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컴퓨터 / 하드웨어 : 컴퓨터와 하드웨어, 주변기기에 관련된 이야기, 소식, 테스트, 정보를 올리는 게시판입니다.

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참고/링크 http://pc.watch.impress.co.jp/docs/colum...52364.html

차세대 반도체 미세 가공 기술인 EUV (Extreme Ultra-Violet) 리소그래피 기술 개발 로드맵이 명확해졌습니다. 빠르면 7nm 세대부터 양산에 채용되고, 최소한 3nm 세대까지 미세화를 견인해 나갑니다(고 NA로 3nm 세대의 초 고난도 제조를 노리는 EUV 노광 기술 https://gigglehd.com/gg/884564 ). 2018년부터 2026년까지의 미세화를 EUV 리소그래피가 주도하게 됩니다.

 

미세화의 비장의 카드는 광학계의 개혁입니다. 구체적으로는 개구율(NA)의 향상입니다. 반도체 리소그래피 기술의 해상도는 파장에 비례하고 NA에 반비례합니다. 즉 NA를 두 배로 높이면 해상도도 2배 상승(가공할 수 있는 크기가 1/2로 작아짐)합니다.

 

 

EUV 노광 장치에서 NA 향상의 역사

 

EUV 리소그래피 기술은 노광 도구인 EUV 노광 장치, 인프라인 래티클(마스크)와 박막 저항 등의 핵심 기술로 구성됩니다. 해상도를 크게 좌우하는 건 EUV 노광 장치의 광학계입니다.

 

유일한 EUV 노광 장치 업체인 네덜란드 ASML은 NA가 0.25로 시작하는 EUV 노광 장치인 NXE : 3100을 2010년에 개발했습니다. 이 NXE : 3100은 EUV 리소그래피 기술의 개발과 평가에 사용됐습니다. 이어 ASML은 NA를 0.33로 높인 EUV 노광 장치 NXE : 3300B를 2013년에 개발, 공급하기 시작했습니다. 이후에는 0.33 NA를 유지한채로 개량한 NXE : 3350B를 2015년에 개발하고,NXE : 3400B를 2017년에 개발하여 출하를 시작했습니다. 그리고 0.33의 NA를 유지한 차세대 EUV 노광 장치인 NXE : 3450C(가칭)을 2019년 경에 출시할 계획입니다.

 

NA를 높인 EUV 노광 장치는 그 다음에 등장합니다. ASML은이 장치를 High NA tool(높은 NA의 장치) 또는 NXE : 3500라고 부릅니다. 0.5 이상에선 가장 유력한 값이 0.55입니다. NA만 가지고 비교하면 0.33에 비해 미세화 가능한 크기는 약 0.6 배로 줄어듭니다. 0.55의 높은 NA로 3nm 노드의 양산을 목표로 합니다.

 

 

반사 렌즈를 사용하는 EUV 리소그래피의 광학계

 

그러면 EUV 노광 장치에서는 어떻게 NA를 높일까요? 이 주제로 들어가기 전에 EUV 노광 장치의 기본 구조에 대해 복습해 봅시다. EUV 광이 시작해서 끝까지의 구간(광로)가 어떻게 되는지를 살펴보죠.

 

시작은 광원입니다. 광원은 강력한 레이저 광으로 주석(Sn)을 플라즈마화해 플라즈마 광을 발생시키는 것으로부터 시작합니다. 다음은 컬렉터(집광기)라고 부르는 반사경 렌즈로 플라즈마 광을 집광합니다. 모여진 EUV 광은 중간 집광점을 거쳐 조명 광학계로 들어갑니다. 조명 광학계는 반사 거울 렌즈로 빛의 모양을 정돈합니다. 그리고 EUV 광을 레티클(마스크)로 입사합니다.

 

레티클에 의해 반사된 EUV 광은 투영 광학계로 들어갑니다. 투영 광학계는 레티클에 의한 반사 이미지(회로 패턴)을 반사경 렌즈에 의해 1/4로 축소시켜 실리콘 웨이퍼로 전사합니다.

 

실리콘 다이의 회로 패턴은 일괄 투영하지 않습니다. 홈 슬릿 형상의 빛(엄밀하게는 원호의 일부만 잘라낸 모양의 빛)에서 레티클을 주사(스캔)해 실리콘 다이의 전체 패턴을 투영합니다. 한번 스캔이 끝나면 다음 영역(단계)으로 이동해 스캔을 시작합니다. 스텝 앤 스캔이라는 노광 방식입니다. 또한 스캔(주사)에 의해 회로 패턴을 전사하기에 EUV 노광 장치를 EUV 스캐너라고 부르기도 합니다.

 

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EUV 리소그래피의 광학계(모식도). 왼쪽의 Souce Module(광원 모듈)과 Collector(집광기)가 EUV 광원입니다. 강력한 레이저 광 (탄산가스 레이저 광)에 의해 고온의 플라즈마를 발생시켜 그 빛을 수집하여 중앙 상단의 Intermediate focus(중간 집광점)에 모읍니다. 그 때 illuminater(조명 광학계)에 의해 광선의 형상을 갖춰 회로 패턴을 그린 Reticle(십자선)에 입사시킵니다. 레티클에서 반사된 광선은 오른쪽의 Projection optics(투영 광학계)를 통해 오른쪽 아래의 실리콘 웨이퍼까지 도달시킵니다. 2009년에 개최된 국제 학회인 International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography(2009 EUVL Symposium)'에서 칼 짜이스 SMT가 발표 한 슬라이드

 

 

높은 NA에서 문제가 되는 두 부분

 

NA는 광선이 통과하는 매질의 굴절률과 광선의 각도에 의해 정의됩니다. 여기서 광선의 각도는 렌즈의 중심에 입사하는 광선과 렌즈의 가장자리에 입사하는 광선이 이루는 각도(θ)입니다. 매질의 굴절률을 n이라 쓰면 NA = n × sin (θ)가 됩니다. EUV 노광 장치 내부의 광학계에서 n은 1.00 (진공)이니 실제로는 sin (θ)입니다. NA를 높이면는 각도 (θ)가 늘어난다고 보면 됩니다.

 

앞에서 언급한 광학계에서 NA를 올렸을 때 문제가 되는 건 주로 2개입니다. 하나는 레티클의 반사 각도, 다른 하나는 대물 렌즈(실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 전사하는 렌즈)의 반사각이 확산입니다.

 

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EUV 리소그래피의 광학계에서 NA를 높일때 문제가 되는 부분(모식도). NA를 높이면 레티클에서 반사시키는 광선의 각도와 웨이퍼에 투영하는 광선의 각도가 펼쳐집니다다. 그러자 기술적인 문제가 생깁니다. 2016년 6월에 개최된 국제 학회 EUVL Workshop 2016에서 ASML과 칼자이스 SMT가 공동으로 발표한 슬라이드.

 

 

컨트라스트 저하와 배율의 상승

 

우선 레티클(마스크)에 대한 개구율 증가를 봅시다. 마스크의 개구(NA (mask)는 웨이퍼의 개구(NA (wafer)를 축소 비율의 역수(mag)로 나눈 것과 같습니다. 즉, 기존의 EUV 노광 장치 마스크의 NA는 웨이퍼 NA의 1/4로 작아집니다. 따라서 마스크의 반사 EUV 광은 웨이퍼에 비해 수직에 가까운 각도로 반사됨을 알 수 있습니다.

 

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레티클(마스크)의 NA와 EUV 광의 반사 각도 관계. 2016년 6월에 개최된 국제 학회 EUVL Workshop 2016에서 ASML과 칼 자이스 SMT가 공동으로 발표한 슬라이드

 

마스크는 웨이퍼와 마찬가지로 평면입니다. 마스크 기판에 형성한 다층막에 의해 EUV 광을 반사합니다. 단순하게 보기 위해 NA의 영향을 수평 방향(Y 방향)에서 반사되는 빛과 수직 방향(X 방향)에서 반사되는 빛으로 나누어 생각해 보죠. 광학계의 NA를 높이고 패턴의 하프 피치(선폭과 간격)를 좁히는 겁니다.

 

NA를 0.33에서 0.55로 높였을 때의 평행 직선 패턴의 해상도 대비를 비교하면 Y 방향에서 컨트라스트가 크게 떨어집니다. 반면 X 방향에서는 콘트라스트의 저하는 그리 크지 않습니다.

 

여기서 투영 광학계의 배율(축소율의 역수)를 Y 방향만 기존의 4 배에서 8배로 늘리면 컨트라스트 하락을 상당히 방지할 수 있습니다.

 

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NA의 향상과 컨트라스트(NILS) 배율의 관계. 2016년 6월에 개최된 국제 학회 EUVL Workshop 2016에서 ASML과 칼 자이스 SMT가 공동으로 발표 한 슬라이드.

 

마스크는 이미 설명한대로 다층막에 의한 반사형 마스크입니다. 광선 반사율은 수직 방향(입사각이 0도)이 가장 높습니다. 반사율은 약 60%입니다. 광선이 비스듬하게 입사하면 반사율은 떨어집니다. 그래도 현재 EUV 노광 마스크는 입사각이 11도 정도까지 수직과 거의 같은 반사율을 유지합니다. 그러나 12도~15도에서 반사율은 급격히 떨어지고 15도 이상이면 반사율이 약 5%로 제한됩니다.

 

NA가 0.33인 광학계는 마스크의 입사각이 Y 방향으로 최대 11도, X 방향에서 최대 5도니까 반사율이 가장 높은 상태를 거의 유지합니다. 그런데 NA가 0.55인 광학계라면 마스크에서 입사각이 Y 방향으로 최대 17도, X 방향에서 최대 8도가 됩니다. Y 방향 각도가 12도~17도인 영역은 빛이 거의 반사하지 않습니다. 따라서 해상력 컨트라스트가 떨어집니다.

 

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다층막 반사형 마스크의 입사각(가로축)과 반사율(세로축)의 관계. 2016년 10월에 개최된 국제 학회인 2016 International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography (2016 EUVL Symposium)에서 ASML이 발표한 슬라이드.

 

그래서 ASML과 광학계 개발 담당인 독일 칼 자이스 SMT가 고안한 것이 투영 광학계의 배율을 Y 방향만 8배로 확대하는 것입니다. 이미 설명한대로 광학계 배율이 커지면 마스크 NA는 떨어집니다. 즉 광선의 반사 각도가 작아집니다. Y 방향의 최대 입사각은 9도로 작아 마스크의 반사율이 높은 영역만을 사용할 수 있게 됩니다.

 

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다층막 반사형 마스크의 입사각(가로축)과 반사율(세로축)의 관계. NA가 0.55인 광학계에서 Y 방향의 배율을 2.8 배 증가시켜 입사각을 줄입니다. 국제 학회 2016 EUVL Symposium에서 ASML이 발표 한 슬라이드.

 

 

NA를 높여 한번에 노출하는 영역이 절반으로 감소

 

Y 방향은 스텝 앤 스캔의 방향이기도 합니다. 마스크의 노출 영역은 스캔 방향 길이가 132mm, 스캔 폭이 104mm니 기존의 4배(1/4) 광학계로는 실리콘 웨이퍼의 노출 영역 크기가 Y 방향이 33mm, X 방향이 26mm로, 총 면적은 858제곱mm가 됩니다.

 

그러나 NA를 높인 광학계는 배율이 비대칭이 됩니다. Y 방향이 8배, X 방향이 4배입니다. 마스크 노광 영역의 크기는 변하지 않습니다. 이 결과 실리콘 웨이퍼의 노출 영역 크기는 Y 방향이 16.5mm, X 방향이 26mm가 되고 면적은 절반으로 감소합니다. 하프 필드(half field)가 노광 영역이 됩니다.

 

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NA를 높인 광학계의 마스크 노광 영역 크기와 웨이퍼 노광 영역 크기의 관계. 국제 학회 2016 EUVL Symposium에서 ASML이 발표한 슬라이드.

 

"하프 필드"가 가져오는 가장 큰 문제점은 처리량의 감소입니다. 단순히 계산하면 단위 시간당 웨이퍼 처리 용량이 절반으로 감소합니다. 처리량의 저하를 방지하기 위해 ASML은 마스크의 이동 무대와 웨이퍼의 이동 단계를 가속화한다고 밝혔습니다. 구체적으로는 마스크의 이동 속도를 4배, 웨이퍼의 이동 속도를 2배로(스캔 및 광학계를 이동시키는 것이 아니라 마스크와 웨이퍼를 동기화하여 이동하기위한 것) 한 것입니. 이렇게 하면 원칙적으로 기존과 동일한 처리량을 유지할 수 있습니다.

 

 

대물 렌즈에서 결정되는 웨이퍼의 NA

 

여기에서 대물 렌즈(실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 전사하는 렌즈)에 대한 NA 향상 기술을 설명하겠습니다. 노광 장치의 NA는 일반적으로 시리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 투영하는 대물 렌즈의 투영 각도와, 대물 렌즈부터 웨이퍼까지의 매질 굴절률에 의해 결정되는 NA를 가리킵니다. 매질의 굴절률은 1로 고정되어 있기에 대물 렌즈의 투사 각도를 넓히면 NA가 높아집니다.

 

즉 대물 렌즈에서 웨이퍼에 입사하는 광선의 최대 각도가 높아지는 것과 동시에 입사하는 광선의 각도가 펼쳐지게 됩니다. 그러자 대물 렌즈의 직경은 커지고 대물 렌즈에 도달하기까지의 투영 광학계에서 모든 반사경 렌즈가 커져, 광학계 전체의 크기가 커집니다. 폭이 굵어지는 것과 동시에 높이가 상승합니다.

 

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투영 광학계의 NA에 따른 크기 차이. 왼쪽이 NA 0.25, 중앙이 NA 0.33, 오른쪽이 NA 0.5 이상의 광학계를 나타낸 것입니다. NA를 높이기 위해서는 반사경 렌즈의 직경을 대형화하고 광학계 전체의 크기를 굵고 높여야 합니다. ASML이 2016년 10월 31일에 개최 한 애널리스트 설명회 Analyst Day에서 설명한 강연 슬라이드.

 

 

반사경 렌즈의 구멍을 넓힐 방법

 

투영 광학계는 6장의 반사경 렌즈로 구성됩니다. 레티클(마스크)에 가까운 쪽부터 1번(M1)부터 6번(M6)까지의 번호로 구별하는 경우가 많습니다. 대물 렌즈는 M6입니다.

 

NA를 0.25에서 0.33로 증가할 때엔 문제가 되지 않았지만, 0.33에서 0.55에 올리면 문제가 되는 것이 대물 렌즈(M6) 바로 앞의 반사 렌즈 (M5)입니다. M5 렌즈는 기존보다 높은 최대 각도에서 광선을 M6 렌즈에 입사하는 것과 동시에, 기존보다 큰 확산 각도에서 광선을 M6 렌즈로 이끌어야 합니다. M6 렌즈를 크게 늘린데 따른 여파가 M5 렌즈에 있다고 할 수 있습니다.

 

마스크와 마찬가지로 반사경 렌즈도 다층막에 의한 반사를 이용합니다. 그리고 마스크와 마찬가지로 각도의 확대에 약합니다. 기존 (NA 0.33)의 광학계와 동일한 구성에서는 0.5 이상의 NA를 실현하는 것은 곤란합니다.

 

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투영 광학계의 M6 렌즈와 M5 렌즈의 관계. 전시회 겸 강연회 SEMICON Europa 2015 에서 칼 자이스 SMT가 발표한 슬라이드.

 

그래서 M5 렌즈와 M6 렌즈의 중앙에 구멍을 뚫어 EUV 광을 통과시키는 광학계를 칼 자이스 SMT가 고안했습니다. M4 렌즈에서 반사된 광선은 M6 렌즈 중앙의 구멍을 통해 M5 렌즈에 도달합니다. M5 렌즈에서 반사된 광선은 M6 렌즈(대물 렌즈)로 반사합니다. 반사된 광선은 M5 렌즈 중앙의 구멍을 통해 웨이퍼에 도달합니다. 이렇게 하면 M5 렌즈의 광선 각도가 작아져 컨트라스트와 해상도를 모두 확보할 수 있습니다.

 

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M6 렌즈와 M5 렌즈에 구멍을 뚫어 광선의 각도를 줄인 광학계. 국제 학회 2016 EUVL Symposium에서 ASML과 칼 자이스 SMT가 공동 발표한 슬라이드.

 

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High NA tool 혹는 NXE : 3500의 개요. 국제 학회 EUVL Workshop 2016에서 ASML이 발표 한 슬라이드.

 

 

0.7의 아주 높은 NA로 가는 길

 

0.55의 NA를 지닌 High NA tool에 의해 3nm 노드의 로직 반도체를 달성할 수 있다는 건 명확합니다. 그럼 NA를 더 높이는 건 가능할까요.

 

광학계를 개발하는 칼 자이스 SMT는 NA를 0.7로 높인 투영 광학계의 타당성을 이미 보여준 바 있습니다. 투영 광학계의 반사경 렌즈의 수를 8개로 늘리고 NA가 0.5 이상인 광학계와 마찬가지로 일부 반사경 렌즈의 개구율을 높이는 광학계입니다.

 

사실 투영 광학계를 구성하는 반사경 렌즈의 수를 기존의 6개에서 8개로 늘리면 반사경 렌즈의 개구율을 늘리지 않고서도 0.55의 NA를 실현할 수 있습니다. 그러나 반사경 렌즈를 2장 추가하면 EUV 광 에너지는 절반 이하가 됩니다. 따라서 처리량을 유지하기 위해서는 광원의 출력을 2배로 늘릴 필요가 있습니다. 가뜩이나 광원의 출력 향상 속도가 당초 계획보다 늦어진 만큼, 8개의 렌즈 광학계는 NA가 0.55의 노광 장치에는 채용되지 않았을 것으로 보입니다.

 

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NA를 0.4 이상으로 높이는 두가지 방법. 왼쪽은 반사경 렌즈의 개구율을 늘리는 방법이며 오른쪽은 투영 광학계의 반사경 렌즈를 8개로 늘리는 것입니다. 국제 학회 2009 EUVL Symposium에서 칼 자이스 SMT가 발표한 슬라이드.

 

그러나 NA가 0.7로 매우 높아지면 실현 수단은 한정됩니다. 반사경 렌즈를 2장 추가하고 또한 반사경 렌즈의 일부(적어도 대물 렌즈와 그 앞의 렌즈)의 개구율을 높이는 것 외에는 다른 방법이 없습니다.

 

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NA 향상 로드맵. 6M은 6개의 반사경으로 구성된 투영 광학계며 8M은 8개의 반사경으로 구성된 투영 광학계입니다. 국제 학회 2009 EUVL Symposium에서 칼 자이스 SMT가 발표한 슬라이드.

 

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EUV 리소그래피 기술의 미세화 로드맵(오른쪽 그래프). ASML이 2016년 10월 31일에 개최한 애널리스트 설명회 Analyst Day에서 설명한 강연 슬라이드.

 

물론 이는 실현하기가 매우 어렵습니다. 그러나 NA가 0.55인 EUV 리소그래피 기술에 3nm 노드까지 더하면, NA가 0.7인 광학계가 필요한건 2nm 노드 이상이 됩니다. 그 일정은 2027년입니다. 개발 기간은 10년 정도 있다고 보면 됩니다. 그 사이에 반사경의 반사율이 향상되거나 광원의 출력이 향상되는 등의 진전이 있으면 구현될 확률이 높아집니다.

 

"무어의 법칙"은 3nm 노드로 끝나지 않습니다. 기술적인 어려움은 엄청나지만 해야 할 일도 분명합니다. 2nm 노드를 구현하는 것이 불가능하진 않습니다. 반대로 3nm 노드가 되기 전에 무어의 법칙이 완전히 끝날 가능성도 0은 아닙니다. "반도체 산업이 미세화를 포기했을 때"이 무어의 법칙은 정말로 끝날 것입니다.



  • profile
    드럼카카오 2017.04.06 02:25
    기사 잘봤습니다. 3nm도 머지않았네요 ㅎㄷㄷ
  • ?
    mimcic 2017.04.06 02:45
    파장에 반비례하구 NA에 비례한다는 말이 오타난거같아요! 도입부에
  • ?
    mimcic 2017.04.06 02:52
    마스크의 반사율을 높이는 방법은 없을까요??
  • ?
    마라톤 2017.04.06 09:47
    좋은 정보 감사합니다. ^_^
  • profile
    냐아      (대충 좋은 소리) 2017.04.06 10:01
    더 많은 EUV를 입사시키는게 정말 어렵군요.
  • ?
    히로리아 2017.04.06 10:04
    미세화를 포기하면...
  • ?
    AleaNs      iPhone 11Pro / 2018 iPad Pro 12.9" LTE / Apple Watch 5th 2017.04.06 11:40
    미세화가 진행될수록 나중엔 분자 자체를 나열하는 형식 수준으로 변할텐데, 얼마나 잘 버텨줄지 모르겠네요.....
    무조건 세밀한 것이 좋은 건 아닌데 기술 자체는 ㅎㄷㄷ하네요;;
  • ?
    ASTRAY      레이라고 불러주세오 ' ㅠ' 2017.04.06 16:37
    개인적으로는 분자 3D 프린트 같은 기술이 나오지 않을까 생각합니다만... 아직은 먼 얘기쥬...
  • profile
    AdorableZ      5等級の花婿 2017.04.06 14:30
    렌즈 배열이 거의 예술이군요.. 대단합니다.
  • profile
    탕탕치킨 2017.04.06 16:46
    정말 신의 경지에 달해가네요...ㅎㄷㄷ
  • profile
    TundraMC      자타공인 암드사랑/GET AMD, GET MAD. Dam/컴푸어 카푸어 그냥푸어/니얼굴사... 2017.04.06 20:18
    무섭네요 ㄷㄷ

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    제온 파이 기반 시스템 구축을 위한 레퍼런스 개발 인텔은 14nm 프로세스 세대의 새로운 멀티 코어 프로세서인 나이츠 랜딩을 공식 발표했습니다. PCI-E 카드 기반 보조 프로세서인 기존의 제온 파이(나이츠 코너)와 달리, 나이츠 랜딩은 ...
    Date2016.07.06 분석 By낄낄 Reply1 Views1374 file
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  12. 호모지니어스 구성이 가능한 새 제온 파이. 나이츠 랜딩의 장점

    마침내 정식 발표된 나이츠 랜딩 인텔은 멀티 코어 프로세서인 제온 파이의 신제품, 나이츠 랜딩(KNL)을 공식적으로 발표했습니다. 1개의 칩에 최대 72 코어를 탑재, 각 코어가 512비트 폭 벡터 유닛을 2개 갖춰고 32비트 단정밀도 부동 ...
    Date2016.07.05 분석 By낄낄 Reply5 Views2073 file
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  13. No Image

    RX480의 가격에 대한 분석

    댓글을 달려다 글을 남깁니다. AMD는 RX 480의 리테일 가격을 $199+ 로 발표했습니다. 때문에 많은 분들이 저렴한 가격대를 기대하신것으로 알고 있습니다.   그러나 리테일 가격은 부가세를 제외한 면세 가격입니다. 미국은 주마다 개별 ...
    Date2016.07.03 분석 ByMoria Reply21 Views1663
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  14. 라데온 RX 480 정식 발표

    AMD 라데온 RX 480이 발표됐습니다. 199달러라는 저렴한 가격에 우수한 VR 경험을 제공하는다는 게 컨셉. 라데온 RX 480은 코드네임 폴라리스를 사용하는 GPU로, 아키텍처 자체는 GCN에 속하지만 라데온 HD 7000이 1세대, 라데온 R9 290X...
    Date2016.06.29 분석 By낄낄 Reply6 Views1754 file
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