'전력 90% 절감' 1나노 트랜지스터 탄생…중국 베이징대, 세계 최소 반도체 소자 공개

반도체 초미세화의 물리적 한계를 재료 과학과 소자 구조 혁신으로 뛰어넘으려는 시도가 결실을 맺고 있다. 중국 연구팀이 사람 DNA 굵기(약 2나노미터)의 절반에 불과한 1나노미터(nm) 게이트 전극을 지닌 차세대 트랜지스터를 구현하는 데 성공했다. 기존 같은 계열 소자와 비교해 전력 소모를 10분의 1 수준, 즉 90% 줄이면서도 응답 속도는 1.6나노초(ns)까지 끌어올린 결과다. AI 데이터센터의 전력 폭증이 산업계 최대 과제로 떠오른 시점에 나온 이 성과는 차세대 저전력 AI 반도체 설계의 이정표로 평가받는다.



중국 베이징대학교 추천광 교수와 중국과학원 펑리엔마오 교수 공동 연구팀은 게이트 전극 크기 1nm를 달성한 강유전체 전계효과 트랜지스터(FeFET·Ferroelectric Field-Effect Transistor)**를 개발해 지난 25일(현지시간) 공개했다. IT 전문매체 인터레스팅엔지니어링과 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 이를 지난 25일(현지시각) 집중 보도했다.

FeFET는 전기장이 제거된 뒤에도 자발 분극 상태를 유지하는 강유전체 소재를 활용한 트랜지스터로, 전원 없이도 데이터가 보존되는 비휘발성 특성과 고속 연산 능력을 겸비해 차세대 AI 칩 핵심 소자로 꼽혀 왔다. 그러나 데이터 기록·삭제에 1.5V 이상 전압이 요구된다는 점이 치명적 약점이었다. 현행 논리 회로 구동 전압(0.7V 이하)과 맞지 않아 실제 제품에 도입하려면 별도의 전압 변환 회로가 필요했고, 이것이 에너지 낭비와 발열로 이어졌다.
연구팀은 전극 폭을 1nm 수준으로 정밀하게 가공해 강유전체 층 내부의 전기장 집중도를 대폭 높이는 방식으로 이 난제를 풀었다. 이를 통해 동작 전압을 0.6V까지 낮추는 데 성공했으며, 전력 소모량도 기존 FeFET 대비 10분의 1 수준으로 격감했다.


이번 소자의 응답 속도는 1.6나노초(ns)로 측정됐다. 고속 병렬 연산이 요구되는 AI 서버와 고성능컴퓨팅(HPC) 환경에서도 병목 현상 없이 구동할 수 있는 수준이다. 전극 축소로 인한 성능 저하 없이 속도까지 확보했다는 점이 이번 연구의 핵심 강점이다.

구조적 혁신도 눈에 띈다. 이 소자는 저장과 연산을 동일한 물리적 위치에서 처리하는 인메모리 컴퓨팅(In-Memory Computing) 방식을 채택했다. 기존 '폰 노이만 구조' 칩은 연산 처리장치(프로세서)와 저장 공간(메모리)이 분리돼 있어, 대용량 AI 연산 시 두 영역 사이의 데이터 왕복이 반복될수록 전력 손실과 발열이 누적되는 '메모리 벽(Memory Wall)' 현상을 피할 수 없었다. 인메모리 컴퓨팅은 이 이동 경로 자체를 없애 에너지 낭비를 원천 차단한다. 인간 뇌 신경망이 정보를 처리하는 방식을 공학적으로 재현한 이 구조가 전력 절감 효과를 배가시키는 핵심 기제다.

연구팀은 이번 기술에 대한 제조 공정 및 소자 설계 분야 특허를 이미 확보했다. 연구팀은 SCMP와의 인터뷰에서 "저전력 데이터센터 구현과 고성능 칩 개발에 실질적으로 기여할 수 있고, 무엇보다 1nm 미만 노드 반도체 제조의 실현 가능성을 처음으로 실증했다는 데 의의가 크다"고 말했다.

실리콘 기반 반도체는 3nm 이하 공정에서 누설 전류와 발열이 기하급수적으로 늘어 기존 방식의 미세화가 한계에 부딪힌다는 것이 업계 정설이다. 삼성전자는 3nm 공정부터 GAA(Gate-All-Around) 구조를 양산 라인에 도입했고, TSMC도 2nm 이하 노드에 같은 기술을 적용 중이다. 두 회사 모두 장비와 공정 개선을 통해 실리콘의 한계를 밀어붙이는 전략이다.

베이징대의 이번 성과는 결이 다르다. 첨단 노광 장비에 의존하지 않고 소재와 소자 구조 자체를 바꾸는 방식으로 1nm급 소자를 실증했다. 미국이 대중 반도체 장비 수출을 지속적으로 조여 오는 상황에서, 중국이 '우회'가 아닌 '새로운 경로'를 택하고 있다는 신호로 업계는 해석한다.

다만 단일 소자의 실험실 성과가 양산으로 이어지려면 ▲대면적 웨이퍼 균일도 확보 ▲대량 생산 수율 검증 ▲공정 장비 생태계 조성이라는 세 관문을 통과해야 한다. 상용화 로드맵은 아직 공개되지 않았다.


베이징대의 이번 성과는 삼성전자·SK하이닉스가 전략적 핵심축으로 삼고 있는 HBM(고대역폭 메모리)과 차세대 낸드 개발 방향에 직접 맞닿는 연구다. FeFET 기반 인메모리 컴퓨팅이 실제 칩에 구현되면 기존 메모리-프로세서 분리 구조를 전제로 설계된 HBM의 수요 구조 자체가 흔들릴 수 있어, 국내 업체의 중장기 제품 전략에 잠재적 변수로 작용할 가능성이 있다.

또한, 소재·장비 분야에서도 강유전체 박막 증착 공정과 원자층 식각(ALE) 기술 수요가 새롭게 부상할 것으로 전망돼, 관련 국내 소부장 기업들의 선제적 기술 준비가 요구된다. 반도체 업계 관계자는 "중국발 소자 혁신이 실제 양산으로 연결되기까지는 수년이 걸리겠지만, 한국 기업 입장에서는 지금이 FeFET 기반 아키텍처 연구 투자를 본격 확대해야 할 시점"이라고 짚었다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com