트랜지스터의 등장으로 전자제품은 혁신적인 소형화의 길을 걸었습니다. 하지만 얼마 지나지 않아 엔지니어들은 또 다른 거대한 벽에 부딪히게 됩니다. 수백, 수천 개의 트랜지스터와 저항, 콘덴서 같은 부품들을 일일이 전선으로 연결하여 거대한 기판을 만들다 보니, 회로가 조금만 복잡해져도 접합 부위가 끊어지거나 납땜에 오류가 생기는 문제가 발생했습니다.
이른바 ‘배선의 지옥(The Tyranny of Numbers)’이라 불리는 이 한계를 극복하지 못하면 컴퓨터의 성능을 더 이상 발전시킬 수 없었습니다. 이번 글에서는 수많은 부품을 하나의 실리콘 조각 위에 통째로 우겨넣어 전자 산업의 패러다임을 바꾼 '집적회로(IC)'의 발명 이야기를 다룹니다.
1. 배선의 지옥과 잭 킬비의 반란
1958년 여름, 텍사스 인스트루먼트에 입사한 지 얼마 되지 않은 신참 연구원 잭 호인스 킬비(Jack Kilby)는 회사 동료들이 모두 휴가를 떠난 고요한 연구실에 홀로 남겨졌습니다. 당시 회사는 전자제품의 크기와 복잡성을 줄여야 하는 거대한 숙제를 안고 있었습니다.
대부분의 엔지니어들은 부품을 더 작게 만드는 데만 몰두했지만, 킬비는 완전히 발상을 전환했습니다.
"왜 저항, 트랜지스터, 콘덴서를 각각 따로 만들어서 전선으로 복잡하게 엮어야 할까?"
"차라리 모든 회로 구성 요소를 처음부터 하나의 동일한 반도체 재료(게르마늄) 위에 통째로 만들면 어떨까?"
그는 게르마늄 조각 위에 회로의 소자들을 직접 새겨 넣고, 가금류의 발톱처럼 미세한 금속선을 이용해 연결하는 최초의 시제품을 만들어냈습니다. 이것이 바로 인류 역사상 최초의 '집적회로(Integrated Circuit, IC)'였습니다.
2. 노이스의 아이디어와 실리콘 IC의 완성
킬비가 게르마늄을 이용해 IC의 가능성을 증명했지만, 상용화 과정에서는 여전히 수작업으로 연결하는 전선이 남아있다는 한계가 있었습니다.
거의 비슷한 시기, 페어차일드 반도체의 공동 창립자인 로버트 노이스(Robert Noyce)는 완전히 다른 방식으로 이 문제를 해결했습니다.
노이스는 사진 식각 기술(Photolithography)과 평면 공정(Planar Process)을 결합했습니다.
실리콘 기판 위에 화학 물질을 바르고 빛을 쬐어 회로 패턴을 그린 뒤, 알루미늄 증착을 통해 수많은 부품과 배선을 동시에 깎아내듯 연결하는 방식을 고안했습니다.
이로써 전선 가닥을 일일이 납땜할 필요 없이, 마치 사진을 인화하듯 수백 개의 회로가 완벽하게 연결된 '진정한 의미의 실리콘 집적회로'가 탄생했습니다.
3. 손톱만 한 칩이 열어젖힌 거대한 미래
집적회로의 발명은 전자공학의 역사를 완전히 두 쪽으로 갈라놓았습니다. 이전에 방 한 칸을 가득 채우던 컴퓨터의 연산 장치를 이제는 손톱만 한 실리콘 조각 하나에 집어넣을 수 있게 되었습니다.
생산 단가가 획기적으로 낮아져 대량 생산의 길이 열렸습니다.
부품 간의 거리가 극단적으로 짧아지면서 신호 전달 속도가 비약적으로 빨라졌습니다.
전력 소비와 발열이 크게 줄어들어 일반 가정용 기기에도 컴퓨터가 탑재될 수 있는 기반이 마련되었습니다.
이후 고든 무어는 집적회로 안에 들어가는 트랜지스터의 수가 2년마다 두 배씩 증가한다는 유명한 법칙(무어의 법칙)을 예견하게 되며, 인류는 무한한 고성능의 시대로 진입하게 됩니다.
핵심 요약
수많은 부품을 전선으로 연결하던 복잡성으로 인해 '배선의 지옥'이라는 한계에 직면했습니다.
잭 킬비는 모든 소자를 하나의 반도체 위에 구현하는 집적회로(IC)를 최초로 발명했습니다.
로버트 노이스는 사진 식각 기술을 결합해 전선 없는 완벽한 실리콘 IC 양산의 기반을 다졌습니다.
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