CPU가 작동하는 원리는 마치 마법처럼 느껴질 수 있지만, 실제로는 수십 년에 걸친 정교한 엔지니어링의 결정체입니다. 모든 마이크로칩의 기본 구성 요소인 트랜지스터는 크기가 매우 작아지고 있으며, 이에 따라 트랜지스터 생산 방식은 점점 더 복잡해지고 있습니다.
포토리소그래피 기술
오늘날 트랜지스터는 너무 작아져서 기존의 제조 방식으로는 생산이 불가능합니다. 정밀 선반이나 3D 프린터도 매우 복잡한 구조물을 만들 수 있지만, 일반적으로 마이크로미터 수준의 정밀도(약 1/1000mm)가 한계이며, 오늘날 칩 제조에 필요한 나노미터 수준에는 미치지 못합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 포토리소그래피 기술이 사용됩니다. 이 기술은 복잡한 기계를 매우 정밀하게 움직일 필요 없이, 빛을 이용하여 칩에 이미지를 새겨 넣습니다. 마치 과거에 사용하던 영사기처럼 빛을 투사하여 스텐실을 원하는 정밀도로 축소하는 방식입니다.
이미지는 실리콘 웨이퍼에 투영됩니다. 웨이퍼는 먼지 한 점이 수천 달러의 손실로 이어질 수 있기 때문에 통제된 환경에서 매우 정밀하게 가공됩니다. 웨이퍼는 포토레지스트라는 물질로 코팅되는데, 이 물질은 빛에 반응하여 제거됩니다. 이렇게 남은 부분은 CPU의 회로 패턴이 되어 구리나 다른 재료로 채워지고, 도핑 과정을 거쳐 트랜지스터가 형성됩니다. 이 과정을 반복하여 마치 3D 프린터가 플라스틱 층을 쌓듯이 CPU를 만듭니다.
나노 스케일 포토리소그래피의 과제
트랜지스터가 제대로 작동하지 않으면 아무리 작게 만들 수 있어도 소용이 없습니다. 나노 스케일 기술은 물리학적인 많은 난관에 직면합니다. 트랜지스터는 꺼져 있을 때 전류의 흐름을 막아야 하지만, 크기가 너무 작아지면서 전자가 쉽게 통과할 수 있게 됩니다. 이러한 현상을 양자 터널링이라고 부르며, 실리콘 엔지니어에게 큰 어려움을 야기합니다.
결함 또한 중요한 문제입니다. 포토리소그래피 기술조차도 정밀도에 한계가 있습니다. 마치 흐릿한 영사기 이미지처럼 완벽하게 선명하지 않습니다. 현재 반도체 제조사들은 이러한 문제를 완화하기 위해 진공 챔버에서 레이저를 사용하여 인간이 감지할 수 있는 파장보다 훨씬 짧은 극자외선(EUV) 기술을 사용합니다. 하지만 소자 크기가 작아질수록 이러한 문제들은 계속해서 발생합니다.
이러한 결함은 비닝(binning)이라는 과정을 통해 일부 완화할 수 있습니다. 결함이 CPU 코어에 발생하면 해당 코어는 비활성화되고, 칩은 저가형 부품으로 판매됩니다. 실제로 대부분의 CPU 제품군은 동일한 설계도를 사용하여 만들어지지만, 일부 코어가 비활성화되어 더 낮은 가격으로 판매됩니다. 결함이 캐시나 다른 필수 요소에 발생하면 해당 칩은 폐기해야 하므로 수율이 감소하고 비용이 증가합니다. 7nm, 10nm와 같은 최신 공정 기술은 결함 발생률이 높기 때문에 가격이 비쌉니다.
CPU 패키징 과정
소비자에게 판매되는 CPU를 포장하는 과정은 단순히 스티로폼 상자에 넣는 것 이상입니다. CPU가 완성되어도 다른 시스템에 연결할 수 없다면 무용지물입니다. “패키징” 과정은 우리가 일반적으로 “CPU”라고 생각하는 PCB(인쇄 회로 기판)에 미세한 실리콘 다이를 부착하는 방법을 의미합니다.
이 과정은 이전 단계만큼 정밀도는 요구하지 않지만, 여전히 높은 수준의 기술이 필요합니다. CPU 다이는 실리콘 기판에 부착되고, 전기 연결은 메인보드와 연결되는 모든 핀으로 이어집니다. 최신 CPU에는 수천 개의 핀이 있으며, 고급 AMD Threadripper 프로세서에는 4094개의 핀이 있습니다.
CPU는 많은 열을 발생시키므로 윗부분에 “통합 방열판”이 장착되어 보호되어야 합니다. 이 방열판은 다이와 접촉하여 열을 전달하고, 윗부분에 장착된 쿨러를 통해 열을 발산합니다. 일부 고급 사용자들은 이 접착면에 사용된 써멀 페이스트의 성능이 부족하다고 판단하여 프로세서를 뚜껑을 제거(delidding)하고 더 나은 써멀 인터페이스를 적용하기도 합니다.
모든 과정을 거쳐 조립이 완료된 CPU는 실제 상자에 포장되어 판매점에 진열되고, 미래의 컴퓨터에 장착될 준비를 마칩니다. 이러한 복잡한 제조 과정을 거쳐 대부분의 CPU가 수십만 원 정도에 판매된다는 사실은 놀랍습니다.
CPU 제조 과정에 대한 더 자세한 기술 정보가 궁금하다면 위키칩의 설명을 참고해 보시기 바랍니다. 리소그래피 공정과 마이크로아키텍처에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다.