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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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스페이스X IPO…가치 2700조 원 [뉴욕=뉴스핌] 김민정 특파원 = 일론 머스크의 로켓·우주선 제조업체 스페이스X가 11일(현지시간) 미국 역사상 최대 규모 기업공개(IPO)의 공모가를 주당 135달러로 확정했다. 이로써 스페이스X는 세계에서 가장 가치 있는 기업 중 하나로 올라서게 됐다. 스페이스X는 이번 IPO를 통해 5억5556만 주 매각으로 사상 최대인 750억 달러를 조달했으며 기업가치는 1조7700억 달러(약 2700조 원)로 평가됐다. 공모 기준 역대 최대 기록이다. 이번 공모는 골드만삭스와 모간스탠리, 뱅크오브아메리카(BofA) 증권, 씨티그룹, JP모간이 공동 주관사다. 스페이스X 주식이 12일 나스닥에서 거래를 시작하면 미국 상장 기업 중 시가총액 7위에 오르게 된다. 다만 회사는 지난해 손실을 기록했고 다른 초대형 기업들의 매출은 스페이스X의 매출을 크게 웃돈다. 종전 사상 최대 IPO는 지난 2019년 12월 사우디 아람코 공모로 당시 1조7100억 달러 가치에 256억 달러를 조달했다. 인플레이션을 감안하면 아람코는 2조2100억 달러 가치에 332억 달러를 조달한 셈이다. 스페이스X 로고와 일론 머스크.[사진=로이터 뉴스핌]2026.05.23 mj72284@newspim.com 스페이스X의 1조7700억 달러 평가액은 발행 주식 130억8000만 주를 기준으로 한 것으로 주관사들이 추가 주식 매각 권리(그린슈)를 행사하면 더 늘어날 수 있다. 이 결정은 통상 공모 후 30일 이내에 이뤄진다. 스페이스X는 이례적으로 큰 비중인 전체 물량의 30%를 개인 투자자 몫으로 배정했다. 또 은행가들과 투자자들이 오랫동안 IPO 조건 협상에 활용해온 로드쇼 이전에 공모가를 결정했다. 머스크는 스페이스X 주식의 더 넓은 매수 기반을 만들 조기 인덱스 편입도 추진해 엇갈린 결과를 얻었다. 강력한 창업자 지배력을 유지하도록 회사 지배구조도 설계했다. 머스크는 IPO 후에도 스페이스X 지분 82%를 보유한다. 지난 2002년 설립된 스페이스X는 자사 사명을 '생명을 다행성적으로 만들고 우주의 진정한 본질을 이해하며 의식의 빛을 별들로 확장하는 데 필요한 시스템과 기술을 구축하는 것'으로 정의한다. 회사는 시장 기회가 28조5000억 달러에 달한다며 이를 인류 역사상 최대 규모라고 표현했다. 회사의 우주 사업은 지난 3년간 궤도에 발사된 질량의 5분의 4 이상을 담당했다. 현재 매출은 스타링크가 대부분을 차지한다. mj72284@newspim.com 2026-06-12 04:59
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윤석열 '北 무인기' 오늘 1심 선고 [서울=뉴스핌] 박민경 기자 = 12·3 비상계엄의 명분을 만들기 위해 평양 무인기 투입 작전을 지시한 혐의로 기소된 윤석열 전 대통령의 1심 선고가 12일 열린다.  서울중앙지법 형사합의36부(재판장 이정엽)는 윤 전 대통령의 일반이적·직권남용 권리행사방해 혐의 선고 기일을 이날 오전 10시30분에 연다. 법원은 언론사의 중계방송 및 비디오 녹화 신청은 허가하지 않았다. 12·3 비상계엄의 명분을 만들기 위해 평양 무인기 투입 작전을 지시한 혐의로 기소된 윤석열 전 대통령의 1심 선고가 오늘 열린다. 사진은 윤 전 대통령. [사진=뉴스핌DB] 일반이적, 위계에 의한 공무집행방해, 허위 명령·보고 등 혐의로 기소된 김용현 전 국방부 장관과 일반이적, 직권남용 권리행사방해 혐의를 받는 여인형 전 국군방첩사령관, 군용물손괴교사, 군기누설 등 혐의를 받는 김용대 전 드론작전사령관에 대한 선고도 함께 진행된다. 법원은 그동안 공공의 이익과 사회적 관심이 큰 사건에 한해 재판 중계를 허가해 왔다. 다만 이번 사건의 경우 국가안전보장과 직결된 사안으로, 판결 주문과 이유 일부가 공개되지 않거나 중계가 제한될 가능성이 있다는 점 등을 고려해 중계 신청을 받아들이지 않은 것으로 설명했다. 윤 전 대통령 등은 북한을 군사적으로 도발해 비상계엄 선포의 명분을 만들 목적으로 2024년 10월경 평양에 무인기를 투입하는 작전을 지시한 혐의를 받는다. 조은석 내란특별검사팀(특검팀)은 지난 4월 24일 군사 기밀 유출 우려 등으로 비공개로 열린 결심 공판에서 윤 전 대통령에게 징역 30년을 구형했다.  이어 특검팀은 김 전 장관에게 징역 25년을 선고해달라고 재판부에 요청했다. 여 전 사령관과 김 전 사령관에게는 각각 징역 20년, 징역 5년을 구형했다. 특검팀은 윤 전 대통령 등이 단순 군사작전이라는 목적을 넘어 비상계엄 여건 조성을 위한 목적과 의도를 가지고 무인기 침투를 지시했고, 평양에 무인기가 추락해 군사적으로도 해를 끼쳤다고 봤다. pmk1459@newspim.com 2026-06-12 06:05
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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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