무어의 법칙은 죽었나?…트랜지스터 비용 하락은 10년 전에 끝났다

무어의 법칙(Moore’s Law). 반도체 산업에서 가장 유명한 이론 중 하나입니다. 인텔의 공동 창립자인 고든 무어(Gordon Moore)가 제시한 법칙으로, 집적 회로에 탑재할 수 있는 트랜지스터 수가 18~24개월 마다 2배로 늘어난다는 이론입니다. 이는 집적 회로 성능이 약 2년마다 2배가 되며, 가격은 절반으로 떨어진다는 뜻입니다.

오늘날에는 이 무어의 법칙이 여전히 유효한지 아니면 과거의 이론인지를 두고 여러 견해가 나오고 있습니다. 엔비디아 CEO 젠슨 황은 최근 몇 년간 “무어의 법칙은 죽었다”고 밝혔습니다. 반면 인텔과 AMD 경영진은 여전히 유효하다고 보고 있습니다. 그러나 최근 구글이 밝힌 리포트에 따른 무어의 법칙은 죽었다고 보는 엔비디아 견해를 보다 뒷받침하고 있습니다.

반도체 기업인 Monolithic 3D의 CEO, Zvi Or-Bach는 최근 한 리포트를 발간했습니다. 해당 내용에 의하면 1억 개 트랜지스터 비용은 지난 2014년 28nm 이후 정체되어 개선되지 않았습니다. 해당 리포트의 주장을 구글 IC 패키징 부서 수장인 Milind Shah가 지난 IEDM 2023 컨퍼런스에서 확인했습니다. 그는 TSMC가 지난 2012년 28nm 평면 공정 기술 양산 이후 트랜지스터 1억개당 원가가 감소하기는 커녕 오히려 올랐다고 지적했습니다.

구글 연구 결과에 의하면 트랜지스터 비용 증가율은 28nm에서 멈췄으며, 세대 간 변동이 미미했습니다. 파운드리 업계는 미세 공정으로 기술이 발전하면서 수익 감소에 대한 우려를 꾸준히 제기했습니다. 7nm, 5nm, 3nm에 이어 이제는 옹스트롬(Ångström, 1 옹스트롬 = 0.1 나노미터) 시대를 보고 있습니다. 그러나 이러한 미세 공정에 쓰이는 핵심 장비, 대표적으로 ASML 노광 장비는 2억 달러 이상으로 매우 비싸며 팹에 들어가는 장비도 매우 복잡해집니다. 이에 최첨단 파운드리 팹 구축에는 200억 ~ 300억 달러가 필요합니다.

이처럼 비용 절감의 효과는 이미 오래전에 끝났는데, 왜 반도체 업계는 계속해서 미세 공정을 추구하고 있을까요? 시스템 수준의 이점이 있기 때문입니다. 엔비디아의 수석 과학자 Bil Dally의 그림을 보면 이해가 빠릅니다. 해당 그림을 보면 칩 내부에서 데이터를 처리하는 것보다 칩 외부의 다른 디바이스와 정보를 주고 받으려면 더 큰 에너지가 사용됩니다. 즉, 효율이 떨어지는거죠.

▲ CPU/GPU의 다이 사이즈 도표

▲ 메모리(SRAM)의 트랜지스터 집적률 향상 도표

그래서 오늘날 CPU와 GPU는 보다 미세 공정을 추구하며 더 각종 구성 요소가 더욱 긴밀하게 통합되여 성능은 물론 효율성이 증가합니다. 하지만 로직 반도체와 달리, 메모리 반도체(SRAM, DRAM, NAND)는 매우 다른 프로세스를 통해 제조됩니다. 서로 다른 웨이퍼에서 생산되며, 미세 공정에 한계가 있습니다. 설상가상으로 SRAM 스케일링은 5nm 공정에서 멈췄습니다.

이러한 맥락이 바탕되면 왜 요즘 반도체 업계가 이제는 공정 미세화가 아닌 칩렛(Chiplet)과 같은 여러개의 칩을 하나로 연결하는 방식으로 발전하는지 이해할 수 있습니다. AMD와 TSMC는 이러한 칩렛, 하이브리드 본딩 기술을 활용해 컴퓨팅 성능을 높이고 있습니다.