1.1 트랜지스터와 집적회로의 역사

1958: Texas Instruments에서 Jack Kilby가 2개의 트랜지스터로 집적회로 flip-flop를 만들었다.

2008: 인텔의 Itanium 마이크로프로세서에는 20억(2billion) 트랜지스터가 들어가고, 16Gb Flash memory에는 40억(4billion)트랜지스터가 들어있다.

 

이러한 엄청난 성장은 트랜지스터의 계속적인 소형화와 제조 공정의 발전 덕분이다. 다른 공학(engineering)분야에서는 성능(Performance), 전력(Power), 그리고 가격(Price) 사이에 trade-off가 있기 마련이지만, 트랜지스터는 크기가 작아질수록 더 빠르고, 전력을 적게 소비하며, 제작 비용도 절감된다! 이러한 시너지는 전자기기뿐 아니라 우리 사회를 크게 변혁시켰다.

 

 

Source: IHS Markit, MEMS & Sensors for CE/Mobile

2007년도에 반도체 산업에서는 6quintillion (6*10^18)개의 트랜지스터를 제조했다. 이 숫자는 전 세계 사람들이 10억개씩 나눠 가질 수 있는 양이다. 

 

20세기의 처음 반 세기 동안만 해도, 전자 회로는 크고 비싸며 전력 소비가 심하고 신뢰도도 떨어지는 진공관을 사용하였다.

1947년에 Bell Lab에서 John Bardeen 와 Walter Brattain 은 처음으로 작동하는 point contact transistor를 만들었다. 

 

first transistor(Property of AT&T Archives)

 

 

10년 후, Texas Instruments(TI)의 Jack Kilby는 여러 트랜지스터들이 하나의 silicon에서 제작된다면 칩이 잠재적으로 소형화 될 수 있다는 것을 깨달았다. 아래 그림은 그렇게 만들어진 집적회로의 원형이다. 저마늄(geminium)과 금 전선으로 만들어졌다. 

first integrated circuit

트랜지스터의 발명으로 Bardeen, Brattain, 그리고 그들의 고문 William Shockley는 1956년 노벨 물리상을 수상하였다.

Kilby도 집적회로의 발명으로 2000년에 노벨 물리상을 수상했다.

 

트랜지스터는 전기적으로 동작하는 3 단자 (three terminal) 스위치라고 볼 수 있다. 한 단자인 control terminal에 전압이나 전류가 가해지면, 나머지 두 단자가 연결되고 전류가 흐를 수 있다.

 

point contact transistor가 발명되고 난 후, Bell Lab은 Bipolar Junction Transistor(BJT)를 발명하였다. BJT는 PCT보다 더 믿을만하고, 잡음이 덜하며, 전력 효율적이다. 초기 집적회로는 주로 BJT를 사용하였다.

그러나 BJT는 circuit이 switching을 하지 않더라도 BJT의 base junction에 base current를 주입해 주어야 하고, 그에 따른 전력 손실이 발생했다. 이러한 전력 손실은 하나의 die(실리콘 칩?) 안에 집적될 수 있는 트랜지스터의 최대 개수를 제한시켰다.

 

1960년대에, BJT의 단점을 해결한 트랜지스터가 제조되기 시작한다! 바로바로 모스펫 (MOSFET)

MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

앞의 세 글자는 모스펫의 구조를 설명하고, 뒤의 세 글자는 모스펫의 동작 원리를 설명한다.

모스펫은 switching 하지 않을 때(idle) 컨트롤 전류가 거의 흐르지 않는다. => almost zero control current

사실 모스펫의 아이디어는 1925년에 독일 과학자가 고안하였으나, 물질적/물리적인 문제로 구현하기까지 시간이 꽤 걸렸다.

 

1963년에, Frank Wanlass라는 사람은 MOSFET을 이용하여 처음으로 logic gate를 구현하였고, (지금은 CMOS라고 불리는) nMOS와 pMOS를 둘 다 사용하였다.

CMOS의 장점은 idle일 때 소비 전력이 매우 작다는 것이다.  1970년대에 흔히 사용되던 nMOS는 CMOS보다 제조 비용이 저렴했다. 하지만 1980년대로 들어서면서 하나의 die안에 집적되는 몇천개의 트랜지스터에서 일어나는 소비 전력이 매우 중요한 문제로 자리잡았고, idle일 때 소비전력이 적은 CMOS 공정이 널리 채택되었다. CMOS가 nMOS나 BJT를 대체하기 시작

 

1) 무어의 법칙 (Gordon Moore's Law)

무어의 법칙 : 1동일 면적에 집적될 수 있는 트랜지스터의 수는 18개월마다 두 배가 된다. 

=> self-fulfilling prophecy

반도체 제조 회사들이 경쟁사에게 뒤치지 않으려고 노력하다보니 스스로 이루어지는 법칙이다. 

각 dimension은 0.7배가 된다. 그러면 면적은 0.7*0.7 = 0.49로 거의 반으로 줄 게 된다. 따라서 동일한 면적에 집적될 수 있는 트랜지스터의 수가 두 배가 된다. 

 

 

2) VLSI (Very Large Scale Integration)

집적도 (level of integration)은 다음과 같이 분류될 수 있다. 

SSI : Small-Scale Integration

MSI : Medium-Scale Integration

LSI : Large-Scale Integration

VLSI : Very Large-Scale Integration

트랜지스터가 소형화 되고 칩의 집적도가 높아지면서 순서대로 발전해왔다. 1980년대 이후 대부분의 집적회로를 표현하기 위해 VLSI라는 집적도를 사용한다.

 

3) 트랜지스터 발전에서 Power Consumption은 매우 중요한 이슈! 

각 CMOS 트랜지스터가 스위칭할 때 소비하는 에너지의 양은 매우 작지만, 많은 양의 트랜지스터가 매우 빠른 속도로 스위칭을 하기 때문에 설계를 할 때 소비전력을  주의 깊게 고려해야한다.

게다가 소자가 작아질 수록  완전히 OFF되지 않는다! => 새는 전류(leakage current)발생 => 전력 소모

이러한 leakage 전류도 한 칩에서 몇 억 개의 소자에서 발생한다면 무시하지 못할 만큼 전력을 낭비하게 된다.