반도체 개척자 치탕 사의 유해, 중국으로 돌아오다

현대 반도체를 빚어낸 거장의 마지막 귀향

현대 반도체 시대의 개척자 치탕 사의 유해가 매장되기 위해 미국에서 중국 남동부 푸젠성으로 옮겨졌다. 사의 과학적 유산은 주머니 속 휴대전화부터 항공기를 제어하는 컴퓨터, 인공지능을 학습시키는 가속기에 이르기까지 반도체가 들어가는 거의 모든 기기에 깃들어 있다. 사는 1963년 페어차일드 세미컨덕터에서 동료 프랭크 완라스와 함께 상보형 금속 산화막 반도체 논리를 공동 제안했다. CMOS라는 이름으로 더 잘 알려진 이 개념은 간단한 원리에 기반하지만 파급력은 컸다. 실용적인 저전력 집적회로의 길을 열어 오늘날 반도체 산업이 엄청난 규모로 성장하는 밑거름이 됐다. 토론토대 소린 보이니게스쿠 교수가 쓴 《고주파 집적회로》에 따르면 2011년에는 반도체 집적회로의 약 99%가 CMOS 기술로 생산됐다.

사는 베이징에서 태어났으며 92세였던 7월 5일 별세했다. 샤먼대 명예교수로 재직했던 그는 학계와 오랫동안 인연을 맺었다. 그의 별세에 샤먼대도 애도를 표했다. 유해가 선조들의 고향인 푸젠성으로 돌아온 것은 일상과 세계 경제를 조용히 움직이는 과학, 그리고 연구실과 강의실을 거쳐 현대 정보화 시대의 중심부에 닿은 그의 생애를 되돌아보게 한다.

치탕 사는 누구인가

치탕 사는 정보화 시대의 토대를 세운 세대의 일원이었다. 1932년 중국에서 태어나 푸저우 사씨 명문가에서 자란 그는 미국에서 공학을 공부했다. 일리노이대에서 학사 학위 두 개를 취득한 뒤 스탠퍼드대에서 석사와 박사 학위를 받았다. 이 교육 과정은 실리콘 소자가 물리학 논문에서 공장 생산으로 옮겨가던 시기에 그를 초기 고체전자공학 연구의 중심에 서게 했다.

학업과 초기 경력

사는 1956년 고체전자공학 분야에서 산업계 경력을 시작했고, 얼마 지나지 않아 페어차일드 세미컨덕터에 합류했다. 그곳에서 그는 프랭크 완라스와 함께 1963년 CMOS 개념을 발표했다. 입력이 높을 때 전류를 흐르게 하는 트랜지스터와 입력이 낮을 때 전류를 흐르게 하는 트랜지스터를 짝지어, 대기 상태에서 전력 소모가 적고 칩이 복잡해져도 효과적으로 확장되는 논리 회로를 만들었다. 사는 이후 일리노이대에서 1962년부터 1988년까지 교수로 재직했고, 이어 플로리다대에서 연구를 이어갔다. 학계에서 활동하며 학술지 논문 약 280편을 발표하고 박사 과정 학생들을 지도했으며, CMOS 설계와 제조의 토대가 되는 소자 물리학을 발전시켰다. 이론과 소자, 시스템을 아우르는 그의 업적은 산업계와 학계에서 두루 인정받았다.

일리노이대 홀로냑 마이크로·나노기술연구소는 반도체 연구의 학내 전통을 만든 거장 가운데 사를 꼽는다. 연구소의 역사는 트랜지스터 시대부터 현대 집적회로에 이르는 흐름을 조명하며, 사는 그 계보의 한 축을 이룬다. 연구소의 역사 개요는 홀로냑 마이크로·나노기술연구소 웹사이트에서 확인할 수 있다.

연구소 연구진은 존 바딘, 닉 홀로냑 주니어, 치탕 사 같은 공학계 거장들이 시작한 유서 깊은 반도체 연구의 전통을 이어가고 있습니다. 이들의 획기적인 연구는 오늘날 정보기술 혁명의 출발과 발전에 기여했습니다.

세상을 바꾼 CMOS

상보형 금속 산화막 반도체의 약자인 CMOS는 대부분의 반도체 칩에 쓰이는 핵심 기술이다. 그 중심에는 상보형 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터, 즉 MOSFET 한 쌍이 있다. p형이라 불리는 트랜지스터는 입력이 낮을 때 전류를 통과시키는 특성이 있다. n형 트랜지스터는 입력이 높을 때 전류를 통과시키는 특성이 있다. 각 논리 게이트에서 이 둘을 짝지어 배치함으로써 엔지니어들은 정지 상태의 전력 소모가 매우 적고 전기적 잡음에 강한 회로를 만들었다. 전류는 회로가 전환될 때 주로 흐르므로 대기 중 발열이 줄고 에너지 효율이 높아진다.

CMOS의 전력 소모가 적은 이유

가장 간단한 논리 소자인 인버터를 살펴보자. CMOS 인버터에서 입력이 낮으면 p형 트랜지스터가 켜지고 n형은 꺼진다. 입력이 높으면 n형이 켜지고 p형은 꺼진다. 유효한 논리 상태에서는 소자 하나가 꺼져 있어 지속적인 전류 흐름이 제한된다. 전력은 주로 스위칭 과정에서 작은 정전용량을 충전하고 방전할 때 소모된다. 이 특성 덕분에 휴대기기의 배터리 수명이 늘고 칩 집적도가 높아졌으며, 설계자들은 전력 소모를 비례해서 늘리지 않고도 회로의 복잡도를 계속 높일 수 있었다.

CMOS는 1963년 페어차일드에서 도입됐으며, RCA가 1960년대 후반 최초의 CMOS 집적회로를 생산하면서 상업적으로 본격 확산됐다. 1980년대에는 다른 논리 회로 계열을 앞질렀다. 오늘날 CMOS는 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러, 정적 RAM, 이미지 센서, 수많은 시스템의 제어 논리에 쓰인다. FinFET과 게이트올어라운드 구조가 기존 평면형 설계를 대체하는 등 트랜지스터의 물리적 형태가 진화하는 가운데서도 논리 방식은 여전히 CMOS다. 현대의 많은 칩은 부품을 3차원으로 적층하고 첨단 패키징을 사용하지만, 사와 완라스가 주창한 상보적 스위칭 원리에 여전히 의존한다.

페어차일드에서 강의실까지

페어차일드 세미컨덕터는 실리콘밸리 성장에 이례적으로 큰 역할을 했다. 집적회로의 초기 도약을 이끈 공정과 소자를 개발한 과학자와 엔지니어들이 이곳에 모였다. 사는 그 환경에서 소자 이론의 깊은 탐구와 제조·설계의 실무를 오갔고, 그 경험을 강의실로 가져갔다.

교육과 후학 양성

일리노이대에서 사는 실리콘 소자와 그 작동 원리에 대한 엄밀한 이해를 키우는 데 힘을 보탰다. 그가 가르친 학생들은 차세대 반도체를 설계하고 제작하는 인재로 성장했다. 존 바딘과 닉 홀로냑 주니어 같은 인물에서 뿌리를 찾는 홀로냑 마이크로·나노기술연구소는 반도체의 기초 연구와 현재의 기술 발전을 잇는 살아 있는 연결고리다. 연구소는 자체 역사 소개 페이지 hmntl.illinois.edu에서 이 계보를 소개한다. 학계의 연구와 산업계의 협력은 CMOS를 하나의 아이디어에서 사실상 보편적인 플랫폼으로 발전시켰다. 학술지 《머티리얼스》에 실린 최근 논평은 아날로그·메모리·뉴로모픽 컴퓨팅을 위해 새로운 소재와 소자 유형이 연구되고 있지만, CMOS와 호환되는 제조 공정에 적용할 수 있다면 CMOS가 디지털 시스템의 지배적인 기반으로 남을 것이라고 밝혔다. 이는 사가 발전의 첫걸음을 뗀 플랫폼의 성숙도와 회복력을 보여준다.

휴대전화와 항공기, AI 가속기에서 확인되는 유산

사의 영향은 모든 이의 주머니와 책상 위에서 확인할 수 있다. 소프트웨어 명령을 실행하는 디지털 논리 회로, 데이터를 저장하는 메모리 배열, 이미지를 포착하는 센서, 기기를 연결하는 무선통신 장치는 모두 CMOS 기술에 의존한다. 항공기의 비행 컴퓨터부터 자동차와 우주선의 제어 시스템까지, 설계자들은 에너지 효율과 신뢰성, 확장성을 고려해 CMOS를 선택한다.

CMOS를 기반으로 한 일상 기술

클라우드 서비스와 인공지능을 구동하는 칩도 CMOS 기술을 바탕으로 한다. 이 분야에서 널리 알려진 제품 중 하나인 엔비디아 H200 가속기는 첨단 CMOS 공정 기술로 제작됐다. 이처럼 고성능 칩의 수출 통제는 미국과 중국 간 긴장을 낳는 쟁점이 됐다. 지정학적 상황은 복잡하지만 과학적 토대는 간단하다. 전력을 낮추고 고밀도 집적을 가능하게 하는 상보적 스위칭, 즉 CMOS의 핵심 원리는 이러한 기술적 도약을 관통하는 공통된 기반이다.

오늘날 중국에서 그의 귀향이 갖는 의미

사의 유해가 푸젠성으로 돌아온 데에는 문화적·과학적 상징성이 담겨 있다. 그는 샤먼대 명예교수였으며, 베이징에서 출발해 세계 각지의 연구실과 강의실로 이어진 그의 여정은 지난 세기 중국 과학자 디아스포라의 역사를 비춘다. 중국은 반도체 교육과 연구, 제조에 막대한 투자를 하고 있다. 사가 발전에 기여한 상보 논리와 정교한 소자 물리 제어 같은 기초 개념은 중국의 이러한 목표를 이루는 데 핵심적이다.

수출 통제와 공급망 변화, 더 작고 빠르며 에너지 효율이 높은 칩을 만들기 위한 경쟁으로 반도체는 국가 전략의 핵심에 놓였다. 그러나 CMOS는 엔지니어들이 공유하는 언어다. 베이징이나 타이베이, 신주, 서울, 오스틴, 드레스덴 어디서든 트랜지스터의 작동 원리를 뒷받침하는 방법과 모델은 비슷한 방식으로 가르치고 적용한다. 이러한 공통 기반은 사의 유산 가운데 하나이며, 엔지니어들이 더 높은 성능과 낮은 전력 소모를 추구하는 과정에서 앞으로도 길잡이가 될 것이다.

쉽게 풀어본 과학

CMOS의 기본 소자인 MOSFET은 전기장으로 전류를 제어하는 작은 스위치다. 반도체 안에 채널이 있고 양끝에는 소스와 드레인 단자가 있다고 생각해 보자. 얇은 절연 산화막이 채널과 게이트 전극을 분리한다. 게이트에 전압을 가하면 소자는 채널 안의 전하 운반자를 끌어당기거나 밀어낸다. 전압이 임계값을 넘으면 전도 경로가 형성돼 전류가 흐른다. 임계값보다 낮으면 미세한 누설 전류를 제외하고 경로가 닫혀 전류가 멈춘다.

MOSFET의 작동 원리

CMOS 논리 회로에서 n형 MOSFET은 입력이 높을 때 출력을 접지 쪽으로 끌어내리고, p형 MOSFET은 입력이 낮을 때 출력을 전원 전압 쪽으로 끌어올린다. 두 소자는 서로 반대 방향으로 작동하므로 안정된 논리 상태에서는 하나만 전류를 흘린다. 그 결과 논리 게이트의 정적 전력 소모가 거의 0에 가까워지며, 이는 CMOS가 디지털 회로의 선호 기술이 된 핵심 이유다.

전력과 미세화

CMOS의 전력 소모에는 크게 두 가지 요인이 있다. 동적 전력은 스위칭 과정에서 정전용량을 충전하고 방전할 때 발생한다. 누설 전력은 트랜지스터가 꺼져 있을 때도 흐르는 미세한 전류에서 비롯되며, 소자가 작아질수록 그 비중이 커진다. 엔지니어들은 클록 게이팅, 동적 전압 스케일링, 정교한 레이아웃 같은 회로 기법과 개선된 소자 구조를 도입해 전력 소모를 줄인다. FinFET과 게이트올어라운드 트랜지스터는 채널 제어를 개선하고 누설 전류를 줄여 추가적인 미세화를 뒷받침한다. 신뢰성도 중요하다. 설계자들은 정전기 방전을 막는 보호 구조를 넣고, 시간이 지나면서 금속 배선이 열화될 수 있는 스트레스 요인도 고려한다. CMOS는 디지털 논리 회로를 넘어 정밀 아날로그 기능과 이미지 센싱, 5G 무선통신 회로에도 쓰이며 6G 연구에도 활용돼, 사의 영향력을 거의 모든 전자 분야로 확장하고 있다.

마지막 추모와 매장 계획

사의 유해가 푸젠성으로 옮겨지면서 그의 삶은 한 바퀴 돌아 제자리로 왔다. 그의 연구는 중국에서 시작해 미국에서 무르익었고, 제자와 논문, 제품을 통해 여러 대륙으로 퍼져 나갔다. 선조들의 고향에 그를 묻는 일은 개인의 뿌리를 기리는 동시에 많은 이들의 감사를 전하는 뜻을 담고 있다. 그가 명예교수로 재직한 샤먼대도 그의 업적을 기억하는 기관 가운데 하나다.

페어차일드의 작업대에서 시작해 전 세계 강의실과 클린룸으로 이어진 CMOS의 여정은 사의 아이디어가 미친 영향의 크기를 보여준다. 기기가 빠르게 켜지고 전력을 아껴 쓸 때마다 그의 통찰이 남긴 흔적을 볼 수 있다. 그가 빚어낸 실리콘처럼 오래 지속될 유산이다.

핵심 내용

• 치탕 사의 유해가 매장을 위해 미국에서 푸젠성으로 옮겨졌다
• 사와 프랭크 완라스는 1963년 페어차일드에서 현대 반도체의 기반인 CMOS 개념을 공동 제안했다
• 소린 보이니게스쿠의 교과서에 따르면 2011년 집적회로의 약 99%가 CMOS를 사용했다
• 사는 일리노이대와 플로리다대에서 가르쳤으며 논문 약 280편을 발표하고 박사 과정 학생들을 지도했다
• CMOS는 휴대전화와 컴퓨터, 항공우주 시스템, 엔비디아 H200 같은 AI 가속기에 필요한 에너지 효율적인 논리 회로를 가능하게 했다
• 그의 귀향은 중국의 반도체 산업 육성 정책과 첨단 프로세서 수출 통제가 이어지는 가운데 이뤄졌다
• 사는 샤먼대 명예교수였으며 학계와 산업계에서 기억되고 있다
• FinFET과 게이트올어라운드 같은 기술이 발전하는 가운데서도 CMOS 원리는 차세대 반도체의 핵심으로 남아 있다