반도체의 미래 (1) 메모리 반도체와 시스템 반도체

 

🛠️ 반도체는 지금 레드오션이다. 50년 전 무어가 예측한 반도체의 직접도가 2년마다 2배로 증가한다는 '무어의 법칙'이 지금까지 유지되고 있다. 2010년 삼성전자가 20nm급 반도체를 생산했고, 그 이후 현재 대만의 TSMC에서 이미 1nm 미세회로 반도체가 개발되었다. 반도체 기업들을 서로 앞다투어 더 작고, 더 스마트한 반도체를 개발하려고 목숨을 건다. 더이상 개발될 것이 없어 보일 만큼 충분히 성능 좋은 CPU가 개발되었지만, AI기술을 접목한 AI 반도체의 개념이 등장하면서 반도체는 새로운 국면을 맞았다. 블록버스터 영화처럼 긴장 넘치는 그 과정과 최신동향을 짚어보자.

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반도체를 이해하려면 먼저 메모리 반도체와 시스템 반도체라는 것을 알아야 한다. 

메모리반도체는 정보를 저장하고 기억하는 반면 시스템 반도체는 추론 및 연산 등 정보를 처리한다.

 

 

메모리반도체

1. RAM (Random Access Memory)

이진 데이터를 array에 저장한다. 전체 또는 일부 데이터를 쉽게 바꾸고 다시 RAM에 저장할 수 있다. 이로 인해, RAM칩을 종종 읽기/쓰기 메모리(Read and Write memory) 라고도 한다. 대부분의 RAM 칩에 저장된 데이터는 휘발성이다.

 

• DRAM (Dynamic Random Access Memory)

하나의 트랜지스터와 커패시터로 구성되어 있고, 데이터는 전하 형태로 커패시터에 저장된다. 저장된 전하는 주기적으로 복구되어야 하고, 그렇지 않으면 방전되어 소실된다. 복구 동작은 초당 수백 번씩 자동적으로 이루어진다.

• SRAM (Static Random Access Memory)

데이터를 저장하기 위해 플립플롭을 사용하는 칩. DRAM처럼 끊임없이 전하의 저장상태를 복구하는 과정이 필요 없어진다. 그렇지만 동일한 양의 데이터를 저장하기 위해 더 많은 소자들을 필요로 한다.

 

*플립플롭이란?

클럭 신호에 따라 입력을 받는 순차회로의 기본요소로 1비트의 정보를 보관 및 유지할 수 있는 기억소자

 

 

2. ROM (Read Only Memory)

데이터에 접근할 수는 있지만 쓸 수는 없다. ROM칩에 있는 데이터는 비휘발성이다.

 

• 읽기 전용 메모리(EPROM - Erasable Programmable ROM)

데이터를 지우고 다시 쓰는 것이 어렵다. 이 과정에서 자외선(UV)가 필요하다

 

• 전기적으로 지우고 쓸 수 있는 읽기 전용 메모리 (EEPROM - electrically Erasable Programmable ROM)

전기적인 방법으로 지우고 쓰므로, 회로 카드에서 칩을 빼지 않고도 다시 프로그래밍 할 수 있다.

 

시스템반도체

시스템 반도체는 정보를 저장하는 것이 아닌 정보를 처리하는 것을 목적으로 한다.

ex) 중앙처리장치 (EPU), 그래픽처리장치(GPU)

 

• Fabless(팹리스)

설계를 전문으로 하는 회사 ex)애플, 구글, 테슬라, 인텔, ARM, 퀄컴, 엔디비아

• Foundry(파운드리)

설계 전문회사가 주문한 반도체를 전문 생산하는 회사 - ex) 대만 TSMC, 한국 삼성전자, SK 하이닉스

 

폰 노이만 구조

나열된 명령을 순차적으로 CPU가 처리하고, 이 명령을 담은 프로그램과 데이터를 읽고 쓰는 활동이 모두 메모리에 기반을 두고 이뤄진다는 특징이 있다.

*폰 노이만 병목현상:

프로그램 및 데이터가 저장되는 메모리가 연상 장치와 구분되어 있어, 시스템반도체의 성능이 아무리 높아지더라도 메모리에서 데이터를 불러오는 속도가 이를 따라가지 못하는 시스템의 성능 저하 현상을 말한다.

 

출처: 

(1) 위키백과

(2) 과학동아 2021년 7월호