인간이 불을 발견하고도 오랜 시간이 흘러 증기의 힘을 이용하게 되었다. 그 다음의 놀라운 발명이 전기 아닐까 싶다. 전기로 세상을 밝히고 데우고 의료기기를 만들었고 전자제품과 컴퓨터를 만들었다. 그중에 놀라운 발명이 반도체다. 정말로 대단한 것이다. 재크가 이상한 ‘콩나무’를 타고 하늘나라에 올라 훔쳐온 보물 같다는 느낌이다.

전기가 통하는 물질이 있고 통하지 않는 물질이 있다. 모든 물질에 다 전기가 통한다면 어찌되겠는가? 전기를 통하게 하는 도체(導體)는 주로 금속성이다. 전기가 통하지 않는 부도체로는 유리나 고무, 에보나이트, 털이나 솜 등이 있다. 근래에 나온 플라스틱이나 비닐 같은 것도 전기가 통하지 않으니 얼마나 다행인지 모르겠다. 전선에다 겉껍질인 부도체 피복으로 싸서 감전을 막게 하는 코드나 콘센트를 만들어 쓸 수 있으니 말이다.

그런데 도체와 부도체(절연체)의 중간에 반도체(半導體)라는 것이 있다. 무엇이 반도체일까? 나는 반도체를 이해하려고 많은 애를 썼던 적이 있다. 반도체가 진공관에서 시작하여 광석검파기, 트랜지스터, 집적회로(IC)로 발전되어 왔다는 것은 알겠다. 한때 라디오에 쓰던 광석검파기와 트랜지스터는 이제 거의 쓰고 있지 않다. 진공관도 사라졌으나 특별하게 조금 이용하기는 한다. 이제 반도체는 집적회로다. 집적회로는 엄청나게 집적(集積)되고 적층(積層)되었다. 금싸라기 땅에 초고층으로 짓는 아파트 같이 올라간다. 하늘에까지 닿을까? 물리적 한계가 있기는 할 것이다. 그러면 그 다음엔 무엇이 나올까?

반도체는 무슨 일을 하는가? 우선 정류(整流)를 한다. 양방향으로 흐르는 교류를 한쪽으로만 흐르게 한다면 직류처럼 쓸 수 있는 것이다. 심장에 판막이 있어서 동맥으로 피를 밀어내는 것과 같다. 그러면 온 몸을 돌면서 양분과 산소를 나르고 모세혈관에서 수거해 온 노폐물을 정맥이 심장으로 가져와 교환하고 신장의 사구체(絲球體)에서 걸러 오줌으로 내 보낼 것이다. 심장이 밀어내는 펌프질이 맥박인 것이고.

반도체는 증폭을 한다. 초기의 라디오는 동조 바리콘으로 아날로그 전파를 받아서 맞는 주파를 걸러내어 증폭시키고 스피커에서 알아듣게 재생시키는 것이었다. 디지털이라는 것은 개입하지 않았다. 여기서 증폭을 시키는 일을 진공관이나 트랜지스터(다이오드)가 한다. 유리 통 안에 빨간 불이 들어오면서 서서히 달구어져야 작동하는 오래된 라디오나 앰프를 보았을 것이다. 진공관(眞空管; vacuum tube)은 진공 속에서 전자의 움직임을 제어함으로써 전기 신호를 증폭시키거나 교류를 직류로 정류하는데 사용하는 것이다. 한 때 대부분의 전기 장비에 사용되었으나 이제는 더 작고 값싼 반도체인 집적회로로 대체되었다. 진공관은 높은 주파의 큰 전력을 사용하는 장비나 오디오 앰프 등에 여전히 사용되고 있기는 하다. 기능성도 좋지만 일부 마니아들이 예스럽고 멋스럽게 사용하는 것 같다.

반도체는 연산과 저장을 한다. 컴퓨터나 스마트폰을 껐다가 켜면 일을 하던 대부분의 앱은 다 꺼지고 없다. 다시 불러 올려야 쓸 수 있다. 그러나 기기가 작동하도록 하는 기본적인 프로그램은 지워지지 않고 저절로 작동해서 이용가능하게 해준다. 이런 일을 하는 프로그램은 지울 수 없고 켜면 바로 작동하도록 만들어 두었다. 이것은 저장한 것을 지울 수 없고 읽기만 한다는 말로 ROM(Read Only Memory) 프로그램이라고 한다. 그 다음에 필요한 프로그램(앱)을 메인 메모리인 RAM(Random Access Memory)에 불러올려놓고 쓰는 것이다. 컴퓨터나 스마트폰에서 단지 저장장치로만 쓰는 반도체를 메모리 반도체라 하는데 하드 디스크나 USB 메모리 같은 것이다. 영화 같은 고화질 동영상이나 사진은 큰 메모리를 차지하므로 이런 곳에 저장한다. 그러나 더 돈이 되는 것은 연산을 하거나 특정 기능을 하는 프로그램을 저장한 비메모리 반도체이다. 중요한 프로그램의 값이 더 들어 가니 비싸다고 생각하면 된다. 이것을 시스템반도체라고도 한다.

빛을 전기신호로 바꾸거나 전기신호 빛으로 바꾸어

나는 오늘날 우리의 생활을 ADADA로 설명하고 있다. 아날로그(A)로 사는 인간이 디지털(D)로 된 정보와 정보기술을 잘 활용해야 한다는 것이다. 스마트폰으로 사진을 찍고 나누어 보는 즐거움이 있다. 우리가 찍고 보는 즐거움을 기기가 디지털로 신속히 저장, 공유하여 함께 볼 수 있도록 도와주기에 가능한 것이다. 필름을 현상, 인화하고 사진을 전달하는 아날로그 작업을 없애 주는 것이다. 사진이란 빛을 이용하는 것으로 광학(光學, Photonics)의 분야에서 설명한다. 물론 구도나 조명, 초점, 노출의 기술을 다루는 분야도 있지만 필름을 쓰지 않는 디지털 카메라는 받아들인 빛을 재빠르게 디지털로 변환시켜 저장해 두어야 한다. 그리고 저장된 디지털 정보를 찾아 바로 화면에 아날로그로 재생시켜 주어 우리 눈으로 볼 수 있게 한다. 고화질의 동영상을 찍는다면 이 일은 엄청 복잡하고 수고로운 것이다. 그래서 컴퓨터나 스마트폰에는 그래픽 처리장치(GPU)를 따로 두고 있다. 인텔(Intel)이라는 회사가 CPU로 유명하다면 엔비디아(NVIDIA)라는 회사는 GPU로 독보적이다. 이것이 바로 시스템 반도체다. NVIDIA는 다른 방법으로는 해결할 수 없는 문제를 해결하기 위해 가속 컴퓨팅을 개척하여 왔는데 인공지능(AI) 및 컴퓨터 그래픽 분야에서 또, 게임에서 의료, 운송에 이르기까지 기여하고 있다. 이런 회사가 바로 일찍 일어난 새(early birds)다.

반도체는 빛을 전기신호로 바꾸거나 전기신호를 빛으로 바꾸어 준다. 이러한 예로 전광판과 컴퓨터나 스마트폰의 화면을 들 수 있다. 전기신호로 다양한 빛을 내는 것을 발광소자(發光素子)라 하고 LED(Light Emit Diode)로 적는다. 이것도 반도체이다. 그 기능이 발달하여 능동형유기발광소자(AMOLED)라는 것이 만들어 졌다. 문제는 전력 소비가 적고 발열이 적어야 하고 선명하게 보여주어야 하는 것 아니겠는가? 반도체 기술은 점점 발달하여 이런 것을 가능하게 한다.

모든 전자제품은 반도체로 작동한다. 자동차나 선박, 항공기 등 교통수단과 CCTV, 심지어 무기도 반도체로 작동한다. 그래서 이제는 반도체가 핵심이다. 우리나라가 반도체를 만들지 않았다면 어쩌고 있을까? 반도체 경쟁에서 뒤처지지 않으려면 어찌해야 할까? 대만이나 우리나라가 먹고사는 밥이다. 이렇게 반도체를 생각하니 내 마음도 정류되는 것 같다. 좋은 사람을 향하여 사랑의 감정을 증폭시키고 발광(發光)하면 좋겠다. 발광(發狂)이라도 좋다. 불광불급(不狂不及)이라 한다니.....