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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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리사 수, 전영현 부회장과 만찬..."아주 좋은 대화 나눴다" [서울=뉴스핌] 이승우 기자 심재민 인턴기자 = 리사 수 AMD 회장 겸 최고경영자(CEO)가 7일 삼성전자 서초사옥을 직접 찾아 전영현 삼성전자 대표이사 겸 디바이스솔루션(DS)부문장 부회장 등 주요 경영진과 만나 양사의 파트너십에 대해 논의했다. 이날 만남의 핵심 의제로 꼽힌 AMD와 삼성의 '파트너십'에 대해 수 회장이 "아주 좋은 대화를 나눴다"고 밝혔다. 고대역폭메모리(HBM)와 DDR5에서 시작된 양사의 협력이 파운드리, 피지컬 AI 등 AI 반도체 전반으로 확대될 수 있다는 기대감이 높아졌다. [서울=뉴스핌] 심재민 인턴기자 = 리사수 AMD CEO가 삼성전자 서초사옥으로 빠져나가고 있다. 2026.10.07 flurry327@newspim.com ◆ "파트너십에 대해 아주 좋은 대화 나눴다" 수 회장은 이날 오후 4시44분께 검은색 차량을 타고 서울 서초구 삼성전자 서초사옥에 도착했고, 오후 8시경까지 전 부회장을 비롯한 경영진과 만찬을 즐겼다. 이날 밤 늦게 출국을 앞두고 빡빡한 일정을 소화했다. 수 회장은 사옥에 들어서기 직전 삼성과 논의할 핵심 의제를 '파트너십'이라고 짧게 밝혔다. 현장에서 '어떤 이야기를 나눌 예정이냐'는 취재진 질문에 수 회장은 "파트너십 얘기를 할 것"이라고 답했다. '이재용 삼성전자 회장도 만나느냐'는 질문에는 "Too much information(너무 많은 정보가 있다)"라며 즉답을 피했다. 삼성전자 측에서는 김재준 삼성전자 메모리사업부 부사장과 조상연 삼성전자 DSA법인장(부사장)이 수 회장을 사옥 1층에서 영접했다. 수 회장은 이날 서초사옥에서 전 부회장과 약 7개월 만에 재회했다. 둘은 지난 3월 삼성전자 평택사업장에서 차세대 AI 메모리 협력을 위한 업무협약(MOU)을 체결하기 위한 만났다. 생산라인도 둘러보며 메모리와 파운드리를 아우르는 협력 가능성을 살펴보기도 했다. 만찬이 끝난 뒤 수 회장은 "삼성은 우리에게 훌륭한 파트너이고 전략적으로 좋은 논의를 나누고 있다"며 "오늘 대화 역시 아주 좋았다"고 말했다. 고대역폭메모리(HBM)와 DDR5에서 시작된 양사의 협력이 파운드리 등 AI 반도체 전반으로 확대될 수 있다는 기대감이 높아졌다. [서울=뉴스핌] 심재민 인턴기자 = 리사수 AMD CEO가 삼성전자 서초사옥으로 들어가고 있다. 2026.10.07 flurry327@newspim.com ◆HBM 넘어 파운드리·피지컬AI까지 협력 넓히나 삼성전자와 AMD의 협력이 메모리를 넘어 파운드리로 확대될지가 이번 회동의 핵심 관전 포인트다. 수 회장은 이날 서울 용산구 드래곤시티에서 열린 'AMD 게이머 데이'에서 "삼성은 여러 영역에서 좋은 파트너"라며 "파운드리를 비롯한 여러 영역에서 삼성과 계속 협력할 수 있을 것으로 본다"고 말했다. AMD가 AI 가속기 공급을 빠르게 늘리는 가운데 향후 삼성전자의 첨단 공정을 활용한 생산 협력으로 이어질 가능성도 열어둔 셈이다. 양사는 이미 HBM과 DDR5 등 차세대 AI 메모리 분야에서 협력을 구체화하고 있다. 지난 3월 체결한 업무협약(MOU)에는 삼성전자가 AMD의 차세대 AI 가속기 '인스팅트 MI455X'에 6세대 HBM인 HBM4를 공급하고, 랙 단위 AI 서버 플랫폼 '헬리오스'와 차세대 서버용 CPU에 쓰이는 고성능 DDR5에서도 협력을 확대하는 내용이 담겼다. AI 가속기 시장이 커질수록 AMD로서는 안정적인 HBM 공급망 확보가 중요하고, 삼성전자 역시 차세대 HBM 고객을 확보할 수 있다는 점에서 이해관계가 맞닿아 있다. 수 회장은 삼성과의 관계를 중장기 전략적 파트너십으로 강조했다. 그는 "삼성은 AMD의 가장 전략적인 파트너 중 하나이며 HBM, DDR5 등 메모리와 여러 기술에 집중하고 있다"며 "단기적인 1~3년 파트너십이 아니라 3~5년 이상의 중장기 파트너십을 중요하게 보고 있다"고 말했다. 이어 "장기적으로 탄탄한 공급망을 구축하려면 파트너사와 가깝게 일하는 게 중요하다"고 덧붙였다. 파운드리에 대해 구체적으로 무슨 이야기를 나눴는지는 밝히지 않았다. 수 회장은 만찬 이후 '파운드리 분야에 대한 논의에 진전이 있었나'라는 취재진의 질문에 "전반적으로 매우 폭넓은 파트너십을 맺고 있다"고 답했다. 피지컬 AI 분야 협력 가능성도 제기된다. AMD가 최근 페이페이 리 스탠퍼드대 교수가 설립한 AI 스타트업 월드랩스를 82억 달러에 인수하면서 피지컬 AI 특화 반도체 개발에 뛰어들 것이라는 분석이 뒤따르고 있다. 수 회장은 삼성전자와 피지컬 AI 협력에 대해서 "앞으로 아주 다양한 분야에서 함께 협력할 것"이라고 말했다.  raul1649@newspim.com 2026-10-07 21:41
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'여고생 살해범' 장윤기, 1심 무기징역에 불복해 '항소' [서울=뉴스핌] 김신영 기자 = 성범죄를 목적으로 귀가하던 여고생을 납치하려다 살해한 장윤기(23)가 1심 무기징역 판결에 불복해 항소했다. 7일 법조계에 따르면 장윤기는 이날 광주지법 형사13부(이정호 부장판사)에 항소장을 제출했다. 재판 과정에서 공소사실을 모두 인정했으나 항소 기한 마지막 날인 이날 판결에 불복했다. 광주에서 여고생을 흉기로 살해한 장윤기(24)가 5월 7일 오전 광주지법에서 열린 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)을 받고 나오고 있다. [사진 = 뉴스핌DB] 장윤기에게 사형을 구형했던 공소청도 지난 2일 항소했다. 앞서 1심 재판부는 성폭력범죄의 처벌 등에 관한 특례법상 강간살인 등 혐의로 기소된 장윤기에게 무기징역을 선고했다. 위치추적 전자장치 부착과 아동·청소년 및 장애인 관련 기관 취업제한 10년도 명령했다. 강간살인죄의 법정형은 사형 또는 무기징역이다. 장윤기는 지난 5월 5일 오전 0시 10분쯤 광주 광산구 월계동 거리에서 귀가 중이던 이채원(당시 16세·고교 2학년) 양을 차량으로 납치해 성폭행하려다 뜻대로 되지 않자 살해한 혐의로 기소됐다. 피해자의 비명을 듣고 달려온 고교 2학년 남학생에게 흉기를 휘두른 혐의도 받는다. 이 밖에도 범행 이틀 전 아르바이트 동료 여성을 스토킹하고 성폭행한 혐의, 사회복무요원으로 근무하던 당시 청소년 여성의 신체를 몰래 촬영한 혐의 등이 적용됐다. sykim@newspim.com 2026-10-07 20:42
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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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