삼성·SK HBM 질주 속 켜진 경고등… 일본발 '포스트 실리콘' 소자 충격파

삼성전자와 SK하이닉스가 고대역폭메모리(HBM) 수율 향상과 초고층 디램(DRAM) 적층 경쟁에 사활을 거는 사이, 일본 대학 연구소에서 연산·저장·전력 병목을 동시에 해결할 수 있는 차세대 소자 원천 기술이 등장했다.

기술 장벽에 가로막힌 기존 실리콘 기반 반도체의 물리적 한계를 뛰어넘는 새로운 대안이 구체적인 실험 데이터로 제시되면서, 한국 반도체 생태계의 장기 로드맵 수정이 불가피해졌다. 미국 IT 전문 매체 테크스팟(TechSpot)은 지난 17일(현지시각) 도쿄대 연구팀이 기존 실리콘 소자나 AI 가속기의 이론적 작동 속도를 대폭 웃돌면서도 발열 부담을 극도로 낮춘 '반강자성(antiferromagnetic) 스핀트로닉스' 스위칭 기술을 구현했다고 보도했다.

이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 국제 학술지 '사이언스(Science)' 최신호에 게재됐으며, 도쿄대 나카스지 토모 교수 연구팀이 그간 네이처(Nature) 및 네이처 머티리얼스 등 주요 학술지 계열을 통해 발표해 온 반강자성 자성체 제어 선행 연구를 한 단계 확장한 성과다.

핵심은 전자의 음전하뿐만 아니라 회전(스핀) 특성을 동시에 활용해 40피코초[초의 1조분의 1] 단위의 초고속 영역에서 이진 자기 상태(컴퓨터의 가장 기본적인 언어인 0과 1을 저장하거나 처리하기 위해 자성을 띠는 물질의 극성을 아주 빠르게 바꾸는 것)를 전환하는 기술이다.
나노초[초의 10억분의 1] 단위로 작동하는 현대 실리콘 반도체의 물리적 속도 잠재력을 크게 끌어올린 결과로 평가받는다. 다만 컴퓨터는 단일 스위치 외에도 수많은 하드웨어와 소프트웨어가 유기적으로 맞물려 구동되므로, 이번 소자의 성공이 연산 전체 속도의 1000배 향상으로 직결되는 것은 아니다. 실제 서버나 스마트폰 등 완제품에 들어가기까지는 최소 10년 안팎의 시간이 걸린다는 것이 학계의 중론이다.


도쿄대 연구팀은 '망간-주석 화합물(Mn3Sn)'이라는 반강자성 물질을 활용해 이 소자를 구현했다. 기존 반도체는 미세화가 진행될수록 전류가 흐를 때 발생하는 저항열이 기하급수적으로 증가하는 치명적인 약점이 있다. 반면 반강자성 물질은 내부의 순자기 모멘트가 0에 가까워 외부 자계에 흔들리지 않는 자기적 '관성'이 작다. 이 덕분에 스핀 배열이 피코초 단위로 고속 전동하면서도 전류 이동에 따른 저항열 발생을 최소화해 사실상 발열 부담이 거의 없는 수준의 저전력 특성을 달성했다.

실험 결과 40피코초의 미세한 전기 펄스를 인가했을 때 이진 자기 상태가 안정적으로 전환됐으며, 이 과정에서 측정된 열 발생과 소모 전력은 현재 시장에 출시된 최상위 AI 가속기와 비교해 극히 일부에 불과했다. 프로세서 속도가 빨라질수록 열 밀도가 치솟아 막대한 인프라 비용을 냉각 시스템에 쏟아붓고 있는 데이터센터 전력 대란을 원천적으로 해결할 실마리를 찾은 셈이다.


그러나 이번 성과는 실험실 단위의 개별 소자 검증 단계로, 향후 수십억 개의 소자가 단일 칩에 정밀하게 쌓여야 하는 메모리 및 로직 반도체 양산까지는 갈 길이 멀다. 대량 생산 체제를 구축하려면 실리콘 웨이퍼 위에 망간·주석 화합물을 결함 없이 증착하는 공정 통합 기술이 축적되어야 하며, 불량률을 제어할 수 수율 확보와 전용 공정 장비·소재 생태계 조성이 선행되어야 한다.
아울러 미세화된 소자가 가혹한 구동 환경에서도 데이터 보존 특성(리텐션)을 장시간 유지할 수 있는지에 대한 신뢰성 검증도 필수적이다.

업계에서는 원천 기술 확보 측면에서는 착안할 점이 크지만, 신소재 기반 소자가 기존 실리콘 공정의 경제성을 뛰어넘고 주류 시장에 진입하기 위해서는 감당해야 할 감가상각과 공정 전환 비용 장벽이 여전히 높다며 과도한 단기 낙관론을 경계한다.


이번 기술은 단기적으로 국내 반도체 기업들의 주력 제품인 DRAM과 HBM 시장을 침범하지는 않는다. 향후 5년에서 10년 동안은 기존 메모리 아키텍처의 고도화와 첨단 파운드리 공정이 한국 반도체 진영의 핵심 캐시카우 역할을 견고히 지켜낼 전망이다. 따라서 투자자가 당장 "내 주식 다 팔아야 하나"와 같은 공포감에 휩싸여 패닉 매도에 나설 사안은 결코 아니다.

다만 10년 이후의 미래 시장을 내다본다면 경고등이 켜진 것은 분명하다. 이번 연구는 중장기적으로 메모리와 로직의 경계를 허물며 차세대 메모리(MRAM) 및 비휘발성 컴퓨팅 패러다임을 이끌 새로운 소자 축이 부상했음을 보여준다.

단기 실적 축은 여전히 HBM과 DRAM에 머물겠지만, 한국 기업들 역시 10년 안팎의 장기 로드맵에서는 반강자성 스핀트로닉스를 포함한 '포스트 실리콘' 옵션을 본격적으로 결합하고 원천 기술 방어벽을 쳐야 한다는 과제를 안게 됐다.


첫째, 글로벌 빅테크의 MRAM R&D 투자 추이 점검이다. 엔비디아, 인텔, 마이크로소프트의 공식 발표 자료나 세계적 반도체 학회(ISSCC, IEDM 등) 및 연간 설비투자(CapEx) 가이던스 내 '스핀트로닉스·비휘발성 로직' 키워드 언급 강도를 정기적으로 추적해야 한다. 이 지표는 글로벌 자본이 차세대 소자로 이동하는 속도를 읽는 척도가 된다.

둘째, 삼성전자·SK하이닉스의 반강자성 소자 관련 특허 및 학회 동향특허청(KIPRIS)이나 세계지식재산기구(WIPO) 검색을 통해 핵심 키워드와 국내 기업의 출원 현황을 점검해야 한다.

셋째, 미·일 중심의 차세대 반도체 공급망 연합 내 소자 표준화 움직임도 봐야 한다. 미 상무부나 일본 경제산업성, 일본 과학기술진흥기구(JST) 등의 차세대 국가 연구개발 프로그램 문서에서 관련 테마가 명시되는지 주시해야 한다.

기존 실리콘 반도체의 물리적 한계 돌파를 위해 터져 나온 이번 기술 충격파는 미세 공정 고도화에 매진하던 한국 반도체 진영에 차분하면서도 철저한 패러다임 전환 준비를 요구하고 있다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com