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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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트럼프, 건국 250주년 금화 본인 초상 [서울=뉴스핌] 최원진 기자= 도널드 트럼프 미국 대통령이 자신의 얼굴이 새겨진 24캐럿 기념 금화 발행을 승인하며 '자기 우상화' 논란에 불을 지폈다.  현지시간 19일 로이터 통신에 따르면, 트럼프 대통령이 임명한 인사들로 구성된 연방미술위원회(CFA)는 미국 건국 250주년을 기념해 트럼프 대통령의 초상이 담긴 기념 금화 발행안을 이날 만장일치로 통과시켰다. 도널드 트럼프 미국 대통령의 초상이 담긴 미국 건국 250주년 기념 금화 디자인. 미국 조폐국 제공. [사진=로이터 뉴스핌] 1910년 설립된 CFA는 워싱턴 D.C. 내 연방 공공건물과 기념물 등의 디자인을 심의하는 독립 기관이다. 이번에 승인된 금화는 워싱턴 국립 초상화 미술관에 전시된 사진을 바탕으로, 책상에 기대어 정면을 응시하는 엄숙한 표정의 트럼프 대통령을 묘사할 예정이다. 위원회 심의 과정에서는 금화의 상징성을 극대화하려는 시도가 이어졌다. 올해 트럼프 대통령이 임명한 백악관 보좌관 체임벌린 해리스는 "클수록 좋다"며 직경 3인치(약 7.6cm)에 달하는 대형 금화 제작을 제안했다. 브랜든 비치 미 연방재무관 역시 성명을 통해 "미국 정신과 민주주의를 대표하는 인물로 현직 대통령인 도널드 J. 트럼프보다 더 상징적인 프로필은 없다"며 발행 당위성을 강조했다. 하지만 이번 금화 발행이 법적 허점을 노린 '편법'이라는 지적도 만만치 않다. 미국법상 생존해 있거나 사후 3년이 지나지 않은 대통령의 초상은 유통되는 달러 동전에 새길 수 없다. 트럼프 행정부는 이번 금화를 시중에 유통되지 않는 '수집용(non-circulating)'으로 분류함으로써 이 규제를 피했다는 분석이다. 이에 대해 민주당 제프 머클리 상원의원은 "동전에 자신의 얼굴을 새기는 이들은 군주나 독재자이지 민주주의 국가의 지도자가 아니다"라며 "건국 250주년의 의미를 왜곡하려는 시도"라고 강력히 비판했다. 초당파적 기구인 시민주화자문위원회(CCAC)의 도널드 스카린치 위원 역시 "1926년 쿨리지 대통령의 사례가 있지만, 당시엔 건국 영웅인 조지 워싱턴의 얼굴 뒤에 겹쳐진 형태였다"며 "현직 대통령 단독 초상을 대형 금화에 새기는 것은 차원이 다른 문제"라고 꼬집었다. 트럼프 대통령은 지난해 1월 재집권 이후 자신의 이름을 국가 자산에 각인시키는 행보를 광범위하게 지속해 왔다. 워싱턴의 주요 정부 건물은 물론 차세대 해군 함정의 함급명, 부유층 대상 비자 프로그램, 정부 운영 처방약 웹사이트, 심지어 어린이용 연방 저축 계좌에까지 '트럼프'라는 이름을 붙여왔다. 트럼프 행정부는 이번 기념 금화 외에도 자신의 초상이 새겨진 새로운 1달러 동전의 연내 유통을 제안해 놓은 상태여서, 이를 둘러싼 법적·정치적 공방이 예상된다.  wonjc6@newspim.com   2026-03-20 11:08
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'법정 소란' 권우현 영장심사 시작 [서울=뉴스핌] 박민경 기자 = 한덕수 전 국무총리의 재판 등에서 법정 소란을 일으킨 김용현 전 국방부 장관의 변호인이 20일 구속 기로에 섰다. 서울중앙지법 이지영 영장전담 부장판사는 이날 오전 10시 30분 법정 소동 혐의를 받는 권우현 변호사에 대한 구속 전 피의자 심문(영장실질심사)을 열었다. 권 변호사는 이날 오전 9시 30분쯤 법정 안으로 들어갔다. [서울=뉴스핌] 류기찬 기자 = 한덕수 전 총리 재판에서 법정 소란을 일으킨 김용현 전 국방부 장관 측 권우현 변호사가 20일 오후 서울 서초구 서울중앙지방법원에서 열린 영장실질심사(구속 전 피의자 심문)를 마친 뒤 법원을 나서고 있다. 2026.03.20 ryuchan0925@newspim.com 앞서 서울중앙지검은 김 전 장관의 변호인단 중 한 명인 권 변호사에 대해 경찰이 신청한 구속영장을 법원에 청구했다. 권 변호사는 지난해 11월 서울중앙지법 형사합의33부(재판장 이진관) 심리로 진행된 한 전 총리의 속행 공판에서 김 전 장관의 증인신문 도중 소란을 피워 감치 15일을 선고받았다. 이후 권 변호사는 같은 달 열린 감치 재판에서 "해보자는 것이냐", "공수처(고위공직자범죄수사처)에서 봅시다"라고 발언했고, 재판부는 이를 문제 삼아 감치 5일을 추가로 내렸다. 그러나 이후 서울구치소가 인적사항이 확인되지 않았다는 사유로 수용을 거부하면서 집행 명령이 정지됐다. 대법원 법원행정처는 같은 달 법정모욕·명예훼손 혐의로 경찰에 고발장을 제출했다. 한편 서울중앙지검은 지난 1월 김 전 장관 변호인단인 이하상·권우현·유승수 변호사의 법정 내 품위 손상 행위와 이 변호사의 유튜브 내 모욕적 발언 등을 이유로 대한변호사협회에 징계 개시를 신청했다. 변협은 이 변호사의 유튜브 발언 부분에 대해서만 징계 개시를 청구하고, 법정 내 언행 등에 대해서는 변호인의 조력을 받을 권리를 보호한다는 등의 이유로 기각했다. 검찰은 변협 결정에 대해 지난 12일 이의신청을 제기했다. pmk1459@newspim.com   2026-03-20 11:05
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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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