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.

[IT 전문 블로그 미디어=딜라이트닷넷] 4차 산업혁명 시대를 대표하는 몇 가지 키워드가 있다. 예컨대 빅데이터, 가상현실(VR), 증강현실(AR), 인공지능(AI), 클라우드, 자율주행차 등이 대표적이라고 볼 수 있다. 먼 미래의 일로만 여겨졌던 이들 기술이 대중화를 앞두고 있다는 점은 시사하는 바가 않다. 3차 산업혁명, 그러니까 정보통신기술(ICT)의 발전이 정점을 향해 달리고 있다는 의미이기 때문이다. 바꿔 말하면 정보의 양이 본격적으로 폭발하는 시대라는 뜻으로 이에 발맞춰 메모리 반도체도 함께 성장할 가능성이 점쳐진다.

차세대 성장 동력으로 크게 각광받고 있는 VR만 해도 그렇다. 국제정보디스플레이학회(society for information display, SID)에 게재된 NHK과학기술연구소의 논문에 따르면 픽셀밀도가 증가할수록 현실처럼 느껴지는 감각이 늘어나는 것으로 나타났다. 쉽게 말해 해상도의 증가가 현실감을 높여주는데 있어 긍정적으로 작용할 수 있다는 얘기이지만 그만큼 데이터의 양도 커져야 한다. 4K 해상도가 3840×2160이면 8K 해상도는 7680×4320에 달한다. 8K 영상을 실시간으로 전송하려면 최소한 초당 90MB 이상의 속도가 필요하다. 5세대(5G) 이동통신이 상용화되더라도 쉽지 않은 구석이 있어서 어딘가에 데이터를 저장해야 한다.

4차 산업혁명 시대의 메모리 요구사항으로는 ‘대역폭’, ‘용량’, ‘지속성’이 필수적이다. D램과 같이 주메모리로 쓰이는 반도체는 중앙처리장치(CPU)와 비교했을 때 여전히 속도가 느리다. AI, 빅데이터, 클라우드 시대에 더 빠르고 전력소비량이 낮은 메모리가 필요하다는 점에서 기술전환이 필요하지만 비트성장이 한계에 다다른 상황이라 어떻게든 혁신이 이뤄져야 한다. 이런 점에서 ‘인메모리 컴퓨팅(In Memory Computing)’을 자세히 들여다볼 필요가 있다.

메모리 반도체의 속도를 높이기 위해서는 S램만큼의 성능, D램의 경제성, 낸드플래시의 비휘발성 조건을 적절하게 갖추고 있어야 한다. 문제는 각각의 요소가 서로 이율배반적이라는 데 있다. 반도체와 같은 나노 단위의 미시세계를 다루기 위해서는 그만큼 크기가 작은 도구가 필요하지만 이미 빛조차 이 수준에 미치지 못하고 있다. 10나노 이하에서 미세공정 개선이 어려운 이유도 여기서 찾을 수 있다.

이에 따라 메모리 반도체 업계는 ‘적층’이라는 새로운 방법을 적극적으로 도입하는 추세다. 예컨대 고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM)를 꼽을 수 있다. HBM은 실리콘관통전극(Through Silicon Via, TSV) 기술을 적용해 D램 다이를 적층, 메모리 대역폭을 끌어올린 것이다.

TSV 기술로 D램 칩을 적층하는 이유는 집적도 확대를 통한 원가 절감, 병렬 데이터 처리 방식을 통한 성능 개선을 위해서다. 공정 미세화가 이뤄질 수록 D램의 셀 면적은 좁아진다. 커패시터가 들어설 자리가 적어진다는 의미다. 커패시터 용량이 줄어들면 데이터 보관 시간이 짧아지고 전력 누출량은 증가해 불량률이 높아진다. 현존하는 가장 빠른 D램으로 TSV 인터포저로 인한 가격 문제만 해결된다면 주메모리로 활용하기에 부족함이 없다. D램 적층을 위한 베이스다이를 없애고 인터페이스 대역폭을 1024비트에서 512비트로 줄인 보급형 HBM도 서둘러 준비되고 있다.

낸드플래시도 마찬가지로 적층 기술이 한창이다. 이 분야에서 가장 앞서 있다고 평가받는 삼성전자는 이론적으로 100단 이상도 충분히 가능하다고 평가하는 분위기다. 3세대(48단)에서 4세대(64단)로 넘어가기까지 적어도 3년 정도의 시간이 필요하다고 봤을 때 100단은 적어도 2020년이 넘어서야 사용화가 가능할 전망이다.

이 시기가 넘어서게 되면 전혀 새로운 접근방식이 필요하다. 바로 스핀주입자화반전메모리(STT-M램), 저항변화메모리(Re램), 상변화메모리(P램) 등 차세대 메모리의 등장이 필요한 시점이다. 업계에서는 D램과 낸드플래시의 기술적 한계가 도래하는 시기에 발맞춰 차세대 메모리가 본격적으로 대두될 것으로 보고 있다. 이전까지는 비휘발성메모리모듈(Non Volatile Dual In-line Memory Module, NVDIMM)과 같이 D램과 낸드플래시, 혹은 P램 등을 엮은 하이브리드 제품이 대안으로 각광받을 것이다.

이는 자동차 시장과 비슷한 양상이라고 해도 과언이 아니다. 내연기관이 등장한 이후 100년이 넘는 시간동안 전기차(EV)는 명함도 내밀기 어려웠다. 1990년대 이후 내연기관과 전기모터, 배터리를 결합한 하이브리드차(HEV)가 등장했고 지금은 따로 배터리 충전을 할 수 있는 플러그인하드브리드차(PHEV)도 주목받고 있다.최종적으로는 EV가 목표이지만 중간 단계에 있는 제품이 충분히 상품성을 인정받았다는 점에서 메모리 반도체도 비슷한 양상으로 흘러갈 가능성이 높다.

[이수환기자 블로그=기술로 보는 IT]

2016/09/28 07:21 2016/09/28 07:21

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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