전자산업의 ‘쌀’이라 불리는 반도체는 3차 산업혁명을 이끈 가장 큰 원동력 가운데 하나다. 정보통신기술(ICT)의 기본이 되면서 4차 산업혁명에서도 적지 않은 역할을 할 것으로 기대되지만 이전과 달리 새로운 패러다임의 필요성이 꾸준히 제기되기도 하다. 대표적인 것이 인텔 창업자 고든 무어의 ‘무어의 법칙’이지만 미세공정의 한계로 전혀 다른 형태의 전략이 필요한 시점이 됐다.

물론 무어의 법칙이 단순히 중앙처리장치(CPU)에만 적용되는 법칙이 아니라는 점은 눈여겨 볼 필요가 있다. 특히 우리나라는 D램, 낸드플래시와 같은 메모리 반도체의 비중이 압도적으로 높다. 전 세계적으로도 메모리 반도체는 전체 반도체 시장의 30% 이상을 차지할 만큼 중요한 위치지만 4차 산업혁명 시대를 맞아 새로운 기술과 제품이 필요하다는 의견이 나오고 있다.

기사순서
① 메모리 반도체 기술 어디까지 왔나
② 차세대 메모리, 준비 상황은?
③ 4차 산업혁명 시대, 메모리 반도체의 미래

[IT 전문 블로그 미디어=딜라이트닷넷] 반도체의 미래는 어떻게 그려질까. 얼마나 반도체 시대가 지속될지는 정확히 예측할 수 없지만 적어도 1세대, 그러니까 30년 정도는 이어질 것이라는 게 업계의 일반적인 분석이다. 동일선상에서 비교하기는 어렵지만 예컨대 내연기관이 처음 개발된 것이 1886년이라는 점과 지금까지 꾸준한 성능 개선이 이뤄지고 있다는 사실을 비추어봤을 때 반도체는 앞으로 꾸준히 활용될 가능성이 더 높다. 물론 최근 내연기관이 하이브리드를 비롯해 전기, 수소연료전지 등에 조금씩 자리를 내주고 있다지만 전반적인 활용도에 있어서는 아직까지 비교하기 어려운 수준이다.

반도체도 같은 맥락에서 이해할 수 있다. 웨이퍼에 빛을 뿌려 회로를 그리는 포토 리소그래피(Photo Lithography)라 부르는 노광(露光) 공정의 발전이 더디면서 미세공정이 한계에 다다른 것 아니냐는 분석이 나오고 있지만 아직까지 도입할 수 있는 기술이 적지 않다는 점에서 발전할 수 있는 여력이 충분하다. 전통적인 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 대체할 새로운 기술에 관심이 쏠리고 있다. 양자컴퓨터(Quantum Computer)와 같이 극단적인 경우가 아니더라도 ‘터널링 펫(TFET)’, ‘강유전체 펫(FeFET)’, ‘스핀트로닉스(spintronics)’ 등만 봐도 그렇다.

우리나라가 강점을 가지고 있는 메모리 반도체의 경우에는 이미 신기술이 대거 접목되고 있는 상태다. 대표적인 것이 평면(2D)가 아닌 입체(3D) 설계가 적용된 낸드플래시다. 잘 알려진 것처럼 3D 낸드플래시는 기억 소자인 ‘셀’을 수평이 아닌 수직으로 쌓아올리는 개념이다. 관련 제품을 가장 먼저 상용화한 삼성전자는 ‘3D 원통형 CTF(3D Charge Trap Flash) 셀 구조’와 ‘3D 수직적층 공정’ 기술을 접목시켰다. 그동안 회로를 미세하게 그려 반도체 성능을 높여왔다면, 이제는 고층빌딩처럼 쌓아올리는 방식을 택했다고 이해하면 된다.

지금까지 양산된 낸드플래시는 게이트에 전하를 저장하는 방식으로 40여 년 전 개발된 플로팅 게이트(Floating Gate) 구조를 적용했다. 그러나 최근 10나노급 공정 도입으로 셀 사이의 간격이 대폭 좁아져 전자가 누설되는 간섭 현상이 심화되는 등 미세화 기술은 물리적 한계에 도달한 상태다. 흥미롭게도 인텔은 플로팅게이트(Floating Gate, FG) 사용하고 있고 삼성전자와 SK하이닉스는 3D 원통형 CTF를 사용하고 있다는 점에서 향후 어떤 파장을 불러일으킬지가 관건이다.

이론적으로 CTF보다 훨씬 먼저 사용되기 시작한 FG는 시장에 충분한 검증을 받았다. CTF는 부도체에 전하를 저장토록 함으로써 셀과 셀 사이의 간섭 현상을 줄이고 간격을 좁힐 수 있다. 다만 셀을 묶은 어레이를 제어하기 위한 컨트롤 회로를 주변에 반드시 수평적으로 배치해야 하는 어려움이 있다. FG는 셀 아래쪽에 배치할 수 있어 그만큼 비용절감이 가능하다는 것이 핵심이다.

D램은 주메모리, 낸드플래시는 보조저장장치로 많이 쓰고 있다. 개발된 목적이 다르다보니 서로의 장단점도 명확하다. D램은 주메모리로 쓰이는 만큼 중앙처리장치(CPU)를 보조할 수 있을 정도로 빠른 속도를 가지고 있다. 대신 전기가 끊기면 저장된 데이터도 사라진다. 낸드플래시의 속도는 D램과 비교하면 어른과 아이의 비교하고 해도 과언이 아닐 정도로 느리다. 대신 전기가 없어도 데이터를 보존할 수 있다.

최근 메모리 반도체는 이 두 가지 성격을 모두 지원하는데 있다. 대표적인 것이 인텔과 마이크론이 공동으로 개발한 ‘3D X(크로스) 포인트’다. 당초 발표할 때만 하더라도 낸드플래시와 비교해 1000배 더 빠르고 수명이 길다고 주장했으나 실제로는 이에 미치지 못하는 것으로 전해졌다. 아직 정식으로 시장에 선보인 상태가 아니기 때문에 속단하기는 어려우나 적어도 낸드플래시보다는 성능이 높으나 D램에는 미치지 못한다는 분석이 많다. 가격도 낸드플래시나 D램보다는 비쌀 것으로 보이므로 당분간은 엔터프라이즈와 같은 기업용 시장을 중심으로 움직일 것으로 보인다. 적어도 응답속도에 있어서는 기존 제품보다 월등히 높아서 상당한 반응을 이끌어낼 수 있을 전망이다.

앞으로의 메모리 반도체는 3D와 같은 적층 구조, 그리고 D램과 낸드플래시를 결합한 새로운 형태의 하이브리드 제품이 주도할 것으로 예상된다. P램이나 F램 등도 사물인터넷(IoT) 시대에 발맞춰 활용처가 지금보다 더 넓어질 수 있다는 점에서 주목해야 한다. 바야흐로 메모리 반도체 춘추전국시대가 펼쳐지게 된 셈이다.

[이수환기자 블로그=기술로 보는 IT]

2016/09/28 13:31 2016/09/28 13:31

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전자산업의 ‘쌀’이라 불리는 반도체는 3차 산업혁명을 이끈 가장 큰 원동력 가운데 하나다. 정보통신기술(ICT)의 기본이 되면서 4차 산업혁명에서도 적지 않은 역할을 할 것으로 기대되지만 이전과 달리 새로운 패러다임의 필요성이 꾸준히 제기되기도 하다. 대표적인 것이 인텔 창업자 고든 무어의 ‘무어의 법칙’이지만 미세공정의 한계로 전혀 다른 형태의 전략이 필요한 시점이 됐다.

물론 무어의 법칙이 단순히 중앙처리장치(CPU)에만 적용되는 법칙이 아니라는 점은 눈여겨 볼 필요가 있다. 특히 우리나라는 D램, 낸드플래시와 같은 메모리 반도체의 비중이 압도적으로 높다. 전 세계적으로도 메모리 반도체는 전체 반도체 시장의 30% 이상을 차지할 만큼 중요한 위치지만 4차 산업혁명 시대를 맞아 새로운 기술과 제품이 필요하다는 의견이 나오고 있다.

기사순서
① 메모리 반도체 기술 어디까지 왔나
② 차세대 메모리, 준비 상황은?
③ 4차 산업혁명 시대, 메모리 반도체의 미래

[IT 전문 블로그 미디어=딜라이트닷넷] 차세대 메모리가 되기 위해서는 몇 가지 만족시켜야 할 조건이 있다. 첫 번째 가격, 두 번째 성능, 세 번째 적용분야다. 3차 산업혁명 시대를 이끌어온 PC는 D램이라는 걸출한 메모리 반도체의 영향을 제대로 받은 제품이다. MP3 플레이어의 등장은 본격적인 낸드플래시 시대를 열었다. 스마트폰, 태블릿과 같은 스마트 기기가 대중화된 시점에서도 D램과 낸드플래시의 영향력이 그대로 이어지는 이유도 여기에 있다. 가격과 성능에 있어서 이보다 더 쓸 만한 솔루션을 찾기 어렵다는 얘기다.

4차 산업혁명 시대에서는 조금 다른 부분이 요구된다. 사물인터넷(IoT)을 비롯해 가상현실(VR), 증강현실(AR), 인공지능(AI), 자율주행차가 더 빠른 속도로 보급되기 위해서는 이제까지 사용했던 메모리 반도체의 성능이 더 강력하면서도 이제껏 없었던 기능을 지원해야 할 필요가 있다. 몇 가지 차세대 메모리를 꼽아보면 강유전체 메모리(F램), 자기기록식메모리(M램)와 상변화메모리(P램) 등이 있다. 사실 이들 제품은 차세대라고 말하기 어려운 구석이 있는데 기본적인 이론은 이미 10여 년 전부터 확립됐기 때문에 대중화라는 측면이 더 강하다.

먼저 F램은 전원이 끊어져도 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 메모리의 일종이다. 낸드플래시와 다른 점이 있다면 속도도 빠르면서 내구성이 높고 전력소비량이 낮아 다양한 용도로 활용이 가능하다는 사실이다. F램의 핵심은 역시 강유전체 그 자체에 있다. 강유전체는 말 그대로 강유전성(Ferroelectric)을 가진 재료를 뜻하는데, 외부에서 전기장이 가해지지 않아도 전기적 분극을 유지하는 자성을 가진다. 전기적 분극을 유지한다는 것은 극성을 바꿔 데이터를 저장하는 기본 구조인 ‘0’과 ‘1’을 만들어 낼 수 있다는 의미다. 내부적으로 살피면 D램과 거의 동일한 구조(1개의 트랜지스터, 1개의 커패시터)를 가지고 있어 데이터를 읽고 쓰는 속도가 빠르다. 문제는 셀에 이용하는 강유전체 재료인 ‘티탄산 지르콘산 연(PbZrTiO3, PZT)’을 사용한 박막은 두께가 일정 수준으로 얇아지면 분극을 유지하기 어려워진다는 점이다. 미세공정을 발전시킬수록 원가절감과 함께 용량이 커져야 하지만 F램은 이 부분이 쉽지 않았다.

현재 F램은 하프늄(Hf)과 산소(O)을 결합한 산화하프늄(HfO2)과 같은 새로운 재료의 발견으로 전환기를 맞았다. 성능은 그대로 유지하면서 용량을 크게 늘릴 수 있게 된 것. 이는 IoT에 극히 유리한데 EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)을 대체할 수 있어서다. 64Kb 용량의 데이터를 다시쓰기 했을 때 20MHz로 작동하는 EEPROM과 비교하면 780배 더 빠르다. 다시쓰기 횟수도 EEPROM이 1초간 100회 데이터를 다시 쓴다면 3시간 만에 수명이 다하지만 F램은 325년이나 버틸 수 있다. 전력소비량은 EEPROM이 2.7밀리와트(mW), F램이 0.027mW로 100배 정도 낮다. 빠르고 전력소비량이 적으면서도 내구성이 좋아 정전이나 사고와 같이 예측하지 못한 상황에서 전압이 급격히 떨어지더라도 안전하게 데이터를 저장할 수 있다. 자율주행차와 헬스케어와 같은 IoT 분야에 제격이다

P램은 P램은 ‘상(相)’ 변화 물질에 전류를 가하면 물질의 일부분이 결정질에서 비결정질로 변하고 이에 따른 저항 차이를 이용해 ‘0’과 ‘1’로 정보를 구분한다. 재료로는 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 텔루늄(Te)이 결합된 ‘게르마늄 안티몬 텔룰라이드(Ge2Sb2Te5, GST)’가 대표적이다. 기존 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 그대로 사용하는 덕에 생산 공정 전환에 큰 어려움이 없다는 점이 특징이다.

P램도 F램과 마찬가지로 일부 분야에서 상용화가 이뤄진 상태다. 노어(NOR)플래시를 대체하는 용도로 쓰이며 기존 상보성금속산화막반도체(CMOS, Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 그대로 사용하기 때문에 생산 프로세스 전환에 큰 어려움이 없다. 문제는 역시 재료에 이다. 낸드플래시, F램처럼 비휘발성 메모리이므로 셀에 어떤 형태로 데이터를 저장할 수 있느냐가 관건이다. 현재 사용하고 있는 GST는 물질의 상태, 그러니까 상변화에 필요한 시간이 1에서 10나노초(1나노초는 10억분의 1초) 수준에 그치고 있다. 요즘 판매되고 있는 D램이 10나노초 이하의 속도를 가지고 있다는 점을 고려하면 불만족스러운 성능이다.

다만 D램과 낸드플래시의 중간정도의 성능을 낼 수 있으므로 어떤 의미에서는 틈새시장 공략에 효과적일 수 있다는 분석도 나온다. 인텔과 마이크론이 공동으로 개발하고 있는 ‘3D 크로스(X) 포인트’가 대표적인 제품이다.

업계에서는 기존 메모리 기술을 활용한 눈속임이라는 의견에서부터 ‘탄소나노튜브(CNT)’나 탄소 원자가 5각형과 6각형으로 결합한 축구공 모양의 저분자인 ‘풀러렌’이 사용될 것이라는 추측이 난무하고 있다. 현 상황에서 새로운 물질로 완전히 대체하기는 어렵다는 분위기라는 점을 감안했을 때 구조 자체는 P램을 그대로 계승하면서 일부 새로운 소재를 적용했을 가능성이 점쳐진다.

F램, P램, M램과 같은 차세대 메모리의 최대 과제는 앞서 언급한 것처럼 성능과 가격이다. 각각의 메모리 반도체가 개발됐고 일부 상용화를 이뤘다는 점에서는 의미가 있으나 널리 쓰이는 D램이나 낸드플래시와 비교하면 아직까지 갈길이 멀다. 반대로 차세대 메모리가 하루빨리 개발되지 않으면 관련 업계에서도 새로운 성장 동력 확보가 어렵다는 점에서 이르면 올해 말, 늦어도 2017년에는 새로운 제품이 대중화를 통해 기술 발전의 물꼬를 틀 것으로 예상된다.

[이수환기자 블로그=기술로 보는 IT]

2016/09/28 07:19 2016/09/28 07:19

[IT 전문 블로그 미디어=딜라이트닷넷]

CMOS 이미지센서(CIS)는 이미지 프로세서와 함께 카메라의 성능을 결정하는 핵심 요소 가운데 하나다. 이 가운데 CIS는 렌즈교환식 카메라, 그러니까 미러리스와 디지털일안반사식(DSLR) 카메라의 렌즈 호환성을 결정한다.

예컨대 APS-C 규격 CIS를 장착한 미러리스 카메라는 같은 규격의 CIS를 이용한 DSLR 카메라와 렌즈가 호환된다. 바꾸어 말하면 CIS 규격이 다를 경우 렌즈가 호환되지 않을 수 있다는 얘기다.

일반적으로 카메라 업체는 자체적으로 생산한 CIS를 자사 카메라에 적용하는 경우가 많다. 이는 CIS와 카메라를 수직계열화하기 위함이다. 하지만 CIS도 엄연히 반도체라 생산설비에 막대한 투자가 필요하고 이를 지속적으로 유지하지 못하면 카메라 성능과 경쟁력에 적지 않은 영향을 끼친다. 상황에 따라 CIS를 다른 업체에서 공급받을 수 있다는 뜻.

캐논과 함께 전 세계 카메라 시장을 이끌고 있는 니콘도 마찬가지다. 현재 니콘은 풀프레임 카메라 ‘D600’, ‘D800’을 비롯해 ‘D5200’, ‘D7100’ 등에 사용된 CIS를 소니와 도시바에게 공급받고 있다. 미러리스 카메라 ‘니콘1’ 시리즈의 CIS는 압티나이미징 제품이 사용되고 있다.

최근 압티나이미징이 새로운 CIS ‘AR1411HS’ 발표했다. 이 제품은 니콘1 시리즈에 탑재된 것과 같은 규격(CX 포맷)을 가지고 있다. 이는 향후 니콘 미러리스 카메라에 탑재될 가능성이 무척 높다는 것을 의미한다. 앞서 설명한 것처럼 CIS는 한번 규격이 정해지면 렌즈 호환성에 영향을 주기 때문이다.

현재 니콘 미러리스 카메라에 쓰이고 있는 압티나이미징 CIS는 ‘AR1011HS’, ‘AR1410’ 두 가지다. 이 가운데 AR1011HS는 니콘1 V1, J1, S1에 사용됐으며 AR1410의 경우 니콘1 V2, J3가 대표적인 제품이다.

새로 선보인 AR1411HS는 AR1410과 마찬가지로 CX포맷에 1420만 화소를 지원한다. 전체적인 화소수는 별 차이가 없지만 노이즈를 줄이고 연속된 이미지를 재생하는 속도의 비율(프레임 레이트)이 높아졌다.

프레임 레이트 성능이 강화된 덕분에 동영상 촬영이 한결 여유로워졌다. 울트라HD(UHD), 그러니까 4096×2160 해상도에서 초당 60프레임으로 동영상을 촬영할 수 있다. 풀HD(해상도 1920×1080)에서는 슬로우 모션까지 촬영이 가능하다. 현재 시중에 판매되고 있는 미러리스 카메라 가운데 이 정도 동영상 촬영을 지원하는 제품은 아직 없다.

압티나이미징 AR1411HS는 현재 대량생산되고 있다. CIS와 같은 반도체는 주문이 들어와야 본격적인 생산에 들어갈 수 있다. 이는 니콘이나 다른 카메라 업체에서 이 제품을 사용해 신제품을 개발하고 있다고 봐야 한다.

최근 니콘이 발표한 DSLR 카메라를 살펴보면 동영상 성능에 초점이 맞춰져 있다. D5200도 괜찮은 성능을 가지고 있었지만 D7100은 한술 더 떠서 빨라진 자동초점(AF)과 얼굴 인식, 동체 추적을 지원한다. DSLR 카메라로 동영상을 찍다보면 피사체가 빠르게 움직일 때 AF 잡기가 쉽지 않았다는 점을 상당히 극복했다.

니콘이 예상대로 AR1411HS를 이용해 미러리스 카메라를 출시한다면 빠르게 성장하고 있는 UHD TV 시장과 맞물려 적지 않은 파급력을 불러일으킬 수 있을 것으로 보인다.

[이수환기자 블로그=기술로 보는 IT]

2013/04/26 08:23 2013/04/26 08:23