자기기 안에서 기억하는 뇌와 생각하는 뇌를 모두 반도체라는 놀라운 기술로 구현하고 있는 셈이에요.