트랜지스터는 스위치다 — 전기로 여닫는 아주 작은 수도꼭지

손톱만 한 칩 속의 스위치

휴대폰 뉴스에는 칩 이야기가 자주 나옵니다. 「새 칩, 더 빠르고 배터리는 더 오래」 같은 제목입니다. 그 칩은 손톱만 한 조각인데, 그 안에서 계산을 맡는 부품은 전기가 흐르게 했다가 멈추게 하는 스위치입니다.

트랜지스터는 전기로 켜고 끄는 아주 작은 스위치입니다. 벽의 전등 스위치는 손가락으로 누르지만, 트랜지스터는 전기로 누릅니다. 요즘 칩 하나에는 이런 스위치가 셀 수 없이 많이 들어 있습니다.

스위치라고 하면 전등 스위치가 먼저 떠오르지만, 이 글은 수도꼭지 하나로 설명합니다. 수도꼭지에는 물길이 있고, 물길을 막는 마개가 있고, 꼭 잠가도 똑똑 떨어지는 물까지 있습니다. 트랜지스터를 이해하는 데 필요한 것이 이 셋에 다 들어 있습니다. 물은 전기의 흐름, 곧 전류입니다. 이 수도꼭지를 글 끝까지 들고 가겠습니다.

트랜지스터 하나는 전기로 여닫는 수도꼭지 하나입니다. 칩은 그 수도꼭지를 셀 수 없이 많이 엮은 것입니다.

수도꼭지 하나 — 물길과 마개

수도꼭지를 만들려면 먼저 재료가 있어야 합니다. 칩의 재료는 실리콘, 곧 모래에서 얻는 규소입니다. 실리콘은 반도체입니다. 반도체는 전기가 잘 통하는 금속과 거의 안 통하는 유리의 중간쯤 되는 물질로, 조건에 따라 전기가 통하기도 하고 막히기도 합니다. 통하게도, 막히게도 만들 수 있어야 스위치가 됩니다.

순수한 실리콘은 그대로 두면 전기가 잘 통하지 않습니다. 그래서 손을 봅니다. 도핑은 실리콘에 다른 원자를 아주 조금 섞어 전기가 통하는 정도를 바꾸는 일입니다. 섞는 원자의 종류에 따라 전기를 나르는 알갱이가 전자가 되기도 하고, 전자가 빠진 빈자리가 되기도 합니다. 어느 쪽이든 섞으면 전기가 더 잘 통합니다.

트랜지스터는 실리콘 한 조각을 세 구역으로 나눕니다. 전류가 들어오는 쪽 끝과 나가는 쪽 끝은 도핑으로 전기가 잘 통하게 합니다. 그 사이 가운데는 양 끝과 성질이 다르게 해 두어서, 게이트가 가만히 있으면 전류가 경계를 건너가지 못합니다. 수도꼭지로 말하면 물이 들어오는 관과 나가는 관이 있고, 그 사이 물길이 막혀 있는 모양입니다. 채널은 트랜지스터의 양 끝 사이에서 전류가 지나가는 길입니다. 수도꼭지의 물길입니다.

이제 마개가 필요합니다. 게이트는 채널 위에 얇은 막을 사이에 두고 얹힌 조각으로, 여기에 거는 전압이 채널을 열고 닫습니다. 게이트에 전압을 걸지 않으면 채널은 막혀 있고, 전류가 거의 흐르지 않습니다. 전압을 걸면 막혀 있던 가운데에 전기를 나르는 알갱이가 모여 얇은 길이 생기고, 양 끝 사이로 전류가 흐릅니다.

게이트와 채널 사이의 얇은 막은 전기를 막으려고 까는 절연막입니다 (DOI: 10.1088/0034-4885/69/2/r02). 그래서 게이트로는 전류가 거의 흘러들지 않습니다. 수도꼭지로 말하면 손잡이를 돌리는 데는 물이 들지 않습니다. 작은 힘으로 큰 흐름을 여닫을 수 있다는 점이 이 스위치의 쓸모입니다.

비유에는 한 군데 어긋나는 곳이 있습니다. 진짜 수도꼭지는 마개가 움직여 물길을 엽니다. 트랜지스터에는 움직이는 부품이 하나도 없고, 게이트의 전압이 채널에 길을 만들었다가 지웁니다. 이 글에서 마개가 물길을 「누른다」「감싼다」고 할 때도 움직이는 것은 없습니다. 게이트에 건 전압의 힘이 채널에 한 면에서, 세 면에서, 사방에서 미친다는 뜻입니다.

트랜지스터는 양 끝 사이의 막힌 길을, 게이트에 거는 전압으로 열고 닫는 스위치입니다.

0과 1, 그리고 작은 판단

수도꼭지 하나로 할 수 있는 일은 둘입니다. 물이 흐르거나 흐르지 않습니다. 칩은 이런 두 상태에 1과 0이라는 숫자를 붙입니다. 이 글에서는 물이 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 셉니다. 사진도, 음악도, 이 글의 글자도 칩 안에서는 전부 0과 1의 긴 줄로 바뀌어 있습니다.

수도꼭지를 둘 쓰면 판단이 생깁니다. 한 물길에 수도꼭지 두 개를 잇달아 달아 보겠습니다. 앞의 것과 뒤의 것이 둘 다 열려야 끝에서 물이 나옵니다. 하나라도 잠겨 있으면 나오지 않습니다. 「둘 다 열려야 나온다」는 판단입니다.

이번에는 물길을 두 갈래로 나눠 수도꼭지를 나란히 달아 봅니다. 이때는 둘 중 하나만 열려도 물이 나옵니다. 「하나라도 열리면 나온다」는 판단입니다. 두 예시는 이 글이 만든 그림이지만, 칩 안의 회로도 스위치를 잇달아 달거나 나란히 달아 이런 판단을 만듭니다.

이런 작은 판단을 수없이 쌓으면 덧셈이 되고, 덧셈을 쌓으면 계산이 됩니다. 칩이 하는 일은 결국 수많은 스위치가 서로의 결과를 받아 켜지고 꺼지는 일입니다. 그래서 스위치가 많을수록 칩이 한 번에 할 수 있는 일이 많아집니다.

첫 트랜지스터는 1947년 11월 미국 벨 연구소에서 나왔습니다 (DOI: 10.1109/4.643644). 칩 안에 있는 것은 그와 다른 방식, 곧 앞에서 본 것처럼 게이트의 전압으로 채널을 여닫는 방식입니다. 모스펫(MOSFET)은 게이트에 거는 전압으로 채널을 여닫는 트랜지스터로, 금속·산화막·반도체를 층층이 쌓은 구조에서 이름을 땄습니다.

모스펫의 착상, 곧 옆에서 거는 전기의 힘으로 반도체가 전기를 통하는 정도를 바꾼다는 생각은 1928년 특허 출원에 처음 나옵니다. 그런데 실리콘 표면의 문제로 한동안 쓸 만한 소자가 나오지 않았고, 그 문제는 1958년에 풀렸습니다. 그 뒤 컴퓨터가 이런 스위치를 필요로 했고, 여러 부품을 한 조각에 담는 기술이 길을 열었습니다. 그렇게 모스펫은 디지털 기기의 기본 부품이 됐습니다 (DOI: 10.1049/esej:19980509).

스위치로 이어진 길이 열리면 1, 막히면 0이고, 스위치 몇 개를 엮으면 작은 판단이 됩니다. 칩은 그 판단을 쌓아 계산합니다.

작게, 더 작게 — 무엇을 얻었나

칩 하나에 든 부품의 수는 1959년 부품 한 개에서 출발하는 추세선을 따라 두 배, 또 두 배로 늘어 왔습니다 (DOI: 10.1109/tsm.2010.2096437). 그 사이 스위치 하나하나는 점점 작아졌습니다.

작아지면 얼마나 더 들어가는지는 수도꼭지로 셈할 수 있습니다. 벽 한 면에 수도꼭지를 빼곡히 붙인다고 해 보겠습니다. 수도꼭지의 가로와 세로를 각각 절반으로 줄이면, 수도꼭지 하나가 차지하는 넓이는 4분의 1이 됩니다. 같은 벽에 4배를 붙일 수 있습니다. 이 셈은 이 글의 산수이고, 실제 칩에서 한 세대에 줄이는 폭은 이보다 작습니다 (DOI: 10.1142/s0129156417400018).

작게 만들면 개수와 함께 다른 이득도 따라왔습니다. 스위치를 줄이면 같은 넓이에 더 많이 들어가는 것과 함께 스위치가 더 빨리 켜지고 꺼졌고, 한 번 켜고 끄는 데 드는 전기도 줄었습니다. 칩 전체가 쓰는 전기가 준 것은 아닙니다. 업계는 공정의 새 세대마다 이 성능·전력·면적의 이득을 기대해 왔습니다 (DOI: 10.1142/s0129156417400018, DOI: 10.54254/2755-2721/2026.ka30036). 작게만 만들면 모든 것이 좋아지던 시절이 있었습니다.

그 이득이 줄어들고 있습니다. 스위치가 극단적으로 작아지자 문제가 셋 생겼습니다. 짧아진 채널을 게이트가 제대로 막지 못하고, 좁은 곳에 전력이 몰리고, 스위치 사이를 잇는 전선에서 신호가 늦어집니다. 이 셋이 작게 만들어 얻던 이득을 갉아먹고 있습니다 (DOI: 10.54254/2755-2721/2026.ka30036). 그중 전력 쪽 이득이 막히면서 칩에 무슨 일이 생겼는지는 다크 실리콘을 다룬 글이 따라갑니다.

스위치를 작게 만들면 더 많이, 더 빠르게, 한 번에 전기를 덜 쓰게 됐지만, 너무 작아지자 그 이득이 줄기 시작했습니다.

꼭 잠가도 똑똑

오래 쓴 수도꼭지는 꼭 잠가도 물이 똑똑 떨어집니다. 트랜지스터에도 같은 일이 생깁니다. 누설전류는 트랜지스터가 「꺼진」 상태에서도 새어 나가는 전류입니다.

누설은 스위치가 작아지면서 커졌습니다. 채널의 길이, 게이트와 채널 사이 막의 두께, 트랜지스터가 켜지기 시작하는 전압을 줄여 온 결과 누설전류가 칩이 쓰는 전력에서 무시할 수 없는 몫이 됐습니다 (DOI: 10.1109/jproc.2002.808156). 수도꼭지로 말하면 물길을 짧게, 마개 밑의 막을 얇게 만들수록 잠가 둔 수도꼭지에서 떨어지는 물이 늘어난 것입니다.

새는 길은 여러 갈래입니다. 첫째는 잠긴 채널 자체로 스며 나가는 흐름입니다. 채널이 짧아지면 나가는 쪽 끝에 걸린 전압이 마개가 막고 있는 자리까지 영향을 미쳐 마개를 느슨하게 합니다 (DOI: 10.1109/jproc.2002.808156). 평평한 채널 위에 게이트를 얹는 구조로는 스위치를 계속 줄이면서 게이트가 채널을 쥐는 힘을 지키기 어렵습니다 (DOI: 10.1109/soi.2009.5318794).

둘째는 마개 밑의 막을 뚫고 새는 흐름입니다. 막은 계속 얇아졌습니다. 얇을수록 게이트가 채널을 더 잘 쥐기 때문입니다(뒷날의 계산도 이를 보여 줍니다, DOI: 10.1063/1.3043662, 시뮬레이션). 그런데 게이트 밑에 쓰던 막이 1.4나노미터, 머리카락 굵기를 7만 조각쯤 낸 한 조각의 두께까지 얇아지자 막을 뚫고 새는 전류가 너무 커졌습니다. 그래서 게이트의 힘은 그대로 전하면서 더 두껍게 깔 수 있는 다른 물질로 막을 바꾸는 연구가 이어졌습니다 (DOI: 10.1088/0034-4885/69/2/r02).

새는 전기는 꺼진 채 기다리는 스위치에서도 나옵니다. 수도꼭지 하나에서 떨어지는 물은 한 방울이어도, 한 건물에 수도꼭지가 10억 개 있으면 사정이 다릅니다. 모두 1초에 한 방울씩 떨어뜨리면 건물 전체로는 1초에 10억 방울입니다. 이 숫자는 이 글의 그림이고, 칩 안의 스위치 하나가 새는 양은 아주 작아도 그 수가 셀 수 없이 많다는 점을 보이려는 것입니다. 누설을 줄이는 일은 휴대 기기처럼 전기를 아껴야 하는 쓰임새에서 특히 중요합니다 (DOI: 10.1109/jproc.2002.808156). 2001년의 한 종설은 스위치를 얼마나 작게 만들 수 있는지의 한계가 주로 이 새는 전류에서 온다고 보면서도, 그 끝이 한 점이 아니라 쓰임새마다 다른 여러 점이라고 결론짓습니다 (DOI: 10.1109/5.915374).

같은 평평한 구조로 트랜지스터를 작게만 만들면 꺼 놓아도 새는 전기가 늘어납니다. 스위치를 줄이는 한계도 주로 이 누설에서 온다고 봅니다.

마개가 물길을 감싸다 — 핀펫에서 게이트올어라운드로

물길을 한 면에서만 누르는 마개는 물길이 짧아질수록 마개에서 먼 쪽의 틈을 막기 어렵습니다. 해법은 마개가 물길을 더 여러 면에서 쥐게 하는 것이었습니다. 핀펫은 채널을 지느러미처럼 세워 게이트가 세 면을 감싸게 한 구조이고, 게이트올어라운드는 게이트가 채널을 사방에서 완전히 둘러싸는 구조입니다.

핀펫에서는 채널이 평평하게 누워 있지 않고 벽처럼 서 있습니다. 게이트는 그 벽의 양옆을, 흔히는 위까지 덮습니다. 여러 면에 게이트가 있어서, 핀펫은 평평한 트랜지스터보다 짧은 채널을 더 잘 다루고, 그 덕분에 스위치를 더 줄일 수 있었습니다 (DOI: 10.1155/2014/365689).

이 모양은 실제 공장으로 들어갔습니다. 2012년에 발표된 한 제조 공정은 세 면을 감싼 트랜지스터에 앞에서 본 다른 물질의 막을 함께 써서 휴대 기기용 칩을 만들면서, 짧은 채널을 잘 통제하고 새는 전류가 기록적으로 낮았다고 보고했습니다 (DOI: 10.1109/iedm.2012.6478969). 제조 공정을 개발한 쪽이 낸 발표입니다.

그다음 걸음이 마개가 물길을 빙 둘러 감싸는 것입니다. 게이트올어라운드에서는 채널을 얇은 판 모양으로 만들어 여러 장을 위아래로 쌓고, 게이트가 판 하나하나를 사방에서 감쌉니다. 이 얇은 판을 나노시트라고 부릅니다. 평평한 구조에서 핀펫, 게이트올어라운드로 오는 동안 채널에 닿는 게이트 면이 늘었고, 그만큼 게이트가 채널을 더 잘 통제하고 같은 자리에서 더 많은 전류를 흘리게 됐습니다 (DOI: 10.1093/nsr/nwae008).

나노시트를 쌓은 게이트올어라운드는 핀펫의 뒤를 이을 좋은 후보로 2017년 한 학회 발표에서 제안됐습니다. 같은 자리에서 전류가 지나는 폭이 넓고, 핀펫보다 성능이 좋았다는 보고입니다 (DOI: 10.23919/vlsit.2017.7998183). 컴퓨터 시뮬레이션으로 둘을 견준 연구에서도 같은 면적에서 나노시트 쪽이 켜졌을 때 더 많은 전류를 흘렸습니다 (DOI: 10.1109/jeds.2018.2866026, 시뮬레이션). 수도꼭지로 말하면 한 자리에 물길을 여러 겹 겹쳐 두고 마개가 겹마다 빙 둘러 감싸는 모양입니다.

게이트가 채널을 감싸는 면이 한 면에서 세 면, 사방으로 늘수록 꺼 놓았을 때 덜 새고, 같은 자리에서 더 많은 전류를 흘립니다.

「GAA 양산」이라는 제목을 읽어 보면

이제 뉴스 제목 하나를 읽어 보겠습니다. 「차세대 GAA 트랜지스터 양산 시작」. 처음 보면 알파벳 셋뿐인 제목입니다. 앞에서 본 것만으로 세 가지를 물을 수 있습니다.

첫째, GAA는 무엇인가. 게이트올어라운드의 머리글자입니다. 게이트라는 마개가 채널이라는 물길을 사방에서 감싼 트랜지스터입니다. 바로 앞 세대인 핀펫은 세 면을 감쌌습니다.

둘째, 왜 감쌌나. 스위치가 작아져 채널이 짧아지면, 꺼 놓아도 전류가 새고 게이트가 채널을 쥐는 힘이 약해집니다. 감싸는 면을 늘리면 그 힘이 커지고, 새는 전류가 줄어듭니다. 줄어드는 것이지 0이 되는 것은 아닙니다. 사방을 감싼 구조에도 따로 막아야 하는 새는 길이 있습니다 (DOI: 10.23919/vlsit.2017.7998183).

셋째, 무엇을 얻나. 같은 자리에서 더 많은 전류를 흘릴 수 있다는 것이 이 구조를 제안한 쪽과 시뮬레이션 연구가 보여 준 이득입니다. 그 이득이 실제 제품에서 얼마만큼 나오는지는 제목이 말해 주지 않습니다.

같은 제목에 「3나노」 같은 숫자가 붙어 있다면, 그 숫자가 무엇의 길이인지는 또 다른 물음입니다. 그 물음은 「3나노」를 다룬 글이 따로 풉니다.

「GAA」라는 세 글자는 마개가 물길을 사방에서 감쌌다는 뜻이고, 그 이유는 작아진 스위치에서 새는 전류입니다.

어디를 더 볼까

사방을 다 감싼 다음의 수는 아직 정해지지 않았습니다. 2024년의 한 종설은 공정 이름으로 1나노미터 세대를 넘어서면 크기를 줄이는 방식의 발전은 더 기대하기 어렵다고 보고, 스위치를 위아래로 쌓는 구조를 다음 길로 꼽습니다 (DOI: 10.1093/nsr/nwae008).

• 「왜 클럭은 4GHz에서 멈췄나 — 다크 실리콘과 전력의 벽」 — 작게 만들어 얻던 전력 쪽 이득이 막히면서 생긴 일.
• 「무어의 법칙 그 이후 — '나노미터'는 무엇을 뜻하게 됐나」 — 새는 전류와 게이트 구조 변화를 한 단계 깊이.
• 「2D 반도체 — 그래핀의 배신과 '실리콘 이후'의 진짜 후보」 — 실리콘 대신 원자 몇 겹 두께의 물질로 채널을 만들려는 시도.
• 같은 첫걸음 시리즈의 「3나노」는 무엇의 길이인가, 빛으로 그린다 — 노광, 계산보다 나르기가 느리다 — 메모리 병목과 HBM은 각각 공정 이름의 숫자, 스위치를 새기는 빛, 칩 밖에서 데이터를 가져오는 일을 다룹니다.

근거 논문

• "The other transistor: early history of the metal-oxide semiconductor field-effect transistor" (1998) — DOI: 10.1049/esej:19980509 — 전기장으로 반도체의 전도를 조절한다는 착상은 1928년 특허에 처음 나오고, 모스펫은 표면 문제를 1958년에 푼 뒤 컴퓨터와 집적회로의 필요로 디지털 전자공학의 기본 부품이 됐다.
• "A history of the invention of the transistor and where it will lead us" (1997) — DOI: 10.1109/4.643644 — 1947년 11월 벨 연구소에서 바딘과 브래튼이 트랜지스터를 발견했다.
• "Fifty Years of Moore's Law" (2011) — DOI: 10.1109/tsm.2010.2096437 — 칩당 부품 수가 두 배로 느는 추세선은 1959년 부품 1개에서 출발한다.
• "High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors" (2005) — DOI: 10.1088/0034-4885/69/2/r02 — 게이트 절연막 SiO₂가 1.4 nm까지 얇아져 누설이 너무 커졌고, 더 두껍게 쓸 수 있는 고유전율 산화막으로 바꿔야 한다.
• "Dielectric scaling of a top gate silicon nanowire on insulator transistor" (2008) — DOI: 10.1063/1.3043662 — 3차원 양자 시뮬레이션에서 절연막이 얇을수록 게이트가 채널 전위를 더 잘 통제한다.
• "Scaling Challenges for Advanced CMOS Devices" (2017) — DOI: 10.1142/s0129156417400018 — 새 공정 세대마다 칩의 전력·성능·면적 스케일링이 요구된다.
• "Nanomaterials for Next-Generation Semiconductors: From Transistor Scaling to Heterogeneous Integration" (2025) — DOI: 10.54254/2755-2721/2026.ka30036 — 게이트 길이 10 nm 영역에서 단채널 효과·전력밀도·배선 지연이 성능·전력·면적의 전통적 이득을 갉아먹는다.
• "Leakage current mechanisms and leakage reduction techniques in deep-submicrometer CMOS circuits" (2003) — DOI: 10.1109/jproc.2002.808156 — 문턱전압·채널 길이·산화막 두께가 줄며 누설이 전력 소모의 큰 몫이 됐고, 드레인 유도 장벽 저하 등 여러 누설 기전이 있으며 저전력 응용에서 특히 중요하다.
• "Device scaling limits of Si MOSFETs and their application dependencies" (2001) — DOI: 10.1109/5.915374 — 스케일링 한계는 터널링·문턱하 누설에서 오며, 끝점은 하나가 아니라 응용마다 다르다.
• "Review of FINFET technology" (2009) — DOI: 10.1109/soi.2009.5318794 — 평면 CMOS는 미세화하며 게이트-채널 통제를 지키기 어려워 핀펫 같은 다중 게이트 소자가 제안됐다.
• "FinFETs: From Devices to Architectures" (2014) — DOI: 10.1155/2014/365689 — 두세 면의 게이트를 가진 핀펫은 평면 소자보다 단채널 효과를 잘 다뤄 미세화를 이어 가게 한다.
• "A 22nm SoC platform technology featuring 3-D tri-gate and high-k/metal gate, optimized for ultra low power, high performance and high density SoC applications" (2012) — DOI: 10.1109/iedm.2012.6478969 — 3차원 트라이게이트로 뛰어난 단채널 통제와 기록적으로 낮은 누설을 보고한 제조 공정 발표.
• "New structure transistors for advanced technology node CMOS ICs" (2024) — DOI: 10.1093/nsr/nwae008 — 평면→핀펫→GAA로 게이트 면이 늘어 통제와 전류가 좋아졌고, 1 nm 노드 이후에는 기하학적 축소 대신 수직 적층이 다음 길로 꼽힌다.
• "Stacked nanosheet gate-all-around transistor to enable scaling beyond FinFET" (2017) — DOI: 10.23919/vlsit.2017.7998183 — 적층 나노시트 GAA는 면적당 유효 폭이 넓고 핀펫보다 성능이 좋아 5 nm 이후 핀펫 대체 후보다.
• "Systematic DC/AC Performance Benchmarking of Sub-7-nm Node FinFETs and Nanosheet FETs" (2018) — DOI: 10.1109/jeds.2018.2866026 — TCAD 시뮬레이션에서 같은 면적의 나노시트가 유효 폭이 넓어 핀펫보다 온전류가 크다.