Q. 2나노 공정이 뭐야? 2나노와 3나노 차이, 정말 2나노미터일까?

애플 첫 폴더블폰 아이폰 듀오에 들어가는 A20 Pro 칩은 ’최신 2나노미터 공정’으로 만들었다고 합니다. 2나노미터면 얼마나 작은 걸까요? 칩 안에 정말 2나노미터짜리가 들어 있기는 할까요? 2나노 공정이 정확히 뭐고, 3나노와는 뭐가 다를까?

짧게 답하면 이렇습니다. 2나노 공정은 반도체를 만드는 기술 세대의 이름이고, 칩 안에 2나노미터 크기의 핵심 부품이 있다는 뜻은 아닙니다. 예전에는 공정 이름의 숫자가 트랜지스터(전기를 켜고 끄는 아주 작은 스위치)의 실제 길이였지만, 지금은 ’3나노 다음 세대’라는 이름표에 가까워요. 3나노보다 트랜지스터를 더 촘촘히 넣고 전력 효율을 높인 다음 세대입니다.

2나노 크기, 얼마나 작은 거야?

나노(nano)는 10억분의 1을 뜻합니다. 1나노미터(nm)는 10억분의 1미터이고, 2나노미터는 1밀리미터를 100만 칸으로 나눈 것 가운데 두 칸이에요.

미국 국가나노기술계획(NNI) 자료를 보면 사람 머리카락 굵기는 약 8만~10만 나노미터라서, 2나노미터는 그 4만~5만분의 1쯤 됩니다. 사람 DNA(Deoxyribonucleic Acid·디옥시리보핵산) 한 가닥(약 2.5나노미터)보다도 가늘고, 지름이 약 3분의 1나노미터인 금 원자를 여섯 개쯤 늘어놓은 길이예요. 이름만 들으면 DNA보다 가는 무언가를 만드는 기술 같습니다.

나노 공정 뜻, 숫자는 원래 무엇의 길이였을까?

칩은 트랜지스터를 엄청나게 많이 모아 만든 부품입니다. 트랜지스터는 전류가 지나가는 길인 채널과, 그 길을 여닫는 문인 게이트로 이뤄져 있어요. 게이트에 전압을 걸면 길이 열리고 빼면 닫히는데, 이 켜짐과 꺼짐이 컴퓨터가 쓰는 1과 0이 됩니다. 공정은 이런 칩을 만드는 제조 기술이고, ’몇 나노 공정’은 그 기술의 세대를 부르는 이름이에요.

미국 전기전자공학회(IEEE)의 기술 잡지 ’IEEE 스펙트럼’에 따르면, 1990년대 중반 전까지는 공정 이름의 숫자가 곧 트랜지스터의 게이트 길이(채널 위에 놓인 문의 길이)였습니다. 그 뒤로는 달라져서 130나노 공정의 실제 게이트 길이는 70나노미터였고, 2011년 인텔이 22나노 공정에서 핀펫이라는 새 구조로 바꿨을 때는 이름보다 오히려 긴 26나노미터였습니다.

그래도 업계는 대부분 예전의 이름 짓기 순서를 그대로 따랐습니다. 국제 반도체 로드맵(IRDS)의 2023년 보고서도 공정 이름을 정하는 방식에 회사들 사이의 합의가 아직 없다고 적고 있어요. 같은 ’3나노’라도 회사마다 실제 수치가 같다는 보장은 없다는 뜻입니다.

그럼 2나노 반도체에는 정말 2나노미터짜리가 있을까?

핵심 치수만 보면 없습니다. IRDS 2023년 로드맵에 실린 ‘2nm’ 세대의 전망치를 보면, 이웃한 두 게이트의 중심 사이 거리(게이트 간격)는 45나노미터, 가장 촘촘한 금속 배선의 간격은 20나노미터, 게이트 길이는 14나노미터입니다. 전류가 흐르는 얇은 판인 나노시트도 한 장 두께가 6나노미터예요.

‘2나노’ 칩의 핵심 치수는 이름 속 2나노미터보다 적게는 3배, 많게는 20배 넘게 큽니다. 회사별 실제 칩은 이 전망치와 조금씩 다를 수 있어요.

2나노 3나노 차이, 정확히 뭐가 달라?

크게 두 가지입니다. 트랜지스터를 더 촘촘하게 넣는 것, 그리고 그 모양이 바뀐 것이에요.

대만의 반도체 위탁생산(파운드리) 기업 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company·대만의 반도체 위탁생산 회사)는 2023년 발표에서, 자사 2나노(N2) 공정이 3나노 개량판(N3E)보다 같은 전력에서 속도가 최대 15% 빠르거나 같은 속도에서 전력을 최대 30% 덜 쓴다고 밝혔습니다. 칩 밀도(같은 면적에 담는 회로의 양)는 1.15배 이상이고요. 숫자만 보면 3에서 2로 줄었으니 두 배 넘게 촘촘해질 것 같지만, 실제 향상 폭은 그보다 훨씬 작습니다.

모양도 바뀌었어요. 트랜지스터가 작아질수록 꺼 둔 상태에서도 전류가 새는 문제가 커져서, 게이트가 채널을 더 많이 감싸도록 바꿔 온 거예요. 물 호스를 손으로 눌러 막는 상황에 비유해 볼까요? 예전의 평면 트랜지스터는 위에서 손가락 하나로 누르는 셈이라 물이 옆으로 샜습니다. 핀펫(FinFET)은 채널을 지느러미처럼 세로로 세워 게이트가 세 면을 감싸요. 세 손가락으로 쥔 셈이죠. GAA(Gate-All-Around, 게이트가 채널을 빙 둘러싸는 구조)는 얇은 판 모양의 채널을 층층이 쌓고 게이트가 네 면을 모두 감쌉니다. 주먹으로 감싸 쥔 셈이라 새는 전류를 더 잘 막아요.

IRDS 로드맵에서도 3나노급까지는 핀펫이, 2나노급부터는 GAA가 주력이고, TSMC도 2나노에 나노시트 트랜지스터를 쓴다고 밝혔습니다. 다만 모든 회사에 맞는 공식은 아니에요. 삼성전자는 2022년 6월, 세계 최초로 GAA를 적용한 3나노 공정의 초기 양산을 시작했다고 발표했습니다.

구분	3나노급	2나노급
주력 트랜지스터	핀펫(삼성은 GAA)	GAA 나노시트
게이트가 감싸는 면	3면(핀펫)	4면
게이트 간격	48nm	45nm
가장 촘촘한 배선 간격	24nm	20nm
게이트 길이(고성능용)	16nm	14nm

간격과 길이는 IRDS 2023년 로드맵의 ‘3nm+’ 세대와 ‘2nm’ 세대 전망치예요.

아이폰 듀오 A20 Pro, 2나노라서 더 빨라?

애플은 아이폰 18 프로와 같은 칩인 A20 Pro를 최신 2나노미터 공정으로 만들었다고 밝혔습니다. 애플에 따르면 CPU(중앙처리장치)는 A19 Pro보다 최대 20% 빠르고, 칩에 바로 연결한 베이퍼 챔버(열을 빠르게 퍼뜨리는 얇은 냉각판) 같은 열 관리 시스템과 함께 오래 써도 유지되는 지속 성능은 아이폰 17 프로보다 최대 35% 좋습니다.

하지만 이 수치를 모두 2나노 공정 덕분으로 볼 수는 없습니다. 칩의 실제 성능은 공정만이 아니라 칩 설계와 냉각, 소프트웨어가 함께 정합니다. 게다가 애플은 칩을 어느 회사가 만들었는지 밝히지 않아서, 앞의 TSMC 수치를 A20 Pro에 그대로 대입할 수도 없어요. ’2나노’는 최신 세대 기술로 만든 칩이라는 표시 정도로 보고, 배터리 시간이나 발열은 실사용 리뷰로 확인하는 편이 정확합니다.

한 줄 정리

2나노 공정은 3나노 다음 반도체 기술 세대의 이름이고, 칩 속 핵심 구조는 2나노미터보다 몇 배에서 스무 배 넘게 큽니다. 진짜 차이는 더 촘촘한 집적과 GAA 같은 새 트랜지스터 구조에 있고, 아이폰 듀오의 A20 Pro도 이 세대의 칩이에요.