중국, 토토 롤링 대신 2D 소재로 '역대 가장 빠른' 칩 기술 개발

베이징대학(北京大學) 연구팀이 토토 롤링을 사용하지 않는 혁신적인 반도체 기술을 개발해 칩 성능의 한계를 뛰어넘었다고 발표했다. 이번 연구는 중국이 미국의 반도체 제재를 우회하는 '차선 변경' 전략을 통해 첨단 칩 경쟁에서 새로운 돌파구를 마련했음을 보여준다고 11일(현지시각) 홍콩에서 발행되는 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

펑 하이린(彭海琳) 물리화학 교수가 이끄는 연구진은 자체 개발한 2D 트랜지스터가 인텔과 TSMC의 최첨단 3나노미터 토토 롤링 칩보다 40% 더 빠르게 작동하면서 10% 적은 에너지를 소비할 수 있다고 밝혔다. 베이징대학은 공식 성명을 통해 이를 "역대 가장 빠르고 효율적인 트랜지스터"라고 소개했다.

펑 교수는 "기존 토토 롤링를 기반으로 한 칩 혁신이 '지름길'로 간주된다면, 2D 토토 롤링 기반 트랜지스터 개발은 '차선 변경'과 유사하다"며 "이 길은 현재의 제재로 인해 필요에 의해 탄생한 것이지만, 연구자들이 새로운 관점에서 해결책을 찾도록 만들었다"고 설명했다.

연구팀에 따르면 비스무트 기반 트랜지스터는 동일한 작동 조건에서 인텔, TSMC, 삼성, 벨기에 대학 간 마이크로일렉트로닉스 센터의 가장 진보된 동급 장치보다 성능이 뛰어났다. 특히 이 기술은 미국 주도의 제재로 인해 중국에서 세계 최첨단 토토 롤링 기반 트랜지스터를 생산할 수 없는 상황에서, 기존 처리 기술을 사용하여 제작할 수 있다는 점이 주목할 만하다.
지난 2월 '네이처 머티리얼즈'에 발표된 연구 논문에 따르면, 펑 교수의 팀은 베이징대학 전자대학의 치우 쳉광(邱成光) 교수가 이끄는 그룹과 협력하여 토토 롤링 게이트 만능 전계 효과 트랜지스터(GAAFET)를 제작했다.

전통적인 토토 롤링 기반 반도체는 미세화가 진행됨에 따라 기술적 한계에 직면해왔다. 트랜지스터가 특정 크기 이하로 줄어들면 전력 소비가 증가하고 다양한 문제가 발생하기 때문이다. 이 문제는 1990년대 초에 핀펫(FinFET) 구조로 일부 해결되었으나, 3나노미터 이하의 공정에서는 핀펫 역시 한계에 봉착했다.

중국 연구팀은 기존의 '고층 빌딩' 형태의 트랜지스터 구조를 '얽힌 다리' 형태의 구조로 바꾸는 GAAFET 설계를 채택했다. 이 설계는 게이트와 채널 사이의 접촉 면적을 증가시켜 성능을 향상시킨다. 토토 롤링 기반 칩을 2나노미터 공정으로 발전시키는 데 도움이 된 이 설계는 반도체 산업에서 이미 인정받고 있다.

그러나 이 연구의 진정한 혁신은 소재에 있다. 연구팀은 토토 롤링 대신 얇고 균일한 원자 두께와 더 높은 이동성을 가진 2D 반도체 소재를 선택했다. 그들은 게이트용 고성능 반도체(Bi2O2Se)와 고유전체 산화물 소재(Bi2SeO5)를 독자적으로 개발해 기존 2D 소재의 한계를 극복했다.

연구진에 따르면 이 토토 롤링의 높은 유전 상수는 매우 얇고 누출이 없는 게이트 구조를 가능하게 하여, 스위칭 전류에 필요한 전압을 줄이고 컴퓨팅 성능을 향상시키는 동시에 에너지 사용 및 누출을 줄인다.

두 토토 롤링 간의 계면 에너지는 다른 일반적인 반도체-산화물 계면보다 훨씬 낮은 것으로 확인됐다. 이는 연결이 최소한의 결함으로 매끄럽게 이루어졌음을 의미한다. 펑 교수는 "이는 전자 산란과 전류 손실을 줄여, 물이 매끄러운 파이프를 통해 이동하는 것처럼 전자가 거의 저항 없이 흐를 수 있게 한다"고 설명했다.

이 기술적 돌파구는 펑 교수 팀이 10년 전 Bi2O2Se/Bi2SeO5 소재 시스템을 발견한 이후, 적외선 감지기, 센서, 양자 홀 장치 등을 개발해온 장기적 연구의 결실이다. 그는 "이 연구는 2D GAAFET가 상용 토토 롤링 기반 트랜지스터와 유사한 성능과 에너지 효율성을 보여주며, 차세대 기술 노드의 유망한 후보임을 입증했다"고 강조했다.

연구팀은 현재 대량 생산을 위해 장치를 확장하는 작업을 진행 중이며, 제조 정밀도가 향상됨에 따라 성능이 토토 롤링 장치를 더욱 앞지를 것으로 예상하고 있다. 이들은 이미 초저 작동 전압에서 높은 전압 이득을 달성한 트랜지스터를 기반으로 소형 논리 장치를 구축했으며, 이는 향상된 회로 성능, 감소된 전력 소비, 개선된 잡음 내성으로 이어질 수 있다고 전망했다.

이번 연구는 미국의 반도체 제재가 오히려 중국의 기술 혁신을 촉진하는 역설적 결과를 가져왔음을 보여준다. 전문가들은 중국이 기존 토토 롤링 기반 반도체 기술 경쟁에서 뒤처진 상황에서, 차세대 소재로의 '차선 변경'을 통해 기술적 도약을 이루고 있다고 평가한다.


신민철 토토 롤링 기자 shincm@g-enews.com