SF 영화의 우주선이나 연구소 따위 컴퓨터들은 여전히 실리콘 기반 집적 회로를 사용하고 있는 것처럼 둔중해 보인다. 종이보다 훨씬 얇은 2D 집적 회로를 사용하면 그런 컴퓨터들도 아담해지고 물리적 취급이 편해질 것이다. 기사에서는 언급되지 않았지만 아마 전기를 훨씬 덜 소모하기도 할 것이다. 그러나 아직까지는 겨우 5,900개의 트랜지스터를 집적한 단계이다. 참고로, "2020년 기준으로 컴퓨터의 CPU는 대개 20억~400억 개의 트랜지스터를 포함한 집적 회로로 구성"되어 있다고 한다. 그러나 천리길도 한걸음부터이다. 그러나 핵융합 발전이나 양자 컴퓨터보다는 훨씬 더 빨리 상용화될 것이다. EUV에 의존하지 않고도 생산할 수 있다는 것도 아주 중요한 포인트이다.
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2D 소재를 사용한 세계 최초의 중국산 1나노미터 RISC-V 칩
https://www.scmp.com/news/china/science/article/3305185/worlds-first-1-nanometre-risc-v-chip-made-china-2d-materials

중국의 칩 산업은 과학자들이 세계에서 가장 복잡한 반도체 마이크로프로세서를 개발한 후 중요한 이정표에 도달했다

베이징에서 장통
게시: 2025년 4월 4일
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중국 과학자들이 세계에서 가장 복잡한 2차원(2D) 반도체 마이크로프로세서를 개발했으며, 이 칩은 시범 생산에 들어갈 예정이다.

두께가 1나노미터도 안 되는 이 칩에 대한 자세한 내용은 수요일 동료 심사를 거친 학술지 Nature에 게재되었다. 이 칩의 가장 주목할 만한 발전은 첨단 극자외선(EUV) 리소그래피에 의존하지 않는다는 점으로, 반도체 혁신에서 중국에 새롭고 독립적인 길을 열었다는 점이다.

실리콘 기반 집적 회로가 소형화의 물리적 한계에 다다르면서 전 세계 연구자들은 칩 성능의 한계를 뛰어넘기 위해 이황화몰리브덴과 텅스텐 디셀레나이드 같은 2D 재료로 눈을 돌리고 있다.

일반적으로 원자 한 개 두께에 불과한 이러한 소재는 뛰어난 물리적 특성을 제공하여 차세대 회로에서 더 큰 확장과 향상된 기능을 가능하게 한다.

지난 10년 동안 2D 재료의 웨이퍼 규모 성장이 이루어졌지만, 2017년 비엔나 공과대학교에서 개발한 가장 복잡한 2D 반도체 디지털 회로에는 지금까지 115개의 트랜지스터만 포함되어 있었다.

푸단대학교의 바오 웬중 교수는 “두부로 같은 물체를 조각하는 것이 옥으로 조각하는 것보다 훨씬 어렵기 때문”이라고 설명하며 칩 제조에서 기존 실리콘에 비해 2D 반도체를 사용하는 것이 얼마나 취약하고 어려운지를 설명했다.

바오 교수는 푸단대 집적회로 및 시스템 국가핵심연구소의 저우 펑 교수 및 연구팀과 함께 5년간의 개발 끝에 5,900개의 트랜지스터를 통합하고 두께가 1nm 미만인 32비트 RISC-V 마이크로프로세서인 우지(Wuji)를 개발했다.

이 성과는 2D 반도체 통합의 새로운 글로벌 벤치마크를 제시했다.

칩의 집적도가 50배 이상 증가한 비결은 높은 제조 수율에 필수적인 원자 단위의 정밀도와 균일성을 모두 유지할 수 있는 연구팀의 능력에 있다.

“예를 들어 인버터 회로는 칩의 기본 구성 요소이며, 얼마나 잘 작동하는지가 칩의 전반적인 품질을 보여줍니다"라고 저우는 말한다. “우리가 2D 재료로 만든 인버터의 성능은 정말 좋았습니다. 신호 출력이 강하고 꺼졌을 때 에너지 손실이 매우 적었으며, 이는 엔지니어링 분야에서 큰 진전입니다.”

연구팀은 총 900개의 인버터를 30 x 30 어레이로 제작했으며, 테스트 결과 898개가 제대로 작동하여 99.77%의 기록적인 수율을 달성한 것으로 나타났다. 이 회로는 유사한 연구에 비해 우수한 스위칭 전압과 일관성을 보여주었다.

우지 제작에는 매우 복잡한 공정이 포함되었으며, 그 중 일부는 인공지능의 도움으로 최적화되었다. 2021년 연구를 기반으로 연구팀은 재료 합성에서 통합에 이르는 모든 단계를 개선하여 실험 효율성을 높였다.

이 칩은 오픈 소스 RISC-V 아키텍처를 기반으로 제작되어 독점 IP에 의존하지 않고도 국제 표준에 부합할 수 있다.

논문의 공동 저자인 한준 교수는 “RISC-V를 선택함으로써 외국 공급업체의 아키텍처나 특허의 제약을 받지 않고 완전히 자율적인 생태계를 구축할 수 있게 되었습니다”라고 말했다.

우지는 32비트 명령어 세트에서 최대 42억 개의 데이터 단위로 수학적 연산을 수행하고 기가바이트 규모의 데이터 저장 및 액세스를 지원하며 최대 10억 개의 RISC 명령어가 포함된 프로그램을 실행할 수 있다.

2022년에는 이황화몰리브덴을 사용한 머신 비전 칩을 개발했으며, 2023년에는 화학 기상 증착을 통해 12인치 웨이퍼에 단층 이황화몰리브덴을 빠르게 성장시키는 데 성공했다.

차이나 사이언스 데일리에 따르면, 우지는 현재 시범 생산에 들어갈 준비를 하고 있습니다. 제조 단계의 약 70퍼센트는 기존 실리콘 기반 생산 라인에 통합할 수 있다. 나머지 2D 재료에 대한 특수 공정은 자체적으로 개발했으며, 20개 이상의 발명 특허를 보유하고 있다.

바오는 “이것은 대대적인 기술 격변이 아닙니다.”라고 말한다. “다층 오피스 빌딩을 지을 때 기초와 구조는 그대로 유지하되 중간 몇 개 층을 쇼핑몰로 용도 변경한다고 생각하면 됩니다. 이러한 섹션에는 독특한 디자인과 툴링이 필요합니다.”

바오는 이 개발이 중국의 칩 산업이 앞서 나가는 데 도움이 될 것이라고 말한다.

“EUV 리소그래피에 의존하지 않고 국내에서 개발한 반도체 장비와 오픈 소스 RISC-V 프레임워크를 사용하고 풀스택 2D 통합 프로세스를 구축함으로써 중국 칩 산업의 새로운 자립적 발전 경로를 위한 토대를 마련했습니다.”

저우는 앞으로 2D 반도체가 기존 실리콘 칩을 대체하는 것이 아니라 보완하는 역할을 할 것이라고 강조했다. 이러한 새로운 프로세서는 기존 인터페이스와 호환성을 유지하며 현재의 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있을 것이다.

전 세계적으로 2D 반도체에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있으며 광범위한 상업적 적용은 아직 이루어지지 않았다. 상용 칩과의 성능 격차는 여전히 존재하지만, 이러한 발전으로 중국은 반도체 혁신의 다음 영역에서 잠재적으로 선두를 차지할 수 있는 위치에 있다.