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차세대 메모리 반도체 사용화의 현주소

TECH/반도체 Insight

 

 

중국의 메모리반도체 투자 이슈가 잇달아 발생해 세계 반도체 관련 기업의 긴장감이 높아지고 있습니다. 이미 낸드플래시 컨트롤러 등 관련 분야의 기술도 일부 확보했다고 하죠. 반면 D램 분야는 전무하다시피 합니다. 그렇다면 D램을 대체할 차세대 메모리는 무엇일까요? 업계와 학계에서 연구하는 차세대 메모리는 크게 3가지 형태인데요. 오늘은 이 차세대 메모리의 상용화 가능성에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

데이터를 장기간 저장하는 솔리드스테이트드라이브(SSD) 기술을 확보하기 위해 낸드플래시 메모리 기술력을 확보하는 것이 중국 메모리반도체 산업 육성의 우선 목표로 드러났습니다. 낸드플래시는 D램보다 비교적 전반적으로 기술 난이도가 높지 않다고 평가받습니다. 현재 D램 최신 제조 공정이 20나노인 데 비해 낸드플래시는 14나노까지 미세화된 것도 칩 구동원리와 구조 등의 차이에서 기인합니다. 앞서 말했지만, 낸드플래시 컨트롤러 등 관련 기술을 이미 확보한 중국도 D램 분야에서만큼은 고전을 면치 못하고 있는데요. 그만큼 D램은 디자인부터 공정, 패키징에 이르는 전 과정의 기술 장벽이 높습니다.

 

그렇다면 현재 D램을 대체할 차세대 메모리는 무엇일까요? 업계와 학계에서 연구하는 차세대 메모리는 크게 3가지 형태입니다. P램(상변화 메모리), STT-M램(스핀주입 자화반전 메모리), Re램(저항변화 메모리)이 가장 상용화 가능성이 높은 차세대 메모리로 꼽힙니다.

 

 

 

▲ 차세대 메모리 분류

 


차세대 메모리의 공통적 특징은 D램과 낸드플래시로 양분된 시장에서 새로운 카테고리를 형성할 수 있는 것입니다. D램과 낸드플래시의 단점은 보완하고 강점은 키워서 기존 메모리 하이라키를 새롭게 재정립할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

 

 

 

인텔과 마이크론이 발표한 차세대 메모리 기술 ‘3D 크로스포인트’는 P램과 구조가 유사한 것으로 알려졌습니다. 이는 빠른 속도로 데이터를 읽고 쓰는 D램의 장점, 데이터를 오랫동안 안정적으로 저장하는 낸드플래시의 장점만 결합한 새로운 기술인데요.

 

P램은 재료에 크기가 다른 전류를 가해 물질 형태를 액체 혹은 고체 형태로 변화시켜 데이터를 기록합니다. 기존 D램 재료와 전혀 다른 새로운 소재가 필요한 것이죠. 2016년 양산 계획을 발표한 인텔과 마이크론은 어떤 재료를 사용했는지 밝히지 않았습니다. P램 기술을 상용화한 비결 중 하나가 새로운 소재일 것입니다.

 

 

 

▲ 3D크로스포인트 구조

 

인텔은 지난 10여 년간 3D 크로스포인트 기술을 개발했다고 설명했지만, 실제 P램 역사를 들여다보면 인텔은 30여 년 이상 P램 물질 원천기술을 개발해왔습니다. 2002년에는 4메가비트(Mb) 용량 P램 시제품도 만들었습니다. 결국, 수십 년간 차세대 기술 개발에 공들인 결과를 2016년에 내놓는 셈입니다.

 

삼성전자도 2006년에 세계 최대 용량인 512Mb 시제품을 선보인 적이 있습니다. 2010년경 휴대폰용으로 일부 상용화도 했지만, 대량 양산은 하지 않았습니다. SK하이닉스 역시 P램 기술을 개발 중에 있습니다.

 

 

 

D램의 가장 큰 장점은 높은 신뢰성입니다. 다양한 형태의 메모리 중에서 가장 안정적으로 가장 빠르게 데이터를 처리할 수 있습니다. STT-M램은 D램의 가장 중요하고 우수한 특성인 고속 스위칭과 신뢰성 면에서 D램을 대체할 수 있는 차세대 메모리로 꼽힙니다. 기존 D램을 완전히 대체하기보다는 향후 상용화한 STT-M램 특성에 따라 D램의 일부 영역을 대체해 D램을 보완하는 역할을 할 것으로 예상됩니다.

 

일반 M램에서 한 단계 진화한 STT-M램은 전류를 가해 특정 박막에서 전자 회전이 발생하는 특징에 따라 데이터를 기록·저장합니다. 저항 차이에 따라 전자 회전이 달라지는 특성을 이용한 것이지요. 전원을 꺼도 저장한 데이터가 사라지지 않는 비휘발성 메모리지만 데이터 처리 속도가 빠른 것이 장점입니다.

 

STT-M램은 D램보다 구조가 간단해 미세공정을 구현하기 쉽습니다. 현재 최신 양산 D램 기술이 20나노이고 10나노급 D램 연구개발을 하고 있지만 점점 미세공정은 어려워지고 있습니다. 미세공정 기술 한계와 치솟는 개발 비용 때문에 ‘무어의 법칙’이 사실상 깨졌다고도 말합니다. 첨단 기술을 개발하더라도 시장에서 수용할만한 비용 구조를 갖추지 못하면 세상에 등장하지 못하고 사라지기 때문입니다.

 

현재 국내에서는 10나노급 STT-M램 기술을 개발 중입니다. 일반 M램은 90나노급 1Mb 용량 제품이 상용화된 적이 있습니다. SK하이닉스는 2011년부터 STT-M램을 개발하고 있습니다.

 

 

 

 

Re램은 낸드플래시의 한계인 느린 데이터 속도는 물론 대용량화 한계까지 극복할 수 있는 차세대 메모리입니다. 칩 집적도를 높일 수 있어 주로 데이터 저장 용도로 사용할 것으로 예상됩니다. 플래시메모리를 대체할 수 있어 새로운 스토리지 제품군의 탄생도 기대해볼 수 있습니다. 하지만 전력 소비가 높아 발열이 심한 단점이 있는데요. 전류를 가하면 발생하는 저항변화 구조 특성을 완전히 규명하지 못한 것도 반드시 해결해야 할 숙제입니다. 업계에서는 Re램이 차세대 메모리 중 가장 늦게 상용화될 것으로 예상하고 있습니다.

 

 

 

기술 장벽이 높은 D램을 대신해 시장을 이끌어갈 차세대 메모리 3가지를 살펴보았는데요. 빠른 속도로 데이터를 읽고 쓰는 D램의 장점과 데이터를 오랫동안 안정적으로 저장하는 낸드플래시의 장점만 결합한 P램, D램의 특성인 고속 스위칭과 신뢰성 면에서 D램을 대체할 수 있는 차세대 메모리로 꼽히는 STT-M램, 칩 집적도를 높여 낸드플래시의 한계인 느린 데이터 속도와 용량의 한계를 극복한 Re램까지. 향후 반도체 시장을 이끌어갈 차세대 메모리는 어떤 제품이 될지, 그 기술은 어느 선까지 업그레이드될지 기대해봐도 좋을 것 같습니다. 배옥진

 

 

 

 

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  • 2016.01.14 14:36 ADDR 수정/삭제 답글

    비밀댓글입니다

  • 열정맨 2016.08.06 11:11 ADDR 수정/삭제 답글

    감사합니다! 차세대 메모리에 대해 더 많이 찾아봐야겠네요 ㅎㅎ

    • Favicon of https://blog.skhynix.com SK하이라이트 2016.08.08 10:30 신고 수정/삭제

      안녕하세요 :) 앞으로도 차세대 메모리에 대한 더 많은 관심 부탁 드립니다! 감사합니다~!