반도체에 대한 모든 것(종류. 메모리. 시스템. 뉴로모픽 등)

 우리나라의 명실상부 1등 기업은 어디일까요? 삼성전자입니다. 삼성전자의 주력은 역시 반도체죠. 전 세계적으로도 손에 꼽히는 회사입니다. 경쟁업체로는 대만의 TSMC가 있습니다. 

세계 반도체 파운드리 1위인 대만의 TSMC. 삼성의 반격?

 

 이런 반도체에 대해서 좀 자세히 알고 있으면 좋을거 같다는 생각이 들어서, 공부도 할 겸 전체적으로 정리를 해볼까 합니다.

 

 반도체의 의미와, 메모리 반도체, 시스템 반도체, 뉴로모픽 반도체 등 반도체와 관련된 용어들에 대해서 최대한 자세하게 이야기해보도록 하겠습니다. 

 

반도체

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반도체란?

 

 전기 전도도가 철이나 구리같이 전기를 잘 흐르게 하는 도체와 황이나 고무같이 전기를 거의 흐르게 하지 않는 절연체의 중간에 있는 물질을 말합니다.

 

 대표적인 반도체 물질로는 실리콘, 저마늄(게르마늄), 갈륨, 비소 등이 있습니다.

 

 반도체의 주기율표의 4족에 있는 원소 반도체와 3족, 5족 원소들의 결합으로 이루어지는 화합물 반도체가 있습니다. 

 

 원소 반도체는 한 가지 원소로 구성된 반도체로서 실리콘과 저마늄이 있습니다.

 

삼성전자가 알려주는 반도체

<최초의 반도체>

 1948년 미국 벨연구소가 개발한 트랜지스터이며, 1958년에는 직접회로인 IC가 개발됐습니다. 반도체는 사람의 두뇌와 비교할 때 정보의 기억 역할을 하는 메모리 반도체(D램, 플래시, P램 등)와 암산과 추론 등 정보 처리 연산 기능을 하는 비메모리 반도체(PC의 중앙처리장치)로 나뉩니다.

 

메모리 반도체의 종류

1. D램(Dynamic RAM) : 전원이 끊기면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리. 속도가 빨라 PC나 모바일기기의 시스템 메모리로 주로 쓰입니다.

2. S램(Static RAM) : 메모리의 각 비트의 기억이 전원이 있는 한 유지되는 것

3. 플래시 메모리 : D램과 S램과는 달리 전원이 꺼져도 저장된 정보는 사라지지 않는 비휘발성 메모리로, 스마트폰, 태블릿, USB 드라이브 등에 주로 쓰입니다. 

 플래시메모리는 전원이 끊어져도 저장된 데이터가 지워지지 않는 메모리 반도체입니다. 내부 방식에 따라 셀이 병렬로 연결된 노어 플래시형, 셀이 직렬로 연결된 낸드 플래시형으로 구분됩니다. 

 

 노어플래시는 데이터 처리 속도가 빠른 대신 셀의 구조가 복잡해 집적도를 높이기가 어려운 반면에, 낸드플래시는 데이터 처리 속도는 느리나 셀의 구조가 간단해 집적이 용이합니다.

 

 * 노어플래시 = NOR; not OR

 * 낸드플래시 = NAND; not AND

 

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차세대 메모리 반도체

 

 전원이 끊기면 데이터가 사라지는 D램과 데이터 처리 속도가 느린 플래시 메모리의 단점을 보완한 최첨단 메모리 반도체입니다. 반도체 내부 기본 단위인 셀을 구성하는 물질에 따라서 Re램(저항변화형 메모리), Fe램(강유전체 메모리), P램(상변화 메모리), M램(자성 메모리) 등으로 분류됩니다. 

 

1. M램(Magnetic RAM)

 : 초고속, 저전력으로 동작하며, 전력 공급이 없어도 데이터 보관이 가능한 비휘발성 차세대 메모리입니다. 강자성체의 성질을 이용해서 데이터를 저장하며 플래시 메모리보다 1,000배 이상 빠른 데이터 처리 속도를 가지고 있습니다.

 

2. P램(Phase Change RAM)

: 물질에 전류를 가하면 내부 구조가 변하는 원리를 이용한 비휘발성 반도체로, 크기가 작고 낮은 전압에서도 작동해 차세대 반도체 중 생산 비용이 제일 저렴하며, 고속.고집적화가 쉬워 제품 설계가 용이합니다.

 

3. Fe램(Ferroelectric RAM)

: 비휘발성 컴퓨터 메모리의 한 종류. F램 또는 강유전체 램이라고도 합니다. 높은 내구성과 낮은 전력 소비량이 특징으로 플래시메모리보다 10배 이상 속도가 빠릅니다. 강유전체 분극 특성을 이용해 데이터를 저장하며, 상대적 저비용이 장점이나 고집적화가 어렵고, 반복 사용 및 내구성이 취약합니다.

 

4. Re램(Resistive RAM)

: 전기가 통하지 않는 부도체도 일정 수준 이상 전압을 가하면 미약한 전류가 흐르는 현상을 이용한 비휘발성 메모리로, 금속 전극과 절연막으로 이루어져 있어서 구조가 매우 간단한 편입니다. 내구성과 미세공정에 유리하며, 휴대기기용 플래시 메모리 대체용으로 개발됐습니다. 

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시스템 반도체

 

 정보를 저장하는 메모리 반도체와 달리 디지털화된 전기적 데이터의 연산 및 제어. 변환. 가공 등의 처리 기능을 수행하는 전자 소자를 일컫는 말로, 비공식적인 용어입니다.

 

 해외에서는 논리적인 연산을 수행하는 반도체칩이란 뜻에서 '로직칩'이라고 불립니다. 비메모리 반도체라고도 불리지만 이 역시 해외에서는 사용되지 않는 용어입니다.

 

 시스템 반도체는 메모리 반도체와 LED칩을 제외한 모든 반도체로 여러 기능을 하나의 칩에 통합해 경제성 및 편의성을 극대화합니다.

 

 인텔의 중앙 연산처리장치(CPU), 시스템온칩(SoC) 등이 시스템 반도체의 대표적 소자이며, 장치 종류에 따라 마이크로컴포넌트, 아날로그 IC, 로직 IC 등 논리회로로 구성된 반도체, 주문형 반도체(ASIC), 광학 반도체 등으로 구분됩니다.  

 

 시스템 반도체는 IT 분야는 물론 자동차, 에너지, 의료, 환경 등 다양한 분야와의 융합이 진행 중이며, 특히 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 자율주행차 등으로 대표되는 4차 산업혁명에서 핵심 부품으로 향후 지속적 성장이 전망되고 있습니다. 

 

빅데이터 수도의 구현을 위한 사물인터넷(IoT)

 

아이오타(IOTA)란?(+코디사이드, 사물인터넷, 스테이킹)

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뉴로모픽 반도체

 

 인간의 뇌를 모방한 차세대 프로세서 칩으로 인간의 두뇌를 이루고 있는 시냅스와 뉴런 등의 신경세포를 실리콘 기반의 소자로 구성한 것입니다. 

 

 구체적으로 반도체 칩을 구성하는 코어부의 일부 소자는 뇌의 신경세포인 뉴런의 역할을 담당하고, 메모리는 뉴런과 뉴런을 연결하는 시냅스 기능을 담당합니다. 뉴로모픽 반도체는 인공 뉴런을 병렬로 구성한 구조여서 적은 전력으로 대규모 데이터 알고리즘을 처리할 수 있습니다. 

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팹리스(fabless) VS 파운드리(foundry)

 

팹리스

 반도체 제조시설 없이 설계와 개발만을 수행하는 업체로, 펩리스에서 설계한 회로는 생산 전문업체(파운드리)를 통해 위탁 생산합니다. 스마트폰 통신칩으로 시장지배적 사업자인 퀄컴은 팹리스의 대표적 기업으로 반도체 설계만 하고 생산은 하지 않습니다.

 

 

파운드리

 외부 업체가 설계한 반도체 제품을 위탁받아 생산만 담당하는 업체를 말합니다. 팹(FAB, 반도체 생산공장)을 보유한 전문 생산업체가 수행하며, 초기에 대량 설비 투자비용이 발생합니다. 원래 파운드리는 금속이나 유리를 녹여서 물건을 만드는 공장이라는 뜻입니다. 

 

삼성전자가 알려주는 파운드리