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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 반도체 설계에서 배우는 상생 원리

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반도체, '0'과 '1'이 공존해야 작동

실리콘 반도체 위에 프로세서나 메모리를 구현하기 위해서는 먼저 디지털 스위칭 기능을 담당하는 트랜지스터가 필요하다. 디지털 신호는 ‘1’과 ‘0’으로 표현하는데, 실제 반도체 내에서는 전자가 채워지거나 전자가 빠져 나간 상태를 의미한다. 그 상태를 만들려면 전류를 공급하기도 하고 전류를 빼 내기도 해야 한다. 이때 전류 스위치가 필요한데 그 역할을 하는 반도체 구조가 트랜지스터(Transistor)이다.

      김정호 카이스트 교수

실리콘 반도체는 대표적으로 CMOS(Complementary metal–oxide–semiconductor) 트랜지스터를 기반으로 설계되고 생산된다. CMOS는 '상보성 금속 산화막 반도체'라는 용어로도 통용된다. CMOS 트랜지스터 구조는 전력 소모가 적고, 단위 면적당 생산량이 높으면서, 신뢰성과, 수율이 높다. 인공지능 서버와 데이터 센터에 쓰이는 들어가는 반도체는 대부분 실리콘 기반 CMOS 트랜지스터 구조라고 보면 된다.

CMOS 구조에는 전류를 공급하는 스위치로 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 종류인 PMOS(P-type MOS field-effect transistor) 트랜지스터가 사용되고 전류를 빼는 역할을 하는 스위치로 NMOS(N-type MOS field-effect transistor) 트랜지스터가 사용된다. PMOS, NMOS 트랜지스터가 합쳐져서 CMOS 스위치 구조가 된다. 그런데 PMOS 트랜지스터에는 전공(hole, 전자가 비는 상태)을 이용해 전류를 흐르게 하고, NMOS 트랜지스터는 전자 자체가 전류를 흐르는 특성을 이용한다.

이 두 가지의 상반된 PMOS, NMOS 트랜지스터가 같이 연결되고 협력해서 디지털 신호 ‘1’과 ‘0’을 주고 받고 저장한다. 이러한 소자들을 연결해서 회로를 만들고, 이 회로들을 연결하고, 시간에 맞추어 동작시키면 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈도 하고 궁극적으로 딥러닝 인공지능 알고리즘도 수행한다.

이처럼 실리콘 CMOS 기반 반도체에는 PMOS, NMOS 라는 서로 다른 성질의 트랜지스터가 공존하면서 조화롭게 협력해서 활동한다. 특히 각자 조화를 위해서 크기, 전류 구동능력, 스위칭에 걸리는 시간도, 균형 있게 조절하여 조화롭게 동작하도록 설계한다. 두 가지가 서로 공존함으로써 가치를 가진다. 디지털에는 ‘1’ 만 존재하지 않고 ‘0’ 만 존재할 수 없기 때문이다.

PMOS, NMOS 트랜지스터로 구성된 CMOS 인버터 회로도와 단면 구조, [출처 : 정보통신용어 해설]

반도체 송수신, 전기적 성질 맞춰야 이뤄져

인공지능 서버나 데이터센터 서버에는 빠른 속도의 데이터 처리를 위해 GPU(Graphic Processor Unit) 와 디램(DRAM)으로 구성된 컴퓨터 기판(PCB, Printed Circuit Board)이 필요하게 된다. 그 기판이 수백 장 수 천장 쌓이면 데이터 센터가 된다.

그런데 이 ‘1’과 ‘0’을 실은 데이터 전자파가 빛의 속도로 날아가는 기판 위의 회로 구조를 전송선이라고 한다. 이 전송선 위에는 전자파가 2가지 종류가 존재한다. 입사파(+z 방향으로 전진하는 전자파)와 반사파(-z 방향으로 꺼꾸로 전파하는 전자파) 2개가 공존한다. 그런데 데이터를 예를 들어 GPU 송신 회로에서 DRAM 수신회로로 보내기 위해서는 입사파만 존재해야 한다. 신호파가 반사해서 돌아오면 곤란하기 때문이다.

그러기 위해서는 전송선 뿐만 아니라 디램의 수신 회로가 서로 협조해야 한다. 그렇지 않으면 데이터가 수신되지 못하고 되돌아 간다. 데이터를 빛의 속도로 보내고 반사를 없애기 위해서는 컴퓨터의 기판 위의 전송선 뿐만 아니라 수신 반도체 회로의 임피던스(Impedance, Z)를 모두 동일하게 맞춰야 한다. 임피던스는 구조나 전송선, 회로, 소자의 전기적 성질을 나타내는 변수로, 컴퓨터나 반도체 설계 시에 항상 맞추어져야 한다.

이 과정을 임피던스 매칭이라고 한다. 우리가 생활 속에서 일상적으로 쓰는 용어로 ‘화합’, 또는 ‘협동’이리고 부를 수 있다. 혼자 성능이 좋다고 되는 것이 아니고 서로 전기적 성질을 조절해서 맞추어야 한다.

고주파 임피던스 매칭을 구현한 인공지능 AI 서버용 HBM(High Bandwidth Memory) 컴퓨터 기판 설계 패턴, [출처: KAIST]

한국 사회도 조화와 상생의 정신 필요

우리 사회는 현재 여러 가지 갈등 문제를 갖고 있다. 그것은 인간과 인류 역사의 본질이기도 하다.

정치적인 관점에서 보면 여야의 대립, 좌우의 대립, 그리고 진보와 보수의 대립이 첨예하다. 경제적인 관점에서 보면 빈부 격차의 확대, 대기업과 중소기업의 차이, 수도권과 지방의 불균형, 서울 강남과 강북의 환경차이가 있다. 그리고 대학 입시의 혼란 문제와 일부 지역의 아파트 값의 급상승이 큰 사회적인 문제를 일으키고 있다. 이 모두 나만 혹은 우리만 잘살고, 돈 벌고, 이익을 보자는 각 개인과 집단의 이익 지상주의에 뿌리를 둔다고 본다.

반도체에서 CMOS 소자의 균형과 상생의 원리를 배울 필요가 있다. 그리고 컴퓨터 신호 전송선에서 실현하는 임피던스 매칭 원리에서 협력와 상생의 원리를 배울 필요가 있다. 특히 일자리 문제와 양극화가 더욱 심해질 수 있는 4차 산업혁명 시대에 이러한 지혜가 더욱 요구된다.

 

joungho@kaist.ac.kr 

  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]  

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BTS, 대규모 월드투어에 외신 주목 [서울=뉴스핌] 이지은 기자 = 그룹 방탄소년단(BTS)가 4월 대규모 월드투어를 진행하는 가운데, 외신의 이목이 집중되고 있다. 방탄소년단은 오는 4월 9일, 11~12일 한국 고양을 시작으로 북미, 유럽, 남미, 아시아 등지를 아우르는 대규모 월드투어에 돌입한다. 현재까지 공개된 일정만 총 34개 도시 79회 공연으로 K팝 역사상 최다 규모다. 방탄소년단 뷔(왼쪽부터), 슈가, 진, 정국, RM, 지민, 제이홉. [사진=뉴스핌DB] 이에 주요 외신들도 잇따라 관련 소식을 전하며 기대감을 높이고 있다. 미국 매체 피플, USA 투데이 등 방탄소년단의 공연 소식을 보도했고 CNN은 "K팝을 전 세계적인 문화 현상으로 탈바꿈시키는 데 결정적 역할을 한 방탄소년단이 돌아왔다"라고 보도했다. 미국 매체 포브스는 "팀 역사상 가장 광범위한 투어 중 하나로 한국 가수 월드투어가 나아갈 새로운 기준을 제시할 것"이라고 평가했다. 이어 "스타디움 중심으로 진행되는 이번 투어는 세계적인 아티스트들과 어깨를 나란히하는 규모다"라고 덧붙였다. 아르헨티나 일간지 클라린은 "방탄소년단의 아르헨티나 방문은 단순한 콘서트를 넘어 문화적 사건"이라며 기대감을 드러냈다. 또 "수도 부에노스아이레스가 보랏빛 꽃으로 물드는 시기에 맞춰 이뤄지는 공연은 그들을 맞이하기에 더없이 완벽한 순간"이라고 보도했다. 방탄소년단은 이번 투어를 통해 처음으로 아르헨티나를 방문한다. 방탄소년단은 월드투어에 앞서 3월 20일 다섯 번째 정규 앨범을 발매한다. 완전체로 약 3년 9개월 만의 신보다. 컴백 분위기는 전 세계 곳곳에서 감지되고 있다. 뉴욕, 도쿄, 런던, 파리 등에서 신보 로고를 활용한 옥외 광고가 진행되고 있다. 서울 광화문 광장 인근 세종문화회관에서 시작된 프로모션이 전 세계 주요 도시로 확산됐다. 대형 전광판을 채운 로고는 SNS에서 빠르게 공유되며 세계인의 이목을 집중시키고 있다. 방탄소년단의 정규 5집에는 총 14개 트랙이 수록된다. 일곱 멤버는 지난 여정 속에서 쌓은 진솔한 감정과 고민을 음악에 녹여 '지금의 방탄소년단'을 보여줄 예정이다. alice09@newspim.com 2026-01-16 08:07
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토큰증권 발행 가능해졌다 [서울=뉴스핌] 채송무 기자 = '주식·사채 등의 전자등록에 관한 법률'(전자증권법) 및 '자본시장과 금융투자업에 관한 법률'(자본시장법) 개정안이 15일 국회 본회의를 통과하면서 토큰증권 발행이 가능해질 전망이다. 토큰증권은 발행·유통 등에 대한 정보를 블록체인 기술 기반의 분산원장에 기재·관리하는 자본시장법상 증권이다. 분산원장을 법적 효력이 부여되는 증권 계좌부로 인정하고 안정성 등을 구비하기 위해서는 법률 개정이 필요했다. [서울=뉴스핌] 윤채영 기자 = [챗GPT 일러스트] 2026.01.13 chaexoung@newspim.com 이날 법 통과로 인해 전자증권법 개정을 통해 정보가 다수 참여자에 의해 시간 순서 등 대통령령으로 정하는 일정한 기준에 따라 기재되고 공동 관리 및 기술적 조치를 통해 무단 삭제 및 사후적 변경으로부터 보호되는 분산원장의 개념을 정의했으며, 이를 통해 분산원장을 증권 계좌부로 이용할 수 있도록 명시해 토큰증권 방식의 증권 발행이 가능해졌다. 이에 따라 분산원장을 이용한 증권계좌 관리, 스마트 컨트랙트 활용도 제고 등이 기대된다. 분산원장은 블록체인 기반의 암호화 및 정보의 공동 관리를 통해 해킹에 의한 정보의 무단 삭제·변경 관련  안전성이 높은 것으로 평가된다. 한편, 토큰증권은 그 실질이 자본시장법상 증권이므로, 증권에 관한 제도가 그대로 적용된다. 예를 들어 자본시장법상 투자중개업 인가를 받지 아니한 사업자가 토큰증권의 중개 영업을 하는 경우 무인가 영업으로 법 위반이 되며, 토큰증권의 공모시 증권신고서 제출·공시 의무도 기존 증권과 동일하게 준수해야 한다. 이와 함께 이날 같이 통과된 자본시장법 개정안을 통해 토큰증권 방식으로 활성화가 기대되는 투자계약증권의 유통이 허용됐다. 투자계약증권은 공동사업에 투자하고 사업 결과에 따른 손익을 귀속받는 자본시장법상 증권의 한 종류다. 기존 자본시장법은 투자계약증권의 비정형적 특성 등을 고려시 유통에 적합하지 아니하다고 보아 증권사(투자매매·중개업자)를 통한 유통을 금지했다. 따라서 투자계약증권은 증권사를 통해 투자자를 모집할 수 없고 발행인이 직접 투자자를 모집하는 방식만 가능했다. 금번 개정안을 통해 투자계약증권도 다른 증권과 마찬가지로 증권사를 통한 중개 대상이 될 수 있으며, 이를 통해 투자계약증권의 투자접근성, 투자정보 제공 등이 제고될 것으로 예상된다. 토큰증권 제도화를 위한 법률 개정안은 분산원장 기반 증권 계좌관리 인프라 신설, 투자자 보호를 위한 세부제도 정비 등을 거쳐 공포 1년 후인 2027년 1월경 시행된다. dedanhi@newspim.com 2026-01-15 17:23
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
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