The self-assembling computer chips of the future | Karl Skjonnemand

번역: JY Kang 검토: Jihyeon J. Kim

Computers used to be as big as a room.

한때는 컴퓨터가 방 크기만 했습니다.

But now they fit in your pocket,

지금은 주머니에 들어가죠.

on your wrist

손목 위에도 있고요.

and can even be implanted inside of your body.

심지어 몸 안에 이식되기도 합니다.

How cool is that?

정말 대단하죠?

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

이런한 일들이 가능했던 건 트랜지스터가 소형화된 덕분입니다.

which are the tiny switches in the circuits

전자 회로에서 스위치 같은 역할을 하는 것으로서

at the heart of our computers.

컴퓨터의 핵심이라고 할 수 있죠.

And it's been achieved through decades of development

그 과정에는 수십 년에 걸친 개발과

and breakthroughs in science and engineering

과학 기술 분야의 획기적 발전이 있었고

and of billions of dollars of investment.

수십억 불(수조 원)의 개발비가 투입되었습니다.

But it's given us vast amounts of computing,

그 결과로 엄청난 양의 컴퓨터 작업을 할 수 있게 되었고

huge amounts of memory

기억 용량도 크게 늘었으며

and the digital revolution that we all experience and enjoy today.

오늘날 우리가 누리고 있는 디지털 혁명을 불러왔습니다.

But the bad news is,

하지만 나쁜 소식이 있어요.

we're about to hit a digital roadblock,

이제 디지털 시대도 한계에 다다랐습니다.

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

트랜지스터 소형화의 발전 속도가 느려지고 있기 때문이죠.

And this is happening at exactly the same time

이와 동시에, 다른 한편에서는

as our innovation in software is continuing relentlessly

소프트웨어 분야의 기술 혁신이

인공지능과 빅테이터에 힘입어 급속도로 이루어지고 있습니다.

with artificial intelligence and big data.

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

전자기기들이 점차 안면인식과 증강현실 기능을 갖게 되고

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

심지어 무인자동차가 위험하고 복잡한 도로를 달립니다.

It's amazing.

정말 놀랍죠.

But if we don't keep up with the appetite of our software,

하지만 이러한 소프트웨어의 기술 수요를 잘 따라가지 못하면

we could reach a point in the development of our technology

기술 발전의 어느 시점에 이르러서는

where the things that we could do with software could, in fact, be limited

소프트웨어로 할 수 있는 일에 한계에 부딪힐 것입니다.

by our hardware.

하드웨어 때문에요.

We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet

구형 스마트폰이나 태블릿을 쓰며 당황했던 경험이 있으실 겁니다.

grinding slowly to a halt over time

서서히 느려지다가 결국 멈춰버리고 하죠.

under the ever-increasing weight of software updates and new features.

업데이트와 새로운 기능이 게속 더해지면 그렇게 됩니다.

And it worked just fine when we bought it not so long ago.

얼마 전에 샀으니 문제없이 작동한다고 하더라도

But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity

소프트웨어 개발자의 왕성환 식욕이 하드웨어 성능을 다 잡아먹을 겁니다.

over time.

시간이 갈수록 말이죠.

The semiconductor industry is very well aware of this

반도체 업계는 이러한 상황을 이미 잘 알고 있습니다.

and is working on all sorts of creative solutions,

그래서 여러 창의적 해법을 찾고 있죠.

such as going beyond transistors to quantum computing

트랜지스터를 뛰어 넘는 양자 컴퓨터를 연구하거나

or even working with transistors in alternative architectures

심지어 트랜지스터 구조를 아예 바꾸는 연구를 하고 있습니다.

such as neural networks

예를 들어 신경망처럼 바꾸어

to make more robust and efficient circuits.

더욱 강력하고 효율적인 회로망을 만들려고 하죠.

But these approaches will take quite some time,

그런데 이런 접근 방식에는 꽤 많은 시간이 필요합니다.

and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.

문제를 해결할 더 즉각적인 해법을 원하고 있는데도 말이죠.

The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down

트랜지스터의 소형화 속도가 느려지고 있는 이유는

is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.

그 생산 과정이 갈수록 복잡해지고 있기 때문입니다.

The transistor used to be a big, bulky device,

트랜지스터는 처음에는 크고 거대한 장비였지만

until the invent of the integrated circuit

순수 결정질 실리콘 웨이퍼를 이용한 집적회로가 발명되면서 바뀌었죠.

based on pure crystalline silicon wafers.

And after 50 years of continuous development,

그 후 50년 동안 발전이 거듭되어

we can now achieve transistor features dimensions

현재의 트랜지스터 크기는 10 나노미터까지 줄었습니다.

down to 10 nanometers.

You can fit more than a billion transistors

10억 개 이상의 트랜지스터를

in a single square millimeter of silicon.

가로세로 1mm의 실리콘에 넣을 수 있는 크기입니다.

And to put this into perspective:

그 크기를 가늠하자면

a human hair is 100 microns across.

인간의 머리카락 지름은 100 마이크로미터입니다.

A red blood cell, which is essentially invisible,

눈으로 볼 수 없는 적혈구는 지름이 8 마이크로미터이고

is eight microns across,

and you can place 12 across the width of a human hair.

하나의 머리카락에 12개의 적혈구를 둘 수 있죠.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

이에 비해 트랜지스터는 훨씬 작아서

at a tiny fraction of a micron across.

1 마이크로미터의 길이도 훨씬 잘게 나눠야 하죠.

You could place more than 260 transistors

260개 이상의 트랜지스터를 적혈구 지름에 나열할 수 있습니다.

across a single red blood cell

or more than 3,000 across the width of a human hair.

3,000개 이상의 트랜지스터가 머리카락 지름에 해당되죠.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

정말 놀랍게도 그 나노 기술이 지금 여러분 주머니 속에 있습니다.

And besides the obvious benefit

컴퓨터 칩에 더 작은 트랜지스터를 더 많이 넣을 수 있다는 이점 외에도

of being able to place more, smaller transistors on a chip,

smaller transistors are faster switches,

트랜지스터가 작아질수록 스위치 기능도 더 빨라집니다.

and smaller transistors are also more efficient switches.

또한 트랜지스터가 작아질수록 더욱 효율적인 스위치가 되죠.

So this combination has given us

이 두 가지를 조합하면

더 적은 비용으로

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

더 우수한 성능과 효율성을 가진 전자제품을 만들 수 있습니다.

that we all enjoy today.

우리가 현재 이용하는 제품들이 그렇죠.

To manufacture these integrated circuits,

이런 집적회로를 만들려면

the transistors are built up layer by layer,

순수 결정질 실리콘 웨이퍼 위에 트랜지스터를 겹겹이 쌓아야 합니다.

on a pure crystalline silicon wafer.

And in an oversimplified sense,

정말 단순하게 설명해 드리면

every tiny feature of the circuit is projected

각각의 작은 회로 도면을

실리콘 웨이퍼의 표면에 투영시켜 비추면

onto the surface of the silicon wafer

and recorded in a light-sensitive material

감광물질에 의해 그것이 기록됩니다.

and then etched through the light-sensitive material

그 감광물질을 따라 홈을 내면

to leave the pattern in the underlying layers.

그 아래 층에 회로 패턴이 남게 되는 것이죠.

And this process has been dramatically improved over the years

이런 공정은 과거 수년에 걸쳐 엄청나게 발전해왔습니다.

to give the electronics performance we have today.

그 결과로 전자제품들이 현재의 성능을 갖게 되었죠.

But as the transistor features get smaller and smaller,

하지만 트랜지스터의 크기가 점점 작아지면서

we're really approaching the physical limitations

이런 제조기술에 있어서 물리적 한계가 오고 있습니다.

of this manufacturing technique.

The latest systems for doing this patterning

최근에는 그 패턴 기록 장비가 너무나 복잡해져서

have become so complex

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

한 대당 1억불(약1100억 원) 이상의 비용이 든다고 합니다.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

반도체 공장에는 이런 장비가 수십 대씩 필요하죠.

So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?

그러면 다들 이런 의문을 갖습니다.

"이런 방식을 계속 유지할 수 있을까?"

But we believe we can do this chip manufacturing

저희는 이런 반도체 제작 공정을 바꿀 수 있다고 생각합니다.

in a totally different and much more cost-effective way

지금까지와 전혀 다르고

비용이 훨씬 적게 드는 방법으로 말이죠.

using molecular engineering and mimicking nature

분자공학과 자연모방 기술을 이용해서

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

트랜지스터를 나노 단위의 크기까지 줄일 수 있습니다.

As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit

기존 제조 방식에서는

각각의 작은 회로도를 실리콘 위에 투영해야 한다고 말씀드렸는데요.

and projects it onto the silicon.

But if you look at the structure of an integrated circuit,

그 집적회로의 구조를 살펴보면

the transistor arrays,

트랜지스터의 배열은

many of the features are repeated millions of times.

똑같은 모양 수백만 개가 반복되는 형태입니다.

It's a highly periodic structure.

매우 주기적인 구조 형태죠.

So we want to take advantage of this periodicity

그래서 우리는 그 주기성을 이용해서

in our alternative manufacturing technique.

새로운 제조기술을 만들고자 했습니다.

We want to use self-assembling materials

자기조립화 물질을 이용해서

to naturally form the periodic structures

주기성을 갖는 구조가 자연적으로 형성되면

that we need for our transistors.

트랜지스터로 쓰고자 했죠.

We do this with the materials,

우리는 그런 물질을 활용해서

then the materials do the hard work of the fine patterning,

정밀한 패턴을 만들 수 있습니다.

rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.

패턴 투영기술이 가진 한계를 뛰어 넘을 수 있죠.

Self-assembly is seen in nature in many different places,

자기조립화는 자연계의 여러 곳에서 발견할 수 있습니다.

from lipid membranes to cell structures,

세포 지질막이나 세포 구조에서도 볼 수 있죠.

so we do know it can be a robust solution.

우리는 이것이 확실한 해결책이라고 생각했습니다.

If it's good enough for nature, it should be good enough for us.

자연계에서 유용하다면 우리에게도 분명 유용할 테니까요.

So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly

그래서 우리는 이 자연발생적인 강력한 자기조립 특성을 이용해서

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

반도체 제조 기술에 접목하기로 했습니다.

One type of self-assemble material --

자기조립 물질 중의 하나를 소개해드리죠.

it's called a block co-polymer --

'블록 혼성 중합체'라는 것인데요.

consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.

길이 수십 나노미터의 두 종류의 중합체가 사슬처럼 연결된 것입니다.

But these chains hate each other.

이 중합체 사슬들은 서로 싫어해서 서로를 밀어냅니다.

They repel each other,

very much like oil and water or my teenage son and daughter.

물과 기름처럼, 또는 저희 집 사춘기 아들, 딸 형제처럼요.

(Laughter)

(웃음)

But we cruelly bond them together,

하지만 우리는 이 물질을 억지로 결합시켜

creating an inbuilt frustration in the system,

서로 밀어내려는 성질을 사전에 억제시켰습니다.

as they try to separate from each other.

And in the bulk material, there are billions of these,

하나의 덩어리 안에는 이 물질 수십억 개가 있어서

and the similar components try to stick together,

비슷한 요소끼리는 붙으려고 하고

and the opposing components try to separate from each other

그와 동시에, 반대 요소끼리는 서로 떨어지려고 합니다.

at the same time.

And this has a built-in frustration, a tension in the system.

억제력과 긴장력이 미리 시스템에 가해진 상태입니다.

So it moves around, it squirms until a shape is formed.

그래서 이것이 꿈틀대고 움직이며 형상을 만들어가는 것이죠.

And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,

그렇게 자연적으로 스스로 조립되며 나노 크기의 형상을 이룹니다.

it's regular, it's periodic, and it's long range,

규칙적이고, 주기성을 띄며 길이도 길게 할 수 있죠.

which is exactly what we need for our transistor arrays.

트랜지스터 배열에 필요한 바로 그대로입니다.

So we can use molecular engineering

이제 우리는 분자공학을 이용하여

to design different shapes of different sizes

여러 형태와 크기를 갖는 중합체를 설계했습니다.

and of different periodicities.

물론 주기특성도 달리했죠.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

예를 들어, 대칭 분자 구조로 하면

where the two polymer chains are similar length,

두 종류의 중합체 사슬은 비슷한 길이를 갖습니다.

the natural self-assembled structure that is formed

자연적으로 형성된 자기조립 구조는

is a long, meandering line,

길이가 길고, 구불구불한 선의 형태입니다.

very much like a fingerprint.

마치 지문과 비슷하죠.

And the width of the fingerprint lines

그 지문 사이의 간격은

and the distance between them

즉, 중합체 간의 간격은

is determined by the lengths of our polymer chains

중합체 사슬의 길이에 따라 다릅니다.

but also the level of built-in frustration in the system.

시스템 안에 미리 가해진 억제력 수준도 영향을 미치죠.

And we can even create more elaborate structures

더 정교한 구조를 만들기 위해서는

if we use unsymmetrical molecules,

비대칭적 분자 구조로 하면 가능합니다.

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

한쪽 중합체 사슬이 다른 쪽보다 훨씬 짧은 형태인데요.

And the self-assembled structure that forms in this case

이 경우에 형성되는 자기조립 구조는

is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,

짧은 사슬들이 중앙에서 단단한 구형을 이루고

and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,

반대쪽 중합체 사슬들이 그 바깥을 길게 감싸며

forming a natural cylinder.

자연적인 원통 모양을 만듭니다.

And the size of this cylinder

그 원통의 크기와

and the distance between the cylinders, the periodicity,

원통 사이의 간격, 즉 배열 주기는

is again determined by how long we make the polymer chains

중합체 사슬의 길이와 사전 억제력에 따라 다릅니다.

and the level of built-in frustration.

So in other words, we're using molecular engineering

다시 설명드리면, 분자공학을 이용해서

to self-assemble nanoscale structures

자기조립 나노 구조에 적용하면

that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.

설계된 크기와 주기성을 갖는 선이나 원통 모양을 만들 수 있습니다.

We're using chemistry, chemical engineering,

여기에 화학, 즉 화학공학을 활용하여

to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.

우리가 원하는 나노 크기의 트랜지스터를 생산할 수 있죠.

But the ability to self-assemble these structures

하지만 자기조립 구조를 만드는 기술은

only takes us half of the way,

이제 겨우 절반만 성공한 상태입니다.

because we still need to position these structures

왜냐하면, 이 구조를 배치하는 기술이 필요하기 때문입니다.

where we want the transistors in the integrated circuit.

집적회로의 트랜지스터 위치에 있도록 말이죠.

But we can do this relatively easily

하지만 이건 비교적 쉬운 작업입니다.

using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,

넓은 가이드 구조를 만들어서 자기조립 구조가 자리잡도록 하면

일부가 그 자리에 먼저 고정되고

anchoring them in place

and forcing the rest of the self-assembled structures

나머지 자기조립 구조가 나란히 놓이도록 하는 겁니다.

to lie parallel,

aligned with our guide structure.

가이드 구조를 따라 정렬되는 거죠.

For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,

예를 들어, 40 나노미터 간격의 정밀한 선을 만들고자 할 때

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

기존의 패턴 투영기술로는 만들기가 매우 어렵습니다.

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

우리는 120 나노미터의 가이드 구조를

with normal projection technology,

일반적인 투영기술로 먼저 만들어 두고

and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.

그 사이에 세 개의 자기조립 구조를 40 나노미터 간격으로 배열합니다.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

그렇게 이 재료로 가장 어려운 정밀 패턴 작업을 할 수 있습니다.

And we call this whole approach "directed self-assembly."

저희는 이 전체 공정을 "유도 자기조립"이라고 부릅니다.

The challenge with directed self-assembly

유도 자기조립에 있어서 핵심과제는

is that the whole system needs to align almost perfectly,

전체 시스템이 거의 완벽하게 배열되어야 한다는 것입니다.

because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.

구조에 아주 작은 결함만 있어도 트랜지스터 기능을 잃기 때문이죠.

And because there are billions of transistors in our circuit,

집적회로에는 수십억 개의 트랜지스터가 필요하기 때문에

we need an almost molecularly perfect system.

거의 분자 수준으로 완벽한 시스템이 요구됩니다.

But we're going to extraordinary measures

저희는 아주 특별한 방법으로 이 문제를 해결하고 있습니다.

to achieve this,

from the cleanliness of our chemistry

화학적 세척 과정을 통해서

to the careful processing of these materials

반도체 공장에서 이들 물질을 조심스럽게 처리함으로써

in the semiconductor factory

to remove even the smallest nanoscopic defects.

아주 미세한 나노 수준의 결함 조차 제거하는 것이죠.

So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,

이러한 유도 자기조립 기술은 파급력이 큰 신기술이지만

but it is still in the development stage.

아직까지는 개발 단계에 있습니다.

But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it

하지만 반도체 업계에 적용할 수 있을 거라고 확신하고 있습니다.

to the semiconductor industry

as a revolutionary new manufacturing process

향후 몇 년 안에 제조공정의 혁신을 가져올 것입니다.

in just the next few years.

And if we can do this, if we're successful,

그렇게만 된다면, 이 기술이 성공한다면

we'll be able to continue

저비용으로 트랜지스터 소형화를 계속할 수 있을 것입니다.

with the cost-effective miniaturization of transistors,

continue with the spectacular expansion of computing

컴퓨터 작업량을 더욱 확대하고 디지털 혁명도 지속할 수 있습니다.

and the digital revolution.

And what's more, this could even be the dawn of a new era

그 무엇보다도, 분자 제조 기술의 새시대를 열게 될 것입니다.

of molecular manufacturing.

How cool is that?

이 얼마나 멋진 일인가요?

Thank you.

감사합니다.

(Applause)

(박수)