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해상도(하프 피치)를 결정하는 것은 파장과 개구수, 프로세스 계수

기술 노드의 이행은 반도체 노광 기술의 해상도(하프 피치) 향상이 이끈다. ArF 액침노광 기술이나 EUV 노광 기술 등의 해상도(R)는 노광의 파장(λ)에 비례하고 광학계의 개구 수(NA)에 반비례한다. 즉 해상도를 높이려면 파장을 짧게 하고 개구 수를 불리는 것이 필요하다. 실제로는 "프로세스 계수(k1)"로 불리는 상수에도 해상도는 비례한다. 이 프로세스 계수를 낮추면 해상도가 올라간다. 다만 프로세스 계수의 최소 한계치는 0.25, 앞 이하로 할 수 없다.

ArF 액침노광 기술이나 EUV 노광 기술 등에서는 광원의 파장이 고정되어 움직일 수 없다. 덧붙여 ArF 액침노광의 파장은 193nm, EUV 노광의 파장은 13.5nm. 양자에게 10배를 넘는 격차가 있어 단순 계산에서 EUV 노광이 압도적으로 유리한 것을 알 수 있다.

ArF 노광 기술까지의 이른바 광 리소그래피(노광)기술에서는 개구수를 높이는 것이 해상도 향상의 유력한 수단이 되어 왔다. 구체적으로는 노광 장치인 스테파나 스캐너 등의 광학계를 개량함으로써 개구수를 상승시켜 왔다.

이것에 비해 EUV 노광 기술은 개구수는 별로 움직일 수 없다. X선의 반사 광학계를 사용하는 EUV 노광기술에서는 광학계가 매우 복잡한 구조로 되어 있으며 광학계의 변경은 막대한 개발투자를 수반한다. 이 때문에 EUV 노광 장치로 개구수가 변경된 것은 과거에 한 번 밖에 없다. 초기 EUV 스캐너의 개구수는 0.25이며 현행 기종의 개구수는 0.33이다. 모두 ArF 드라이 노광의 최고치인 0.93에 비하면 상당히 낮다.

그리고 향후 몇 년은 개구수가 0.33의 EUV 스캐너를 사용하면서 해상도를 높여 간다. 바꿔 말하면 같은 개구수의 노광 장치로 하프 피치를 미세화해 나가게 된다.

프로세스 계수를 단계적으로 낮춰 해상도를 높이다

이 때문에 미세화의 기법은 상당히 한정되어 있다. 파장과 개구 수가 고정되어 있으므로 나머지는 프로세스 계수밖에 없다. 광학적으로는 프로세스 계수를 줄이는 것으로 해상도를 향상시킬 수 있고, ArF 액침노광 기술과 마찬가지로 멀티 패터닝 기술과 조합함으로써 프로세스 계수를 실질적으로 내리는 수법이 사용된다. 그리고 기계적으로는 노광 장치의 중첩 오차를 줄일 필요가 있다.

EUV 노광 장치 제조사인 ASML은 EUV 노광 기술의 향후 미세화를 4가지 기술 세대로 나누어 논하고 있다. 현행 세대가 제 1세대로 7nm 로직 양산에 적용되는 세대이기도 하다. 프로세스 계수는 0.45 안팎이다.

 이어 2세대에서는 프로세스 계수를 0.40 미만으로 낮춘다. 노광 기술 하드웨어(광학)계와 소프트웨어(레지스트)를 개량함으로써 실현한다. 기본적으로 현행 기술의 개량이다.

그리고 제 3세대에서는 프로세스 계수를 0.30 아래로 낮춘다. 실현에는 현행 기술의 개량만으로는 어려운 멀티 패터닝 기술과 새로운 재료의 마스크, 새로운 재료의 레지스트라는 요소 기술의 도입이 필요하다고 한다. 또 제 4세대에서는 프로세스 계수를 내리지 못하는 점에서 개구 수를 0.55로 높인 광학계를 개발한다.

ASML이 공표한 기술 세대의 자료에서는 프로세스 계수의 값이 구체적으로는 기술되어 있지 않다. 거기서 가의 값을 입력함으로써 해상도가 어느 정도까지 향상되는지를 계산해 보면 현행 세대(제 1세대)의 프로세스 계수가 0.46이라고 하면 대응하는 해상도(하프 피치)는 19nm.

제 2세대 프로세스 계수는 0.39로 하면 대응하는 해상도는 16nm. 최첨단 로직기술 노드라면 7nm세대에서 5nm세대의 양산에 적용할 수 있다. 제 3세대 프로세스 계수는 0.29로 하면 대응하는 해상도는 12nm. 최첨단 로직기술 노드는 5nm세대에서 3nm세대의 양산에 적용할 수 있다.

그리고 제 4세대에서는 광학계의 개구수가 대폭 바뀌므로 프로세스 계수는 제 1세대와 같은 0.46으로 가정하면 개구수가 0.55이면 프로세스 계수가 0.46으로 크더라도 대응하는 해상도는 제 3세대와 거의 같은 11.3nm.

EUV 노광기술 멀티패터닝 도입

광학계나 레지스트 등의 노광기술을 개량하지 않고 프로세스 계수k1을 실질적으로 낮추는 유력한 방법이 멀티패터닝(다중노광)기술이다. ArF 액침노광으로 널리 보급된 멀티패터닝 기술을 EUV 노광기술에서도 채택하는 것이 검토되고 있다.

예를 들어 더블노광에서는 리소그래피(L)와 에칭(E)을 2회 반복하는 LELE 기술을 도입한다. 프로세스 계수가 0.46에 EUV 노광기술(개구수는 0.33)에 LELE 기술을 도입하면 해상도(하프피치)는 16nm로 줄어든다. 싱글 노광으로 프로세스 계수를 0.39로 낮춘 것과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한 트리플 노광에 리소그래피(L)와 에칭(E)을 3회 반복하는 LELELE 기술을 도입하면 싱글 노광으로 프로세스 계수를 0.29로 낮춘 것과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.

단 멀티패터닝 기술에서는 스루풋이 저하된다. 싱글노광(SE 기술)에서 웨이퍼 처리장수(시간당)를 130장으로 하면 더블노광(LELE 기술)에서는 70장으로 절반 가까이 떨어진다. 트리플 노광(LELELE 기술)이라면 스루풋은 40매로 싱글 노광의 3분의 1 이하가 되어 버린다.

요약하면 다음 세대인 5nm기술 노드에서는 싱글 노광을 유지하면서 프로세스 계수를 0.39로 낮추는 방향과 더블 노광(LELE 기술) 채용에 의해 실질적으로 프로세스 계수를 낮추는 방향이 있다. 모두 해상도는 16nm이다. 양산 개시 시기는 2021년이라고 예측되며 더블 노광을 채용하면 2020년으로 앞당겨 양산에 들어갈 수 있을 것이다.

차차 세대인 3nm기술 노드는 좀 더 복잡해진다. 싱글 노광에서 프로세스 계수를 0.29로 낮추는 방향과 더블 노광(LELE 기술)과 프로세스 계수가 0.39 노광 기술을 조합하는 방향, 그리고 트리플 노광(LELELE 기술)을 채용하는 방향이 있다. 모두 해상도는 12nm. 양산 개시 시기는 2023년이라고 예측된다. 다만 트리플 노광을 채용하면 양산 개시 시기는 빨라질 가능성이 있다.

또 다음 세대인 2nm기술 노드는 개구 수가 0.33의 EUV 노광 기술에서는 실현이 어렵다고 본다. 개구 수를 0.55로 높인 EUV 노광 기술의 실용화를 기다려야 할 것이다.

EUV 노광장치 중첩 정밀도와 생산성을 개량

EUV 노광 기술 개발에서 매우 중요한 것이 EUV 노광 장치(EUV 스캐너)개량이다. EUV 노광 장치 제조사인 ASML은 출하 중인 7nm세대용 양산용 EUV 스캐너 "NXE:3400B"에 이어개발 로드맵을 공개한 바 있다.

그 로드맵에 따르면 "NXE:3400B"를 바탕으로 오차를 줄인 버전을 개발한다. 다음에 오차를 줄인 버전을 바탕으로 산출량(생산성)을 높인 버전을 개발하고, 올해(2019년)전반까지 이들의 개량을 완료시킨다.

이어 이들 개량의 성과를 넣은 신기종 "NXE:3400C"를 개발하고, 올해 연말까지 출하를 시작한다. "NXE:3400C"는 5nm세대의 본격적인 양산을 짊어질 것으로 보인다.

그리고 중합 오차를 낮춤과 함께 산출량을 더 높인 "차세대기"의 개발을 예정하고 있다. 차세대기의 형명은 밝히지 않았다. 출하 개시 예정 시기는 2021년 후반이다. "차세대기"는 3nm세대의 양산을 짊어질 것이다.

이러한 EUV 노광 장치는 모두 개구수가 0.33의 광학계를 탑재한 기종이다. ASML은 이와 함께 개구수를 0.55로 높인 EUV 노광장치 개발에 본격 나서고 있다.

"High NA"라 ASML이 부르는 개구수 0.55의 EUV 스캐너의 출하 개시 시기는 2023년 후반이라고 하는 것이 현재의 스케줄이다. 최초의 개발장치 완성은 2021년 연말을 예정한다. 'High NA' 장치 개발 상황에 대해서는 본 칼럼에서 다시 한 번 언급하고자 한다.

일세를 풍미한 'ALIENWARE'에 다음으로 나아갈 필요성을 느끼기 시작

ALIENWARE 이라고 하면 필자가 다시 설명할 필요도 없는 게이밍 PC의 리딩 브랜드다. 원래는 1996년에 창업한 게임 전문 PC업체로 미국에서 하이엔드 게이밍 PC를 내놓아 인기를 끌면서 급 성장했다.

2006년에 Dell에 인수됐으며 그 후 자회사로 활동하고 있지만 이미 일체화가 상당히 진행되고 있다. ALIENWARE 창업자이며 ALIENWARE 사업 본부장은 XPS, G시리즈와 같은 Dell브랜드 제품도 총괄하고 있어 오히려 ALIENWARE의 팀이 Dell의 하이엔드 브랜드인 XPS를 이끌고 있을 정도다.

Dell 익스피리언스 디자인 그룹 컨슈머 디자인 담당 부사장 저스틴 라일즈에 따르면 이번에 Dell은 ALIENWARE의 정체성이 되는 디자인을 크게 바꾸기로 결단을 내렸다고 한다.

"ALIENWARE에게 이번 디자인 아이덴티티의 변화는 4번째다. 현재의 디자인은 2012년부터 6~7년이 지났다. 그 동안 자기 자랑이 되지만 대성공을 거뒀다고 말해도 좋다. 왜냐하면 Dell 이외의 전략 PC브랜드도 디자인이 상당히 비슷한 것이 되어 왔기 때문이다"고 밝히며 Dell의 ALIENWARE 디자인은 타사가 흉내 낼 정도의 디자인으로 성공했지만 반대로 그 때문에 차별화할 수 없게 되었다고 한다.

그런 시기 "이제 바뀌는 시기다, 게이밍 PC의 미래라는 것을 진지하게 검토하겠다"고 밝혔다. 그 동안의 전략과는 다른 디자인이 필요하다는 것으로 향후 ALIENWARE의 디자인을 검토하기 시작했다고 밝혔다.

향후5~6년의 ALIENWARE 제품의 디자인 키워드는 "LEGEND"

라일즈에 따르면 그렇게 디자인이 채용된 ALIENWARE Area-51m는 "LEGEND"(전설)이 키워드가 됐다고 한다. "LEGEND"는 기존 게이밍 PC 하면 어두운 색의 이미지를 뒤집어 루나 라이트 화이트의 밝은 색과 다크 사이드 오브 더 문이라는 기존 전략 PC에 가까운 어두운 색이라는 2가지가 준비되어 있으며 유저가 선택할 수 있다고 한다.

동시에 초박형 경량 노트PC를 갖고 싶은 유저의 요구에 응하기 위해 열 설계도 배려한 디자인이 되었고, 데스크톱을 위한 CPU를 채용하는 등 이른바 데스크탑 원기 회복이라는 카테고리의 PC이면서 경량 컴팩트 및(기존 모델 대비 32% 소형화 실현) 액정 부분을 강도에 영향 없이 박형화를 실현하고 있다.

이를 좀 더 쉽게 바꾸어 말하면 오리지널 디자인이라는 타사와의 차별화, 그리고 박형으로 경량화라는 지금의 트렌드를 맞추면서도 성능에서는 타협하지 않는 게이밍 PC, 그것이 "LEGEND"의 컨셉이다.

라일즈에 따르면 기존의 ALIENWARE의 컨셉은 "EPIC"이였으며 향후 ALIENWARE에서 발매되는 PC는 이 "LEGEND" 베이스가 된다고 한다. 다만 이번에 동시에 발표된 ALIENWARE m17은 EPIC 기반의 기존 디자인 기반이 되어 있다.

라일즈는 "ALIENWARE m17은 이미 나온 m15의 파생 제품이다. 이 때문에 ALIENWARE m15/17은 EPIC 디자인의 마지막 제품이다. 앞으로 5~6년 사이에 등장하는 ALIENWARE 제품은 LEGEND기반이 될 것"이라고 밝혔다.

CPU/GPU를 최신으로 교체하고 싶은 게이머의 목소리에 부응하는 설계

이미 말했던 대로 LEGEND는 게이밍 PC에 새로운 디자인 트렌드를 갖지만 그와 동시에 성능에서 타협하지 않는다는게 테마다. 특히 ALIENWARE Area-51m은 데스크탑의 원기 회복이 되므로, 데스크탑 PC에 가까운 성능을 실현해야 한다.

거기서 ALIENWARE Area-51m은 LGA1151소켓을 갖추고 있어 제 9세대 Core 프로세서를 CPU로 선택할 수 있다. 현재 Intel의 LGA1151을 위한 제품으로는 Core i9-9900K이 최고봉이지만 장래 Intel에서 보다 고속의 프로세서가 출시되더라도 핀 호환성이 있으면 교환 할 수 있다고 라일즈는 설명했다.

또 GPU는 Dell이 DGFF(Dell Graphics Form Factor)라고 부르는 새로운 모듈에 탑재되고 있어 장래의 업그레이드가 가능하다.

종래는 MXM 등의 GPU 제조 업체가 정한 모듈이 있었지만 현재의 세대는 그러한 모듈은 지원되지 않아 Dell이 독자적으로 정의한 GPU 모듈이 DGFF다. 분명히 독자지만 다른 서드 파티가 그것을 만드는 것을 방해할 생각은 없다고 밝혔다.

라일즈는 "예를 들면 장래 GeForce RTX 30시리즈 제품이 출시되었다고 가정하면 우리는 그 DGFF의 모듈을 만들어 사용자에게 판매할 것이다. 그것이 어떤 형태가 될지, 팩토리 수준의 취급으로 판매가 될지, 유저가 직접 교환하는 것을 인정할지는 앞으로 고려할 필요는 있지만 어떠한 형태로든 제공할 것" 이라고 설명했다.

물론 DGFF는 이미 다른 하나의 다른 목적도 있는데 제조 과정에서 CTO가 쉽게 된다는 측면도 부정할 수 없다. Dell에 있어서는 1개의 모듈에서 2가지 목적(CTO가 쉬워지고 사용자에게 업그레이드 경로를 제공할)을 충족시킬 수 있는 솔루션이라 할 수 있다.

라일즈는 "CPU, GPU는 1년 만에 가장 고속은 아니지만 그 이외의 부분은 사용할 수 있다는 것이 하이엔드 PC의 특징이다. 그것들을 살리면서 최신의 CPU와 GPU에서 성능을 향상시키려는 욕구에 부응하고 싶어 이러한 설계를 했다"고 밝혔다.

PCI Express 4.0 대응, Socket AM4 마더보드 호환으로 이용할 수 있는 제 3세대 Ryzen

AMD의 수가 공개한 것은 동사의 Zen2 아키텍처에 근거한 새로운 데스크탑 PC용 프로세서로 제 3세대 Ryzen 프로세서로 불리게 된다.

모델 넘버는 3000번대가 되기 때문에 AMD Ryzen Desktop 3000 시리즈가 제품명이 된다.

수에 따르면 제 3세대 Ryzen은 7nm 프로세스로 제조되며 CPU 다이, I/O 다이 2개가 1개의 패키지에 통합되는 형태다.

I/O의 다이에는 PCI Express Gen 4(4.0) 컨트롤러가 포함되어 있으며 메인보드가 대응하고 있으면 PCI Express 4.0을 이용할 수 있다.

제 3세대 Ryzen은 기존 Ryzen에서 사용되어 온 Socket AM4를 지원하기 때문에 PCI Express 4.0에 대응하지 않는 기존 AM4 마더보드에서 그대로 사용할 수 있다. 이 때문에 이번 여름부터는 제 3세대 Ryzen에 대응한 마더보드가 제공될 예정이다.

또한 기존의 AM4 마더보드에서 제 3세대 Ryzen을 이용할 경우 BIOS 업데이트가 필요하고 AMD에 따르면 BIOS 업데이트는 각 마더보드 제조 업체 등이 제공하는 형태가 된다고 한다.

또 어떤 마더보드가 제 3세대 Ryzen에 대응하고 있는지를 나타내기 위해서 Ryzen 3000 Ready Program이 계획되어 "AMD Ryzen Desktop 3000 Ready"라는 스티커 등이 준비되어 사용자가 가려지게 될 전망이다.

프로세서 자체의 열 설계 및 CPU 쿨러의 마운트용 나사 위치, 전원 유닛 등은 기존 세대와 변경이 없기 때문에 현재의 Ryzen Desktop에서 사용되는 것을 그대로 유용할 수 있다.

Core i9-9900K와 비교해 조금 높은 성능을 발휘하며 30% 저전력이라고 어필

그는 3세대 Ryzen과 Radeon VII를 이용해 3D 게임을 즐기는 시연을 진행했고, 3세대 Ryzen과 Core i9-9900K를 이용한 시연을 공개했다.

비교에 이용된 것은 Cinebench R15로, 제 3세대 Ryzen 스코어가 2057, Core i9-9900K의 스코어는 2040으로 제 3세대 Ryzen이 조금 웃도는 결과가 나타났다.

또한 시스템의 소비 전력에 대해서 Core i9-9900K가 179.9W였으나, 제 3세대 Ryzen은 134.4W 인 점을 제시하며 "성능에서 Core i9-9900K를 넘어서고, 소비 전력은 30% 낮다"고 밝히며 7nm 프로세스로 생산된 Ryzen의 이점을 어필했다.

수에 따르면 3세대 라이젠은 올해 중반 투입할 것으로 알려져 올 여름경에는 새로운 3세대 라이젠이 시장에 투입될 것으로 보인다.