왜 28nm인가

“자기복제라면서 칩은 어디서 사오나?”

이전 글들에서 거울, 구조재, 터빈, 배터리, 열관리까지 — 소행성 Fe-Ni로 만들 수 있다는 걸 보였다. 자기복제 루프가 거의 닫혔다.

거의.

AI 칩은 아직 지구에서 수입한다. 다이슨 모듈의 자율 운용 — 채굴 로봇 제어, 궤도 조정, 제련 공정 관리, 거주구 생명유지 — 은 전부 AI가 한다. 칩이 없으면 모듈은 눈 뜬 장님이다.

“소행성에 리튬이 없다"가 리튬이온 배터리의 게임 오버였듯, “우주에서 EUV를 만들 수 없다"가 최첨단 3nm의 게임 오버다.

그러면 어떤 공정으로 칩을 만들 것인가?

왜 최첨단 3nm가 아닌가

반도체 공정의 핵심은 리소그래피 — 빛으로 회로 패턴을 웨이퍼에 새기는 공정이다.

EUV(극자외선) 스캐너는 지구 전체에서 ASML 한 회사만 만든다. 네덜란드 벨트호벤의 단일 공장. 수출규제 대상. 미국·일본·네덜란드 동맹이 중국에 못 팔게 막는 그 장비다. 이걸 우주에서 재현하겠다? 불가능.

EUV가 필요 없는 가장 강력한 공정. 그게 28nm다.

“7nm는 ArF로 가능하지 않나?” — 가능은 하다. 멀티 패터닝이라는 기법으로 ArF 빛을 여러 번 쏘아서 더 미세한 패턴을 만든다. 하지만 설계 복잡도가 폭발하고 수율이 급감한다. 우주에서 수율 관리를 위한 인력과 인프라를 갖추기 전에는 비현실적이다.

“65nm면 만들기 더 쉬운데?” — 맞다. 하지만 칩당 성능이 너무 낮다. 같은 일을 시키려면 물량이 폭증하고, 물량이 늘면 배선·패키징·냉각이 비례해서 복잡해진다. 쉽게 만들어봤자 전체 시스템이 어려워진다.

28nm = EUV 없이 만들 수 있는 최적의 집적도.

이건 이론이 아니다 — Google TPU v1

“28nm로 AI를 돌릴 수 있기는 한 건가?”

Google이 2015년에 답을 줬다. TPU v1. 28nm 공정으로 제작하고, 자사 데이터센터에 10만 개 이상 배포한 실전 AI 가속기.

시스톨릭 어레이라는 구조가 핵심이다. GPU는 범용 칩이라 실리콘의 70%가 제어 로직, 캐시, 스케줄러에 들어간다. 실제로 행렬 연산을 하는 건 30%. 시스톨릭 어레이는 행렬 곱셈만 하도록 설계한 구조로, 실리콘의 90% 이상이 실제 연산에 쓰인다.

AI만 돌릴 거면 GPU의 범용 오버헤드는 전부 낭비. TPU는 그 낭비를 없앤 칩이다.

그리고 이건 논문 속 제안이 아니다. AlphaGo를 돌린 칩이다. Google 데이터센터에서 수년간 실제 서비스에 투입된 하드웨어.

“4.6배 전기 먹는다고?”

현재 지구 최고 성능 AI 칩, NVIDIA H100. 4nm 공정, 990 TFLOPS, 소비전력 700W.

TPU v1 한 장은 23 TFLOPS. H100 한 장과 같은 연산을 하려면?

990 TFLOPS ÷ 23 TFLOPS = 43장

43장 × 75W = 3,225W ≈ 3.2 kW

4.6배. 지구에서는 치명적인 격차다. 전기요금이 데이터센터 운영비의 30~40%인 세계에서 4.6배 전력 차이는 곧 파산이다.

우주에서는?

다이슨 모듈 1기 = 370 MW. 3.2 kW는 370 MW의 0.00086%. 거울 면적으로 따지면 2.4 m² — 다이슨 거울 1 km²의 화소 하나 수준.

지구에서는 전력이 돈이다. 우주에서 전력은 거울 면적이다. 거울은 소행성 Fe-Ni를 펴서 만든다.

이전 글에서 터빈이 태양광 패널을 이겼던 것과 같은 논리 구조다. 지구 기준으로는 열등한 선택이 우주 기준에서는 유일한 선택으로 뒤집힌다. 기준이 다르면 답이 달라진다.

모듈 1기 = H100 3만 장급 데이터센터

모듈의 370 MW 중 30%를 AI 연산에 배정하면:

111 MW ÷ 75W/칩 = ~1,480,000장 (148만 장 TPU v1)

148만 장 ÷ 43장/H100 환산 = ~34,000 H100

인터커넥트·냉각 오버헤드 20~30% → 보수적으로 H100 ~2.5~3만 장급

2026년 현재 지구 최대급 AI 클러스터와 동급이다. 모듈 1기가.

모듈이 27만 기 자기복제하면? H100 수십억 장 환산. 인류 전체의 현재 연산 능력을 넘어서는 규모가 소행성 하나에서 나온다.

원료: 슬래그에서 AI 칩이 나온다

여기가 이 설계의 백미다. 별도의 반도체 광산이 필요 없다.

소행성 원광을 제련하면 Fe-Ni(90%+)가 주산물이고, 나머지가 슬래그다. 슬래그의 주성분은 SiO₂ — 규산염. 이걸 버리지 않는다.

소행성 원광 → 진공 제련
  ├→ Fe-Ni (90%+) → 거울, 구조재, 배터리, 터빈
  └→ 슬래그 (SiO₂ 주성분)
       ├→ 대부분 → 방사선 차폐재
       └→ 일부 → 탄소 환원 (SiO₂ + 2C → Si + 2CO)
            → 금속 실리콘
            → 존 리파이닝 (태양열 + 진공 + 미소중력)
            → 반도체급 단결정 잉곳 (9N+ 순도)
            → 300mm 웨이퍼
            → 28nm TPU

제련 폐기물에서 AI 칩이 나온다.

존 리파이닝(zone refining)이 우주에서 유리한 이유가 있다. 실리콘 잉곳에 좁은 용융대(molten zone)를 통과시켜 불순물을 밀어내는 정제법인데:

• 에너지: 태양열 직접 가열. 비용 제로
• 진공: 우주가 진공. 불순물이 자동 증발
• 미소중력: 용융대가 흘러내리지 않는다. 지구의 FZ(Float Zone)법은 잉곳 직경 200mm가 한계 — 그 이상이면 용융된 실리콘이 중력에 못 이겨 무너진다. 무중력이면 300mm 이상도 가능
• 반복: 거울 각도만 조절하면 정제 패스 무한 반복. 추가 비용 제로

지구에서 존 리파이닝은 비싸고 소규모인 프리미엄 공정이다. 우주에서는 기본 공정이 된다.

팹: 우주가 클린룸이다

지구 28nm 팹의 최대 비용 항목 중 하나: 클래스 1~10 클린룸. 공기 1세제곱피트당 지름 0.5μm 이상 파티클이 10개 이하. 이걸 유지하려면 거대한 HEPA 필터 시스템, 에어 핸들링 유닛, 양압(positive pressure) 관리가 필요하다. 팹 건설비의 상당 부분이 여기에 들어간다.

우주에는 공기가 없다. 파티클 오염원 자체가 부재. 진공은 완벽한 클린룸이다.

7대 공정 단계별 우주 적합성:

7단계 중 6단계가 우주에서 유리하거나 동등. 유일한 병목은 포토리소그래피 — ArF 스캐너 자체를 우주에서 만들 수는 없다. 하지만 한 번 올리면 수십 년 쓴다.

팹 열 관리: “우주에서 반도체를 만든다고?”

“태양 보는 면은 수백 도, 등진 면은 영하 100도인데 ±0.01°C 제어가 된다고?”

맞다. 그리고 지구보다 쉽다.

문제의 핵심

ArF 리소그래피 스캐너의 투영 렌즈 시스템은 열팽창에 극도로 민감하다. 온도 0.01°C 변동이 렌즈 곡률을 바꾸고, 오버레이(overlay) 오차를 만들고, 수율을 깎는다. 28nm 공정의 오버레이 허용 오차는 수 nm.

지구 팹에서 이걸 어떻게 해결하는가:

• 클린룸 전체를 23.00 ± 0.1°C 항온 유지
• 스캐너 내부는 별도 냉각 회로로 ±0.01°C 제어
• 문제: 외부 교란이 끊임없이 들어온다 — 외기 온도 변동, 계절, 주야간, 날씨, 지진, 도로 진동, 인접 장비 발열

우주 팹의 열 설계

[팹 모듈 단면]

외부: 우주 진공 (전도 제로, 대류 제로)
  │
  ├─ MLI 반사벽 (다층 반사 단열, 수십 겹)
  │    → 태양 복사열 차단율 99.5%+
  │    → 내부→외부 복사 손실도 차단
  │
  ├─ 구조 외벽 (Fe-Ni)
  │
  ├─ 능동 액체 순환층
  │    → 초순수(UPW) 미세 순환
  │    → 펌프 + 히터 + 방열 밸브로 능동 제어
  │    → 내벽 전체 23.00 ± 0.05°C 균일
  │
  └─ 팹 내부 (1 atm N₂ 분위기)
       → 장비 발열 → 순환 냉매가 흡수
       → 스캐너 내부: 전용 냉각 루프 ±0.01°C

왜 지구보다 쉬운가

핵심 역설: 우주의 극한 열환경(수백 도 vs 영하 100도)은 팹 내부에 도달하지 않는다. 진공은 최고의 단열재이고, MLI가 복사를 차단하면 팹 내부는 외부와 열적으로 완전 격리된다. 그 다음부터는 내부 장비 발열만 관리하면 되는데, 이건 지구보다 쉽다 — 외부 교란이 제로이므로.

지구 팹이 HVAC에 전체 전력의 30~40%를 쓰는 이유는 외부와 끊임없이 싸우기 때문이다. 우주 팹은 그 싸움 자체가 없다.

UPW — 바톨라이저에서 온다

팹 항온 순환에 사용하는 초순수(UPW)는 별도 정수 플랜트가 아니라 바톨라이저 산출물에서 나온다:

바톨라이저: H₂O → H₂ + O₂ (전기분해)
역반응:     H₂ + O₂ → H₂O (연료전지)

부산물 H₂O → 정제 → UPW
  ├→ 팹 항온 순환 냉매
  ├→ 웨이퍼 세정
  └→ 이머전 리소그래피 액체

인공중력 구획

이머전 리소그래피는 웨이퍼 위에 초순수 박막을 깔아야 한다 — 중력이 필요하다. 팹 모듈을 두 구획으로 나눈다:

진공 구획 (0G):
  ├→ CVD/PVD 증착 (진공 필수)
  ├→ 이온 주입 (진공 필수)
  └→ 플라즈마 에칭 (진공 필수)

인공중력 구획 (~1G 회전):
  ├→ ArF 이머전 리소그래피 (액체 관리에 중력 필요)
  ├→ 습식 세정 (UPW 세정에 중력 필요)
  └→ 웨이퍼 핸들링 (로봇 이송)

웨이퍼는 진공 ↔ 인공중력 구획을 에어록을 통해 오간다. 회전 구획은 외부 진동원이 없으므로 회전 자체의 균일성만 관리하면 된다 — 지구에서 지진과 도로 진동까지 방어하는 것보다 훨씬 간단하다.

외부 의존: 5%

95%는 우주에서 조달. 나머지 5% — ArF 스캐너(최초 1회) + 소모품(연 수 톤) — 는 스타십 1회 발사에 수십 년치 적재 가능.

“포토레지스트는 정밀 유기화학인데?” — 맞다. 이건 현지 제조가 어렵다. 하지만 연간 소비량이 수백 kg 수준이다. 스타십 1회에 수십 년치를 실어 올 수 있다. 완전 자급이 아니라 사실상 자급이다.

자기복제 루프가 닫힌다

이전까지:
  소행성 원광 → 제련 → Fe-Ni → 거울·구조재·배터리 → 자기복제
                                                  ↑
                                          AI 칩은 지구에서 수입 ❌

이제:
  소행성 원광 → 제련 → Fe-Ni → 거울·구조재·배터리·터빈
                    → 슬래그 → Si 잉곳 → 28nm TPU → AI 자율제어
                                                  ↓
                                          자기복제 루프 완전 폐쇄 ✅

거울이 거울을 만들고. 배터리가 추진제를 만들고. 슬래그가 AI 칩을 만든다. 버릴 것이 없다.

한 줄 요약

최첨단 3nm는 ASML 독점 EUV 없이 만들 수 없다 — 우주에서 불가능. 28nm는 ArF만으로 가능하고, Google TPU v1이 실측 92 TOPS를 증명했다. 전력 4.6배 열위는 370 MW 모듈에서 거울 2.4 m²의 차이. 슬래그에서 실리콘이 나오고, 우주 자체가 클린룸이며, 진공 단열이 ±0.01°C 열관리를 지구보다 쉽게 만든다. 자기복제 루프의 마지막 고리.