‘무어의 법칙’이란 인텔의 공동 설립자인 고든 무어(Gordon Moore)가 1965년에 했던 말에서 유래한 것으로서, 마이크로프로세서에 저장할 수 있는 데이터의 양이 매년 2배로 증가한다는 법칙이다. 다시 말하면 반도체의 성능이 매년 2배로 늘어난다는 의미인데, 1년이 2년으로 수정되었다가 나중에 18개월로 정착되었다.
이 법칙대로 컴퓨터의 처리 속도와 메모리 양은 평균 2년마다 2배씩 개선됐고, 그 덕분에 소비자들은 더욱 강력하면서도 가격은 인하된 개인용 컴퓨터와 랩톱, 스마트폰 등을 구매할 수 있었다.
지난 9월 30일부터 10월 4일까지 벨기에의 브뤼셀에서 개최된 ‘2012 EUVL 심포지엄’에 참석한 전문가들은 차세대 노광 기술로 기대되는 EUV(extreme ultraviolet ; 극자외선) 리소그래피 기술의 개발이 지연됨으로써 무어의 법칙도 이제 한계를 보이기 시작했다는 데 견해를 일치시켰다.
리소그래피(lithography)란 감광성의 물질을 부분적으로 노광하여 패턴을 생성하는 기술로 반도체 및 집적회로, 인쇄용판을 작성하는 데 이용된다. 무어의 법칙 자체를 2013년에도 지속적으로 가능하게 만드는 기술은 ‘EUV 리소그래피’ 기술로 알려져 있는데, 이를 통해 화학적으로 반도체에 대한 구성요소들을 중심으로 실리콘을 만들 수 있는 것으로 전해진다. EUV 리소그래피 기술은 가시광선보다는 엑스레이에 근접한 자외선을 사용하는 것이 특징이다.
반도체 업계는 차세대 반도체로서 회로 선폭이 14나노미터인 제품을 목표로 삼고 있지만, 현재 나와 있는 테스트용 EUV 노광 장비로는 그 목표를 실현할 수 없다. EUV 리소그래피용 광원은 과거 3년간 20배로 강해졌으나, 이 기술을 실용화하려면 향후 2년간 광원을 지금보다 20배나 더 강하게 해야 하기 때문이다.
이에 따라 14나노미터 프로세스의 실용화를 목표로 삼고 있는 반도체 업계의 차세대 기술은 16나노미터 또는 17나노미터 머물 것으로 예상된다는 것.


2년 이내의 실용화는 상당히 어려워



벨기에의 연구기관인 IMEC에서 최신 리소그래피 프로그램을 담당하는 Kurt Ronse 디렉터는 심포지엄에서 “EUV 리소그래피 기술이 확립되면 무어의 법칙에 근접할 수 있으며 현재 EUV 리소그래피용 광원이 다양한 재료를 사용해 개발되고 있다”고 전하면서도 “가까운 장래에 EUV 리소그래피 기술이 확립되는 것은 확실하지만 2년 이내의 실용화는 상당히 어렵다”고 밝혔다.
현재 EUV 리소그래피 기술에서 가장 앞서 있는 기업은 네덜란드의 ASML인데, 인텔은 지난 7월 이 회사의 지분 15%를 인수하고 연구개발 활동에도 10억 달러를 추가로 투자할 방침이라고 밝혔다.
또한 그동안 EUV 리소그래피 기술에 대해 그다지 관심을 표방하지 않은 삼성전자도 지난 8월 27일 ASML의 지분 인수와 연구개발에 7억7천900만 유로를 투자하기로 했다고 공시를 통해 밝혔다.
반도체 집적 기술이 이미 한계에 도달해 무어의 법칙이 곧 폐기될 것이라는 주장은 이전부터 있어 왔다. 대표적인 인물이 뉴욕시립대학의 미치오 카쿠 교수(물리학)이다. 그는 소형화 및 파열, 이탈 등의 문제 때문에 무어의 법칙이 한계에 도달했다고 2003년부터 주장해 왔다.
하지만 인텔은 앞으로 최소한 10년까지는 무어의 법칙이 유효할 것이라는 입장이다. 인텔은 2013년까지 14나노 공정, 2015년을 전후해 10나노, 향후 10년 내 7나노 및 5나노 수준까지 발전시킬 계획이라고 밝힌 바 있다.
인텔은 EUV 리소그래피 기술의 도입이 여의치 않을 경우 기존의 액침 리소그래피의 패터닝을 5배로 늘려 2013년에 14나노미터 노드, 2015년에 10나노미터 노드를 실용화할 계획이라고 밝혔다. 인텔 측에 의하면 이 방법으로는 시간과 비용이 많이 들지만 그래도 반도체 제조의 효율화는 도모할 수 있다고 한다.


무어의 법칙 파기할 수 있는 연구결과들



한편, 완전히 새로운 형태의 컴퓨팅이 출현해 무어의 법칙을 파기하고 지금보다 데이터 처리 성능이 급성장할 가능성도 있다.
지난 2월 호주의 뉴사우스웨일스 대학 연구팀은 한 개의 인(P) 원자로 구성된 단원자 트랜지스터를 개발하는 데 성공했다고 발표했다. 인 원자 1개를 규소 기판 위에 배치하고 전극을 부착해 전류를 제어하는 데 성공한 것.
이는 확률에 의존했던 기존의 방법과는 달리 주사터널링 현미경으로 원자를 조작해 반복 생산이 가능하다는 점에서 주목할 만하다. 향후 이 같은 단원자 트랜지스터의 양산에 성공할 경우 양자 컴퓨터 시대가 열리는 데 큰 역할을 할 것이라고 연구진은 주장했다.
하지만 문제는 이 이론이 영하 391도에서만 작동하며, 수많은 원자들을 오차 없이 배열해야 하는 등 현실화에 많은 걸림돌이 있다는 점이다.
올 초엔 IBM에서 하드디스크나 플래시메모리의 같은 크기에 기존보다 100배 많은 용량을 저장할 수 있는 기술을 개발해 화제를 모았다. 이전까지 비트 저장 크기는 100만 원자였지만, IBM은 데이터 비트 크기를 12개의 자성 원자로 줄이는 메모리 기술을 개발한 것.
또 현재의 스토로지는 강자성체를 재료로 사용해 원자의 회전이 정렬되거나 같은 방향으로 진행되는 데 반해 IBM은 반강자성체를 활용해 원자들이 반대 방향으로 회전하게 한 것이 특징이다.
사이언스지에 게재된 이 이론은 드라이브의 크기를 줄이고 속도와 에너지 효율성을 획기적으로 높이는 등 저장매체의 물리적 한계를 뛰어넘은 연구성과로 화제를 모았다.
컴퓨터 칩에 장착하는 트랜지스터의 크기를 계속해서 줄이는 것이 어려워지고 있는 상황에서 트랜지스터를 3차원으로 쌓는 방법도 연구되고 있다. 지난해 11월 네덜란드 트벤터 대학 및 ASML 등의 공동 연구진은 실리콘으로부터 3차원 구조를 만들 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 이 방법이 전기적 신호 대신에 광학적 비트를 사용한 훨씬 더 빠른 형태의 컴퓨터인 광학 컴퓨터의 제작을 가능하게 해줄 수 있다고 주장했다.