IBM이 1나노미터 이하(sub‑1 nm) 공정을 적용한 세계 최초의 반도체 기술을 공개했다.

이번 기술은 0.7나노미터(7옹스트롬(angstrom)) 노드 기반의 새로운 트랜지스터 구조를 적용한 것으로, 기존 반도체 미세 공정이 물리적 한계에 근접하는 상황에서 중요한 전환점을 의미한다. 반도체는 컴퓨팅, 가전, 통신기기, 운송 시스템, 핵심 인프라 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다.

이번에 공개된 칩은 손톱 크기의 면적에 약 1,000억 개에 가까운 트랜지스터를 집적해, 2021년 발표된 2나노미터 칩 대비 거의 두 배 수준의 집적도를 구현했다. 이러한 성과는 다양한 구조적·소재 혁신을 기반으로 구현된 것으로, 특히 IBM의 혁신적인 3차원 ‘나노스택(nanostack)’ 설계가 핵심 역할을 했다. 이를 통해 칩 특성이 원자 규모에 가까워지는 상황에서도 성능과 에너지 효율 향상이 지속될 수 있음을 보여준다.

공개된 기술 결과에 따르면, 해당 칩은 IBM의 2나노미터 공정 칩 대비 최대 50% 더 높은 성능 또는 최대 70% 더 높은 에너지 효율을 제공할 것으로 예상된다.[i] 이는 생성형 인공지능(AI), 클라우드 인프라, 차세대 전자기기 등 다양한 분야에서 연산 성능을 크게 높일 수 있는 기반이 될 것으로 보인다. 

IBM 리서치 총괄사장 겸 IBM 펠로우 제이 감베타(Jay Gambetta)는 “이번 기술은 나노미터 단위를 넘어 원자 규모로 확장되는 컴퓨팅의 전환점을 보여준다”며 “나노스택은 단순히 트랜지스터를 더 작게 만드는 데 그치지 않고, 칩을 구축하는 방식을 새롭게 정의해 성능과 에너지 효율을 크게 향상시킨다”고 말했다. 이어 “이 기술은 차세대 컴퓨팅 시대를 위한 기반을 마련할 것”이라고 덧붙였다.

나노스택, 반도체 설계 방식의 확장 

IBM 연구진은 ‘나노스택(nanostack)’이라 불리는 완전히 새로운 트랜지스터 구조를 개발했다. 이는 업계 최초로 알려진 3차원 나노시트 기반 설계로, IBM이 개발해 현재 최첨단으로 활용되고 있는 나노시트 기술을 한 단계 발전시킨 것이다. 나노스택은 트랜지스터를 수직으로 적층하고 어긋나게 배치하는 방식을 적용해 집적도를 높인다. 3차원 순차 적층 공정을 통해 동일 면적에서 더 많은 트랜지스터를 구현할 수 있으며, 각 적층 층에 서로 다른 소재 조합을 적용해 개별 소자의 성능과 전력 효율을 독립적으로 최적화할 수 있다. 

IBM의 나노스택 구조는 CMOS 집적 공정에서의 초박막 유전체 결합, 듀얼 채널 엔지니어링 구현 능력 입증, 그리고 예상된 수준의 전환 성능을 나타내는 CMOS 인버터 동작 구현을 통해 실험적으로 검증됐다. 이러한 결과를 종합하면, 나노스택 기술은 물리적으로 구현 가능할 뿐 아니라 실제 연산을 수행할 수 있음을 확인할 수 있다. 

또한 반도체 회로 및 공정 분야 국제 학회인 VLSI 2026에서 새롭게 발표된 연구에서는 나노스택 기반 설계가 SRAM(Static Random Access Memory)에서 약 40% 수준의 추가적인 집적도 향상을 구현하는 것으로 나타났다.[ii] 이는 고대역폭 데이터를 필요로 하는 첨단 AI 워크로드에서도 보다 효율적인 칩 설계를 가능하게 한다는 점을 의미한다. 

이러한 혁신적인 구조를 바탕으로 로직 공정은 처음으로 1나노미터 이하 노드로 확장될 수 있게 됐으며, 개별 원자 크기에 가까운 옹스트롬 단위 미세화 시대를 앞당기고 있다. 현재 트랜지스터 노드는 실제 물리적 길이보다 제조 기술의 세대를 의미하지만, IBM의 0.7나노미터(7옹스트롬) 기술은 미세화가 여전히 지속될 수 있음을 보여준다. 또한 새로운 나노스택 기반 설계를 통해 IBM은 향후 최소 10년 이상 반도체 미세화가 이어질 것으로 전망하고 있다.

IBM이 이어온 수십 년간의 반도체 혁신 리더십 

이번 성과는 IBM이 반도체 연구개발 분야에서 축적해온 기술 리더십을 보여주는 최신 사례다. IBM은 1960년대 초기 반도체 개발부터 컴퓨팅 시스템을 구동하는 칩 기술을 선도해 왔으며, 세계 최초의 2나노미터 공정 칩 개발에 이르기까지 반도체 기술 발전을 이끌어왔다. 현재도 실리콘 공정, AI 반도체, 로직 공정, 양자 프로세서 등 미래 컴퓨팅을 위한 핵심 분야에서 기술 혁신을 이어가고 있다. 

IBM과 협력사들은 미국 뉴욕 올버니에 위치한 첨단 반도체 연구시설에서 이번 칩 관련 연구를 수행하고 있다. 이곳에는 향후 로직 공정 미세화를 위한 핵심 장비인 고개구율 극자외선(High NA EUV) 노광 장비가 도입될 예정이다. ASML이 개발한 이 기술은 회로를 초정밀로 구현할 수 있도록 해 더 작고 높은 성능의 반도체 생산을 가능하게 한다. IBM은 램리서치, 도쿄일렉트론, 스크린 세미컨덕터 솔루션즈 등과 함께 새로운 고개구율 극자외선 공정과 장비를 공동 개발해 왔으며, 이를 통해 실제 동작 가능한 반도체 소자 구현에도 성공했다. 

또한 IBM은 최근 순수 양자 반도체 생산을 위한 파운드리 기업 ‘앤더론(Anderon)’ 설립 계획을 발표했다. 독립 법인으로 설립될 앤더론은 IBM의 양자컴퓨팅 및 반도체 기술 역량을 기반으로, 향후 미국이 전 세계 양자 웨이퍼 생산에서 주요 역할을 수행할 수 있도록 지원하는 것을 목표로 한다. 

IBM은 1나노미터 이하 공정에서 나노스택 기술이 가장 먼저 적용될 것으로 보고 있으며, 이르면 향후 5년 내 상용화 가능성이 있는 것으로 전망하고 있다.