트랜지스터…손톱 위의 수백억 개 스위치

특집이 공정과 장비와 시장을 다뤄 오는 동안, 정작 주인공의 최소 단위는 건너뛰고 있었다. 오늘은 바닥까지 내려간다. 칩 속에 수백억 개씩 들어 있는 그것, 트랜지스터다.

스위치, 전기가 전기를 여닫는다

트랜지스터의 본질은 스위치다. 다만 손가락 대신 전기 신호가 여닫는 스위치다. 세 개의 단자 중 하나(게이트)에 전압을 걸면 나머지 두 단자 사이에 전류의 길이 열리고, 전압을 끊으면 길이 닫힌다. 전기로 전기를 제어하는 구조라서, 스위치의 출력이 다른 스위치의 입력이 될 수 있다. 이 연쇄가 모든 것의 시작이다.

이것이 가능한 재료가 반도체(규소)다. 이름 그대로 도체와 부도체의 중간이라, 불순물을 심고(8대 공정의 이온주입) 전압을 거는 방식에 따라 전기가 통하는 정도를 설계할 수 있다. 웨이퍼 기사에서 본 그 순수한 규소 원판은, 결국 수백억 개의 스위치를 심기 위한 밭이었다.

스위치가 계산이 되는 길

켜짐을 1, 꺼짐을 0으로 읽으면 스위치는 숫자가 된다. 스위치 몇 개를 엮으면 “둘 다 켜져야 켜지는” 조합(AND), “하나만 켜져도 켜지는” 조합(OR) 같은 논리 회로가 되고, 논리 회로를 쌓으면 덧셈기가, 덧셈기를 쌓으면 프로세서가 된다. D램의 저장 한 칸도 트랜지스터와 축전기의 조합이고, AI 가속기의 행렬 연산 장치도 결국 이 스위치들의 거대한 편성이다. 복잡한 것은 원리가 아니라 규모다.

작을수록 강한 이유, 미세화의 삼중 이익

특집 내내 등장한 “미세화”의 동기가 여기서 설명된다. 스위치가 작아지면 세 가지가 동시에 좋아진다. ① 같은 면적에 더 많이(집적도·기능), ② 신호가 오갈 거리가 짧아져 더 빨리(속도), ③ 여닫는 데 드는 전기가 줄어 더 아껴(전력). 무어의 법칙이 60년을 달린 동력도, EUV 노광에 조 단위를 태우는 이유도, 데이터센터 전기 기사의 “와트당 성능”도 전부 이 삼중 이익의 다른 표현이다.

물론 공짜가 아니다. 원자 몇 개 수준까지 작아진 스위치는 새기기 어렵고 (수율), 전류가 새기 쉬워 구조 자체를 3차원으로 다시 설계해 왔다. 평면을 넘어 지느러미 모양으로, 다시 겹겹이 둘러싸는 구조로, 스위치 하나의 모양이 세대마다 바뀌는 중이다.

• 01

  본질은 스위치

  전기로 여닫는 스위치의 켜짐·꺼짐이 1과 0, 모든 디지털의 바닥이다.

• 02

  복잡함 = 규모

  원리는 단순하고 규모가 복잡하다. 수백억 개의 단순한 것이 만드는 지능, 그것이 칩이다.

• 03

  미세화의 삼중 이익

  더 많이·더 빨리·더 아껴, 특집의 노광·무어·전력 기사가 전부 이 한 줄로 연결된다.

스위치 덩어리에 붙는 값

이 작은 스위치가 산업이 되는 지점은 값에 있다. 도토리 창고의 2026년 7월 통계에서 반도체(HS 8542) 수출은 kg당 19,479달러였다. 1년 전 7,230달러에서 2.7배가 됐고, 같은 기간 중량은 오히려 1.2% 줄었다.

무게는 그대로인데 값이 뛰었다는 것은, 같은 실리콘 덩어리 안에 든 스위치의 수와 정밀도가 달라졌다는 뜻이다. 반도체 산업의 부가가치가 재료가 아니라 구조에서 나온다는 사실이 이 한 줄에 담겨 있다.

실무에서 틀리기 쉬운 지점

첫째, 「몇 나노 공정」을 트랜지스터의 실제 크기로 읽는 것. 지금의 공정 이름은 물리적 치수라기보다 세대를 가리키는 이름에 가깝다. 같은 「나노」라는 단위가 붙어도 빛의 파장이나 실제 선폭과는 다른 숫자다.

둘째, 스위치를 작게 만드는 일만 경쟁이라고 보는 것. 작게 만드는 길이 어려워지면서 위로 쌓거나 옆으로 붙이는 쪽으로도 경쟁이 옮겨 갔다. 미세화와 적층은 같은 목표를 향한 두 갈래 길이다.

셋째, 트랜지스터를 켜고 끄는 부품으로만 이해하는 것. 켜짐과 꺼짐 사이에서 새는 전류가 곧 발열이고, 발열이 성능의 상한을 정한다. 전력 문제는 부수적인 것이 아니라 설계의 본론이다.

넷째, 재료가 값을 정한다고 보는 것. 위 단가가 그 답이다. 같은 무게에 2.7배의 값이 붙는 산업에서 가격을 정하는 것은 원재료가 아니라 그 안에 새긴 구조다. 자세한 해부는 수출 단가 기사에 있다.