반도체 기술 한계, 지금 부딪힌 5가지 진짜 장벽은?

시작하며

반도체 산업은 지금 중요한 기로에 서 있다. 트랜지스터 미세화가 한계에 부딪히면서 기존 기술만으로는 더 이상 성능 향상이 어렵다는 우려가 현실이 되고 있다. 이제 반도체는 단순히 작게 만드는 시대를 넘어, 완전히 새로운 기술적 돌파구가 필요한 단계에 접어든 것이다.

 

1. 트랜지스터가 너무 작아져서 생긴 ‘양자의 벽’

(1) 전자가 벽을 뚫고 지나간다고?

예전에는 스위치를 꺼놓으면 전류가 막히는 게 당연했지만, 지금은 다르다. 전자가 문이 닫혀 있어도 그냥 통과해버리는 ‘양자 터널링’ 현상이 생기고 있다. 나도 처음 이 말을 들었을 땐, 단순한 비유인 줄 알았다.

(2) 해결을 위한 진화는 입체 구조

이 문제를 막기 위해 트랜지스터 구조 자체를 바꾸는 작업이 진행 중이다.

• 과거: 플라나(평면형) 구조. 게이트가 평면에서 전류를 제어.
• 이후: 핀펫(FinFET) 구조. 지느러미처럼 위로 솟아오른 채널을 3면에서 감싸 더 정밀 제어 가능.
• 최근: GAA(Gate-All-Around) 구조. 트랜지스터를 사면에서 감싸는 형태로 더 나은 전류 차단 능력을 확보.

→ 트랜지스터 구조는 2D에서 3D로, 이제는 사면 입체 구조로 진화하고 있다.

내가 이 구조 전환이 실감났던 건, 평면 도로를 고가도로로 바꾸는 도심 구조 혁신과 비슷하다고 느껴졌기 때문이다.

 

2. 데이터가 막히는 ‘배선의 벽’

(1) 구리 배선, 이젠 한계다

트랜지스터가 아무리 좋아도 이들을 연결하는 배선이 막히면 전체 시스템이 느려진다. 지금은 구리 배선이 너무 가늘어져서 저항이 급격히 증가하는 문제가 발생하고 있다.

(2) 새 배선 소재와 뒤집힌 구조의 등장

새로운 해결 방식은 다음과 같다.

• 루테늄, 몰리브덴: 구리보다 얇게 쓸 수 있고 저항 증가가 덜하다.
• BSPDN(후면 전력 공급): 전력선을 칩의 뒷면으로 옮겨 앞면 배선의 혼잡을 줄인다.

 

🔍 배선 기술, 이렇게 바뀌고 있다

구분	기존 방식	새로운 방식
배선 소재	구리	루테늄, 몰리브덴
전력 공급	칩 앞면에서	칩 뒷면(BSPDN)
문제점	저항 증가, 혼잡	기술 난이도, 비용

나는 이 구조를 보고, 마치 고속도로를 지하화하거나 다층화하는 것처럼 느껴졌다. 성능 향상을 위해 물리적 구조를 완전히 재편하는 느낌이었다.

 

3. 극도로 정밀한 장비가 필요한 ‘제조의 벽’

(1) EUV도 부족해졌다

기존엔 극자외선(EUV)을 활용한 노광 장비로 미세 회로를 새길 수 있었지만, 0.33 NA 해상도로는 한계가 왔다. 그래서 더 높은 0.55 NA의 하이-NA EUV 장비가 필요해졌다.

(2) 문제는 비용이다

• 하이 NA 장비 1대 가격: 약 3억8,000만달러.
• 공장 전체 투자 비용: 수십억~수백억달러 단위.

→ 더 미세한 회로를 새기기 위해선 더 비싼 장비와 더 복잡한 공정이 필수다.

이쯤 되면 장비가 문제가 아니라, 돈과 기술을 동시에 갖춘 국가만이 진짜 반도체 전쟁에서 살아남을 수 있다고 본다.

 

4. 데이터 이동이 느려지는 ‘메모리의 벽’

(1) AI는 빠른데, 메모리는 따라가지 못한다

CPU, GPU는 빨라졌지만, 메모리는 속도와 대역폭 한계로 점점 병목현상을 일으키고 있다.

(2) HBM과 칩렛 기술이 등장했다

• HBM (High Bandwidth Memory): 디램을 수직으로 쌓아 올려 데이터 이동 통로를 넓힘.
• 칩렛(Chiplet): 기능별로 나눈 칩을 따로 만들고 레고처럼 조립, 수율·비용·속도 모두 잡음.

 

🧠 왜 이 기술들이 필요한 걸까

기술명	핵심 아이디어	해결하는 문제
HBM	메모리 수직 적층	데이터 대역폭 부족
칩렛	기능별 분할 제작	수율/비용/설계 유연성 문제

내가 메모리 병목의 심각성을 체감한 건, 영상 편집용 고사양 PC를 써보면서였다. CPU와 GPU는 빠른데, 로딩이 오래 걸리는 건 결국 메모리의 문제가 크다는 걸 깨달았다.

 

5. 기술보다 더 복잡한 ‘생태계의 벽’

(1) 인재도 없고, 소재도 없고

• 네온가스: 우크라이나 의존도 높았지만 전쟁으로 공급망 위기.
• 인재 부족: 아무리 공장을 지어도 기술자 없으면 의미 없다.
• 지속 가능성: 반도체 제조는 물과 전기를 엄청나게 사용함.

 

🌍 생태계가 왜 이렇게 중요할까?

요소	현재 상황	문제가 되는 이유
소재	특정 국가 의존	지정학적 리스크
인재	전 세계적으로 부족	첨단 공정 운용 불가
자원	물·전력 소모 심각	지속 가능성 저하

실제로 한 업계 관계자 말처럼, “90조원짜리 펩도 인재가 없으면 무용지물”이라는 말이 절대 과장이 아니다. 기술보다 사람이 더 중요한 시대다.

 

마치며

지금까지 반도체 산업의 다섯 가지 핵심 장벽을 살펴봤다. 하나하나가 모두 산업 전체의 발목을 잡고 있는 결정적인 요인이다.

• 양자의 벽은 트랜지스터의 구조를 바꿨고
• 배선의 벽은 새로운 소재와 전력 구조를 불러왔으며
• 제조의 벽은 장비 투자의 장벽이 되었고
• 메모리의 벽은 새로운 패키징 혁신을 가속했고
• 생태계의 벽은 지정학과 인재 문제를 현실로 만들고 있다

→ 결국 반도체의 미래는 ‘더 작게 만드는 기술’이 아니라, ‘전체 시스템을 최적화하는 총체적 혁신’에서 열린다.

지금이야말로 반도체가 진짜 ‘기술 총력전’의 시대에 진입한 시기다. 누구보다 빨리 준비하고, 전체 생태계를 아우를 수 있는 기업이 다음 패권을 쥐게 될 것이다.