中, 세계 최소형 ‘1나노 AI 트랜지스터’ 개발… 반도체 에너지 한계 돌파

중국 과학자들이 인간의 뇌 구조를 모방한 인메모리 컴퓨팅(In-memory Computing)의 핵심 장치인 강유전체 트랜지스터(FeFET) 분야에서 세계 최고 수준의 기술적 돌파구를 마련했다.

25일(현지시각) 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면, 베이징대학교 추첸광 교수와 중국과학원 펑리안마오 교수팀은 세계에서 가장 작고 에너지 효율이 높은 트랜지스터를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재되며 전 세계 반도체 업계의 주목을 받고 있다.


기존의 반도체 칩은 데이터를 저장하는 영역과 계산하는 영역이 분리되어 있어, 두 영역 사이를 데이터가 오갈 때 속도가 저하되고 에너지가 낭비되는 ‘병목 현상’이 발생한다.

반면, 이번에 개발된 FeFET는 기억과 처리를 단일 단위로 통합하여 인간 뇌의 뉴런처럼 작동한다. 추 교수는 "FeFET의 인메모리 컴퓨팅 기능은 데이터 전송 시 발생하는 시간 손실을 줄여 차세대 고성능 AI 하드웨어 진화와 밀접하게 맞닿아 있다"고 강조했다.

그간 FeFET 기술의 최대 난제는 높은 동작 전압이었다. 일반적인 논리 회로가 0.7V 이하에서 작동하는 데 반해, FeFET는 1.5V 이상의 높은 전압이 필요해 기존 회로와의 호환성이 떨어졌다.

연구팀은 원자 수준의 정밀 공정을 통해 게이트 전극을 단 1나노미터(nm)로 축소하여 이 문제를 해결했다. 이를 통해 0.6V라는 초저전압에서도 최소한의 에너지로 작동하게 만들었으며, 이는 국제적으로 보고된 최저 에너지 소모값의 약 10분의 1 수준에 불과하다.


성능 면에서도 획기적인 진전을 이루었다. 이 새로운 트랜지스터는 최대 1.6나노초(ns)의 빠른 응답 시간을 지원하며 고속 메모리 연산이 가능하다.

베이징대학교는 해당 기술에 대해 독자적인 지적재산권(특허)을 확보했으며, 이는 향후 1나노미터 미만 공정의 칩을 구축할 수 있는 강력한 잠재력을 입증한 것으로 평가받는다.
추 교수는 "이 기술이 고에너지 효율 데이터 센터와 차세대 AI 칩 조립에 핵심적인 역할을 할 것"이라고 덧붙였다.


중국의 이번 1나노 FeFET 개발 성공은 삼성전자와 SK하이닉스 등 한국 반도체 대기업들에 ‘차세대 컴퓨팅 아키텍처 주도권’ 확보를 위한 비상등을 켰다.

현재 한국이 주도하는 HBM(고대역폭메모리)은 연산 장치 곁에 메모리를 붙이는 방식이지만, 중국이 선보인 기술은 아예 한 소자 안에서 두 기능을 수행하는 방식이다. 이는 AI 칩의 패러다임을 바꿀 수 있는 파괴적 혁신이다.

국내 반도체 기업들은 PIM(Processor-in-Memory) 기술을 넘어 FeFET와 같은 차세대 비휘발성 메모리 소자 연구에 박차를 가해 기술 초격차를 유지해야 한다.

중국이 원자 수준의 1나노 게이트 제어 기술을 확보하고 특허까지 선점했다는 점은 향후 파운드리(위탁생산) 시장에서도 위협이 될 수 있다. 한국은 세계 최고의 미세 공정 역량을 바탕으로 신소재 기반의 차세대 트랜지스터(GAA 등) 상용화 속도를 높이고, 관련 소재·부품·장비(소부장) 생태계를 강화하여 공급망 우위를 공고히 해야 한다.

AI 데이터 센터의 최대 적은 '발열'과 '전력 소모'다. 중국이 공개한 초저전압 트랜지스터 기술은 이 문제를 해결할 강력한 대안이다. 한국은 단순한 칩 제조를 넘어, 시스템 전체의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 통합 솔루션을 개발해 글로벌 빅테크 기업들에 제시해야 한다.

특히 AI 가속기 시장에서 엔비디아의 독주에 맞서기 위해, 한국산 차세대 소자를 적용한 저전력 AI 칩 개발 국책 과제 등을 통해 'K-AI 반도체'의 경쟁력을 키워야 할 시점이다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com