중국 2차원 트랜지스터, 미국 칩을 대체할까?

베이징대 연구팀이 2차원 소재로 채널을 만든 게이트 올 어라운드 트랜지스터를 발표한 사례를 다룹니다. 실리콘 미세화의 한계, EUV 장비와 공정 비용, 푸단대의 2차원 RISC-V 마이크로프로세서도 함께 살펴봅니다. 다만 이는 연구 단계의 성과이므로 상용 칩 대체 여부는 아직 검증되지 않았습니다.

⏱ 00:00영상은 베이징대 연구팀이 최신 3나노 실리콘 칩보다 빠르고 전력 효율이 좋은 트랜지스터를 만들었다는 발표로 시작합니다. 이 트랜지스터는 실리콘을 쓰지 않은 2차원 소재 기반이며, 2025년 2월 학술지 Nature Materials에 논문으로 발표되었습니다.

영상은 '영원히 대체'라는 제목을 달았지만, 논문 자체는 상용 실리콘 트랜지스터와 대등한 수준이라는 신중한 표현을 썼다는 점을 짚습니다. 소자 하나의 성능과 실제 칩의 대량 생산 사이에는 아직 큰 간극이 있다는 전제로 읽는 것이 적절합니다.

⏱ 00:35트랜지스터에서 전자가 흐르는 채널은 몇 개 원자 두께의 비스무트 옥시셀레나이드 결정으로 만들어졌고, 절연층은 같은 원자 계열의 비스무트 셀레나이드로 구성되어 두 층이 거의 완벽하게 맞물립니다. 실리콘 소자에서는 채널과 절연체의 경계에서 전자가 산란되어 에너지를 잃는데, 이 계면 결함이 적을수록 전류 손실이 줄어듭니다.

연구팀은 원자 단위 시뮬레이션 방법인 밀도 범함수 이론으로 계면을 분석해 오늘날 칩보다 결함이 적고 전자 흐름이 원활하다고 보고했습니다. 영상은 비스무트가 위장약 성분으로 익숙한 중금속이라는 점도 흥미롭게 언급합니다.

⏱ 02:25핀펫은 2011년 인텔이 도입한 설계로, 채널이 지느러미처럼 서 있고 게이트가 세 면을 감싸는 구조입니다. 이번 소자는 게이트가 채널 전체를 둘러싸는 게이트 올 어라운드(GAA) 구조이며, 게이트가 채널을 더 확실히 잡을수록 제어가 정밀해지고 누설 전류와 전력 낭비가 줄어든다는 설명입니다.

인텔과 TSMC도 최신 실리콘 공정에서 GAA로 전환하고 있지만, 이 연구는 소재 자체를 2차원으로 바꿔 같은 구조를 구현했습니다. 논문 제목의 '에피택셜 모놀리식 3D 집적'은 별도 칩을 붙이는 대신 연속 공정으로 트랜지스터 층을 쌓는 방식이며, 아래층이 손상되지 않도록 낮은 온도에서 결정을 성장시켰다는 점이 핵심입니다.

⏱ 04:21연구팀은 상용 칩과 같은 조건에서 시험했을 때 인텔·TSMC의 최신 3나노 실리콘보다 40% 빠르면서 에너지는 10% 적게 쓴다고 밝혔습니다. 영상은 이 수치를 논문의 '대등한 성능과 에너지 효율'이라는 신중한 표현과 비교하며 그 차이를 강조합니다.

빠른 트랜지스터는 같은 시간에 더 많이 스위칭할 수 있어 클럭 속도를 높이고, 같은 속도라면 적은 전력으로 동작해 배터리 수명과 발열 개선으로 이어집니다. 10%의 절감은 작아 보이지만 수백억 개의 트랜지스터와 대규모 데이터센터에 적용하면 의미가 커진다는 논리입니다. 펑 허린 교수는 기존 소재 개선을 '지름길'에, 2차원 소재 개발을 '차선 변경'에 비유했습니다.

⏱ 06:00영상은 GPU 사례로 실리콘 미세화의 한계를 설명합니다. 엔비디아 RTX 5090은 2025년 1월 권장가 1,999달러로 출시되었지만, 영상 녹화 시점에 특정 모델이 7,494달러대로 올라와 있다고 전합니다. 가격 상승의 원인으로는 고속 메모리 부족과 AI 기업들의 동시 수요가 지목됩니다.

칩 측면에서 RTX 5090의 GB202는 약 750제곱밀리미터 다이에 922억 개의 트랜지스터를 담고 있습니다. 전작 RTX 4090보다 트랜지스터가 약 160억 개 늘어나는 동안 다이 면적은 약 23% 커졌으며, 트랜지스터를 더 작게 만들기보다 면적을 키워 성능을 얻었다는 점이 한계의 신호로 제시됩니다. 데이터센터용 블랙웰 B200도 두 개의 다이를 이어 붙인 구조입니다.

⏱ 14:02극자외선(EUV) 노광 장비는 ASML만 만들며, 주석 방울에 레이저를 쏘아 13.5나노미터 빛을 만들고 초평탄 거울로 웨이퍼에 반사시키는 장비입니다. 한 대 가격이 1억 달러를 넘고, 인텔이 14A용으로 도입한 고사양 버전은 3억 5천만 달러 이상으로 알려져 있습니다. TSMC의 2나노 웨이퍼는 3만 달러를 넘을 것으로 보도되었습니다.

영상은 2019년부터 중국의 EUV 장비 수출이 금지되었고, 2022년 미국 상무부의 첨단 칩과 제조 장비 수출 규제가 이어졌다는 점을 배경으로 듭니다. 기계를 구하기 어렵다면 소재를 바꾸는 쪽이 대안이 된다는 논리입니다. 다만 비용과 규제의 영향은 보도에 기반한 추정이므로 영상의 설명으로 이해하는 것이 좋습니다.

⏱ 16:422025년 4월 상하이 푸단대 연구팀은 이황화 몰리브덴 기반 RISC-V 32비트 마이크로프로세서 'Wuji'를 Nature에 발표했습니다. 칩에는 약 5,900개의 트랜지스터가 있고 각 두께는 원자 세 개 수준입니다. 2차원 소재 로직 회로의 이전 최대 규모가 156개 트랜지스터였다는 점과 비교하면 큰 도약이며, 제조 공정의 약 70%는 기존 실리콘 라인 기술을 재사용한다고 보고되었습니다.

이 칩은 최대 약 42억 범위의 숫자 덧셈과 뺄셈을 수행하는 수준으로, 영상은 이를 실험실 소자에서 시스템 응용으로 넘어가는 첫 신호로 해석합니다. RISC-V는 로열티 없는 오픈 명령어 세트라 설계 선택지가 넓다는 점도 중요합니다. 영상은 논문 발표 두 달 뒤 연구팀이 공장 건설에 나섰다는 내용으로 이어지지만, 자막이 중간에 끝나 세부 내용은 확인되지 않습니다.