Processors and Memory

프로세서와 메모리는 엄청난 속도로 발전해왔다. 1951년과 비교했을 때, 지금 컴퓨터에 사용되고 있는 circuit과 비교했을 때, 수천억 이상의 성능을 낸다 (아직 발표되지 않은 기술이 많기 때문에 그 이상의 성능을 내는 칩도 분명히 존재할 것이다). 

 

Transistor

트랜지스터는 간단하게 전자적으로 on and off를 하는 장치이다. 키고, 끄는 조금은 단순한 장치이다. Integated Circuit (IC)는 수백 수천개의 트랜지스터를 한 칩에 넣은 것을 말한다. 그러니까 키고 (1) 끄는 (0) 장치가 수천 개 모여있으니, 만약 1000개가 있다면, 1개였을 때 1, 0 두 숫자를 표현할 수 있다. 반면에 이 천 개의 트랜지스터를 사용해서 숫자를 표현해본다면 0부터 2¹⁰⁰⁰ - 1의 숫자까지 표현할 수 있다. 2의 1000제곱? 얼마나 큰 걸까?,,,

107150860718626732094842504906000181056140481170553360744375038837035105112493612249319837881568

필자의 머리에 저장되어있는 숫자의 단위로 셀 수 없는 숫자이다. 정말 대단한 칩이 되는 것이다. 앞전에 소개했던 무어의 법칙에 등장하는 골든 무어 (Gordon Moore)는 이 칩에 들어가는 트랜지스터의 개수가 2배씩 증가할 것이라고 예상했었다. 이렇게 급속도로 트랜지스터의 갯수가 매년 증가해서, 몇백 개의 트랜지스터가 들어가던 시절에서 지금은 몇백만 개, 그이 상의 트랜지스터가 한칩에 들어가고 있다. 그 차이가 너무 크기 때문에, 새로운 신조어가 등장했는데, 바로 VLSI (Very Large Scale Integrated Circuit)이다. 말 그대로 스케일이 큰 Integrated Circuit이라는 뜻이다. 아래 그래프를 보면, 지난 수십 년간, 매년 60%의 성장을 이루었다. (최근 20년은 초반보다 성장이 더디어져서, 무어가 말한 2년 동안 2배가 아닌, 3년에 가까워졌다)

 

 

칩의 제작

그렇다면 이 칩은 어떻게 만들어지는가? 결론적으로 말하면 칩은 실리콘으로 만들어진다. 실리콘은 semiconductor(반도체)이다. 가해지는 열에 의해 전도가 바뀌기 때문에 전도체라고 할 수 없는 것이다. 이에 대한 자세한 설명은, 이 유튜브 영상을 보면 쉽게 설명하고 있다. 실리콘은 화학작용을 통해 여러 가지 형태로 변화할 수 있는데, 특별한 상황에서만 전도를 하는 식으로 제작할 수 있다. 마치 전등을 켜고 끄는 것 같은 기능을 하는 것이다! 

 

칩의 제작은 아래 사진에 보이는 실리콘 막대기(Silicon Crystal Ingot)에서 시작한다. 다양한 길이와 두께의 옵션들이 있는데, 이것을 아주 얇은 (1-2 mm 두께) 와퍼로 만든다. 아래 사진에서 하단에 위치한 것들이 와퍼이다. 이 와퍼를 20 - 40번의 공정을 통해서 Patterned Wafer로 만들어지는데, 이 과정 중 트랜지스터, conductors(전도체)과 insulators(절연체)이 만들어지고 이 와퍼들은 테스터들에 의해 테스트 과정을 거친다.

 

Silicon Ingots(top) and wafers (bottom) of different diameters 

 

아래를 보면 7세대 인텔 코어의 와퍼를 들고 있는 사진이다. 이렇게 패턴 된 와퍼들은 잘게 잘라지는데, 이것을 dies라고 불리고, 또는 chips라고도 불린다. 자세히 보면, 아직 잘라지기 전의 수많은 마이크로 프로세서들(dies)이 보인다. 세대가 교체되고 기술이 발전될수록 한 와퍼에 들어가는 die(칩)의 개수가 늘어난다. 이 블로그 포스팅을 쓸 때 참고하는 책에서는 2012 가장 작은 프로세스 노드 사이즈가 32nm라고 소개하고 있는데, 거의 10년이 지난 지금, 2021년에는 5nm, 또는 그것보다 작게 출고되고 있다고 한다.

 

* 나노미터(nm)는, 1/1000 마이크로미터(μm)이고, 마이크로미터(μm)는 1/1000 밀리미터(mm)이다.

 

 

7th Gen Intel Core processors's sillicon wafer

 

좋은 die를 찾았다면, input/output 핀에 연결되는데, 이것을 본딩(bonding)이라고 한다. 말 그대로 본드칠을 하는 것처럼 작업을 해서 팔 수 있는 패키지로 만들어주는 것이다. 그 후, Package 테스터들이 이것들을 또다시 테스트해서, 고객에게 보내지는 것이다. 아래는 이 모든 과정을 나타내 준다. 

 

 

 

마지막으로 이 모든 과정을 보여주는 영상들이 유튜브에 많이 있는데, 정말 신기하다!

인텔이 모래에서 칩을 만드는 과정

2012년 인텔 i5 22nm 칩 제작

AMD에서 Zen 코어 만드는 과정

CPU가 만들어지는 과정 << 꼭 봐야 한다!

 

 

Reference

 

David A. Patterson and John L. Hennessy. 2013. Computer Organization and Design, Fifth Edition: The Hardware/Software Interface (5th. ed.). Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA.

 

slideplayer.com/slide/1504878/

ko.wikipedia.org/wiki/%EC%8B%A4%EB%A6%AC%EC%BD%98

namu.wiki/w/%EC%8B%A4%EB%A6%AC%EC%BD%98

www.youtube.com/watch?v=gUmDVe6C-BU