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적용 영역에 따라 다변화 예고되는 차세대 메모리 기술

기사승인 2018.10.24  10:00:46

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- 데이터센터와 모바일 영역에 맞춰 고용량, 고성능, 저전력으로 발전

[EPNC=신동윤 기자]메모리 시장의 또 다른 이슈는 급격하게 하락하고 있는 메모리의 가격이다. DRAM 기술은 이미 충분히 성숙함에 따라 이 분야의 주요 업체인 삼성전자, 마이크론, SK하이닉스뿐 아니라 중국 업체들의 빠른 추격으로 인해 가격이 점점 하락하고 있으며, NAND 플래시 또한 MLC, TLC를 지나 QLC까지 발전하면서 마찬가지로 가격 하락이 이뤄지고 있는 상황이다.빅데이터와 AI, 머신러닝, 클라우드, IoT와 같은 새로운 이니셔티브가 등장하면서 메모리 시장이 점점 더 데이터센터와 모바일로 양분되고 있다. 이 두 영역이 메모리 시장을 이끌어 나가기 시작하면서 메모리에 대한 요구 사항 또한 새롭게 변화됨에 따라 메모리에 대한 기본적인 요구사항인 가격과 성능, 용량, 그리고 수명에 대한 요구가 더욱 거세지고 있다. 특히 칩 수가 제한되고 폼팩터 또한 최소화돼야 하는 모바일, 그리고 대용량과 고성능이 필요한 데이터센터로 인해 저전력과 고용량화에 대한 요구가 특히 강조되고 있는 상황이다.

이처럼 한쪽에서는 더욱 향상된 성능의 메모리를 요구하고, 다른 한 편에서는 저가의 메모리로 추격하는 상황에 처한 메모리 반도체 업체들은 새로운 활로를 찾기 위해 차세대 메모리 반도체 개발에 집중하고 있다. 메모리 반도체 업체들은 가깝게는 DDR5와 HBM3, NVDIMM, 3D NAND와 같은 기존 기술의 향상은 물론, MRAM, ReRAM, PRAM과 같은 완전히 새로운 메모리 개발에도 많은 노력을 기울이고 있다.

 

점점 가시화되는 DDR5와 HBM3

반도체 분야의 국제 표준화 기구인 JEDEC가 지난 2017년 5월 시작한 DDR5과 NVDIMM-P의 표준화 작업에 곧 마무리될 예정이다. DDR5은 최고 6.4Gbps의 전송 속도로, 기존 DDR4에 비해 2배 빠른 속도를 제공하며, 듀얼 채널 메모리라면 100GB/s 수준의 메모리 대역을 확보할 수 있다. 또한 칩 용량은 32Gb의 대용량을 지원하며(DDR4는 16Gb) 메모리 뱅크 수는 최대 32뱅크(DDR4는 16 뱅크)로 성능이 향상된다.

이미 케이던스(Cadence)와 마이크론(Micron)은 실제로 동작하는 DDR5-4400 메모리 모듈을 만들기 위해 협력한다는 발표를 했으며, TSMC의 7nm 공정에서 제조된 8Gb 칩의 생산에 성공했다.

이어 삼성전자도 지난 2월 16Gb DDR5 DRAM 개발에 이어 4월에는 ‘10나노급 8Gb LPDDR5(Low Power Double Data Rate 5) DRAM’을 개발했다고 밝힌 바 있다. 특히 삼성전자가 발표한 DDR5 DRAM은 6400Mb/s의 동작 속도를 구현하고 이를 통해 차세대 모바일, 오토모티브 시장을 공략할 계획이라고 밝히고 있다.

삼성전자는 LPDDR5 메모리 양산에 돌입할 채비를 갖추고 있다.

삼성전자의 LPDDR5 메모리는 전체 셀 영역에서 단위당 관리 구역을 16개(8Bank → 16Bank)로 늘려 데이터 처리 속도는 높이고 전력 소모는 줄인 것이 특징이다. 또한 초고속 특성을 확보하기 위해 고속 동작을 검증하는 회로(High Speed Training Scheme)도 탑재됐다.

특히 전력소비를 줄이기 위해 모바일 AP의 속도 변화에 맞춰 DRAM의 동작 전압을 낮추거나, AP의 명령으로 데이터 '0'을 기록시 해당 영역의 데이터가 이미 0인 경우 불필요한 쓰기 동작을 실행하지 않도록 설계됐다. 또한 대기모드에서 기존 LPDDR4X DRAM에 비해 소비 전력을 절반 수준으로 줄인 초절전 동작 모드(Deep Sleep Mode)를 제공한다. 이로 인해 기존 제품보다 전력 소비를 최대 30% 줄여 스마트폰의 성능 향상은 물론 배터리 사용시간도 더욱 늘릴 수 있다.

그러나 업계의 이런 발빠른 움직임에도 불구하고 DDR5의 시장 보급은 상당 시일 기다려야 할 것으로 예상된다. 실제로 반도체 표준 규격을 책정하는 JEDEC에서는 아직 DDR5 DRAM의 표준화 작업을 아직 진행 중에 있으며, 올 하반기에 완료될 예정이다. 따라서 제품이 지금 선보이고는 있지만, 실제 제품의 양산은 2020년 경에나 이뤄질 것으로 예상되고 있다. 더구나 메모리 모듈을 실제로 사용하게 될 인텔의 향후 로드맵에 의해 시장 활성화의 시기가 결정된다는 점에서 아직 많은 부분이 미지수로 남아있다.

기존의 DDR 메모리를 대체하고 보다 고대역폭의 메모리 성능을 얻기 위해 AMD에서 제안해 JEDEC에 의해 표준화된 HBM은 AMD나 NVIDIA의 그래픽용 메모리로 주로 활용되고 있다. JEDEC에서는 이미 HBM2를 넘어 HBM3의 표준을 개발 중에 있으며, 2019~2020년 경에는 표준 규격이 완성될 것으로 예상되고 있다.

HBM2의 2Gbps라는 전송 대역폭을 2배 이상 향상될 것으로 기대되고 있으며, 용량또한 기존의 8Gb에서 두배 이상 높이는 것을 목표로 하고 있다.

문제는 HBM의 비싼 가격으로, JEDEC은 이런 HBM의 가격을 낮추기 위한 방법을 고려하고 있어 지금까지의 제한적인 용도가 아닌, 범용적인 메모리 기술로 활성화되는 것에 대한 기대감이 부풀고 있다. 특히 인텔도 HBM의 채용을 진지하고 검토하고 있다는 소식이 돌면서 HBM 메모리에 대한 관심이 높아지고 있다.

이런 새로운 움직임은 DRAM 부분에 있어서 큰 변화를 가져올 것으로 예상된다. 다시 말해 지금까지 DDR로 대표되던 DRAM 부분에 있어, PC나 서버 메모리 모듈로 DDR5, 모바일 분야는 LPDDR5, 그래픽 분야는 GDDR6, 광대역 메모리는 HBM3와 HMC gen2 등 영역에 따라 다양한 DRAM 기술이 활용되면서 DRAM의 다양화 시대가 열리게 될 것으로 예상된다. 또한 이런 DRAM 기술은 기존 메모리에 비해 2~3배의 메모리 대역폭을 제공하면서도 소비 전력은 이전과 동등한 수준, 혹은 더 낮은 수준을 보여주게 될 것이다.

DRAM와 플래시 메모리의 중간에 위치할 NVDIMM-P

일반적으로 DRAM은 휘발성과 리프레시라는 특성을 갖고 있다. 휘발성은 전원 전압이 낮아지거나 전원이 끊어질 경우 데이터가 손실되는 것을 말하며, 리프레시는 메모리 셀에 저장된 데이터를 일정 시간 안에 다시 기록하는 동작이 필요하다는 것을 말한다.

이런 DRAM의 특성은 메인 메모리의 용량이 빠르게 늘어나면서 커다란 문제로 대두되기 시작했으며, 이를 극복하기 위한 방법으로 DDR DIMM 기판에 NAND 플래시 메모리를 같이 구성하는 방식으로 문제 해결을 시도했다.

이런 방법을 통해 전기가 끊어지는 것을 감지해 DRAM의 데이터를 NAND 플래시에 백업하는 DIMM이 등장했다. 이는 단지 휘발성만을 극복하기 위한 방법이고, 리프레시까지 극복하기 위한 방법으로는 DIMM 모듈에 NAND 플래시와 함께 별도의 컨트롤러를 장착하는 방법이 등장했다. 이 방법은 리프레시와 휘발성을 모두 극복하면서 DRAM DIMM보다 훨씬 큰 용량을 제공할 수 있다는 또 다른 장점을 제공한다. 이것이 바로 NVDIMM으로 DDR DIMM 모듈에 NAND 플래시와 전용 컨트롤러, 백업 전원 등으로 구성된다.

일반적인 NVDIMM의 구조

하지만 NVDIMM은 한동안 표준이 정해지지 않아 일부 서버에서만 사용돼 왔으나 지난해 JEDEC에서 NVDIMM 표준 규격을 개발하면서 향후 광범위한 적용까지도 기대할 수 있게 됐다. 이로 인해 현재는 리눅스와 윈도우 등의 운영체제가 이를 지원하기 시작했으며, AMD의 EPYC 7000 패밀리가 DDR4 NVDIMM-N을 지원 메모리에 추가했다. NVDIMM은 크게 NVDIMM-N, NVDIMM-F, NVDIMM-P 등 3가지 방식이 있다. 앞에서 설명한 내용은 NVDIMM-N에 대한 것으로 이는 표준 규격이 공개된 상태이며, 현재 NVDIMM-P는 JEDEC에 의해 표준 규격이 개발 중이다.

NVDIMM-N과 비교했을 때, NVDIMM-F는 DIMM 모듈에 DRAM 대신 NAND 플래시를 장착해 DRAM DIMM에 비해 많은 용량과 낮은 소비전력을 제공한다는 점에서 차이를 보인다. DRAM DIMM 16GB 모듈과 같은 수의 메모리칩을 장착했을 때, NAND 플래시는 최대 1TB의 용량까지도 구현할 수 있다.

하지만 NVDIMM-F는 조만간 표준이 확정될 것으로 예상되는 NVDIMM-P에 의해 사장될 수도 있다는 의견이 나오고 있다. NVDIMM-P는 DRAM과 비휘발성 메모리를 함께 사용하는 기술이지만, 메모리에 데이터를 모두 저장한다는 점에서 NVDIMM-N과 차이를 보인다. 또한 NVDIMM-P의 비휘발성 메모리로는 NAND 플래시 외에도 3D XPoint 메모리, STTMRAM, ReRAM 등이 거론되고 있다. NVDIMM-P기술은 NVDIMM 기술의 장점인 대용량, 저전력, 정전 시 데이터 보호를 실현하면서도, DRAM 수준의 빠른 속도를 낼 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다.

NVDIMM에 주목해야 하는 이유는 향후 서버의 메인 메모리에 커다란 변화를 가져올 기술이기 때문이다.

NVDIMM의 보급이 활성화될 경우, 서버를 구성하기 위한 대용량 메모리를 훨씬 저렴한 가격으로 구성할 수 있으며, 이전에는 상상도 할 수 없었던 대용량 메모리 구현도 가능해진다. 또한 서버의 메인 메모리가 DRAM과 NVDIMM 혹은 HBM과 NVDIMM과 같은 계층화된 구조를 갖게 되거나, 심지어 메인 메모리와 스토리지가 통합되는 현상을 보게 될 수도 있다.

차차세대 메모리 기술로 대두되는 MRAM과 PRAM, ReRAM

DDR5, 3D NAND, HBM3, NVDIMM-P와 같은 기술이 차세대 메모리 기술이라고 한다면, MRAM(Magrntic RAM)과 PRAM(Phase-change RAM), ReRAM(Resistance RAM)은 차차세대 메모리 기술이라고 할 수 있다. 앞에서 언급한 메모리 기술들은 기존의 기술을 업그레이드한 것이라면, MRAM, PRAM, ReRAM과 같은 기술은 완전히 새로운 기술이기 때문이며, 이로 인해 아직 시장에서 확실한 위치를 확보하지 못하고 있는 기술들이다.

우선 MRAM은 DRAM을 대체할 기술로 주목받고 있는 기술로 터널링 자기 저항(Tunneling Magnetoresistance)라는 현상을 활용해 데이터를 저장하며, 이론적으로는 전력소모가 매우 적고, 속도는 DRAM보다 빠르다. 현재는 MRAM에서 한단계 더 발전한 STT-MRAM(Spin-Torque Transfer MRAM)의 개발이 시도 중이며, 삼성전자와 에버스핀이 올해 안에 양산을 계획 중이다. 이미 삼성전자는 다수의 고객사와 STTMRAM 공급을 논의 중이며, 에버스핀은 지난해 4분기부터 글로벌 파운드리의 생산라인을 이용해 STT-MRAM 생산을 시작, 올해 양산 규모를 확대한다는 방침이다.

STT-MRAM은 DRAM과 구조는 유사하지만 커패시터 대신 복잡한 자성층을 사용한다. 이 자성체가 회전하면서 빠른 속도로 전자를 이동시키며 데이터를 읽고 쓰는 방식으로 작동한다. STT-MRAM은 우선 비휘발성이라는 특징으로 인해 DRAM보다 10배 가까이 빠른 처리 속도가 가능하며, 생산 단가는 오히려 낮다, 구조도 단순해 최대 20nm까지 미세 공정이 가능한 것으로 알려져 있다. 또 다른 장점은 읽기와 쓰기를 반복하면 수명이 짧아지는 NAND 플래시 메모리와는 달리 반영구적인 수명을 갖고 있다는 것이다.

문제는 이론적으로는 완벽한 STT-MRAM이지만 실제 공정에서는 50nm 이하의 기술을 적ㅇ요하기 어렵고 자성을 이용해 저항 차이를 만드는 기술의 난이도가 높다는 점에 있다. 현재 에버스핀과 삼성전자 외에도 SK하이닉스, 도시바, 마이크론 등이 STT-MRAM 양산에 나서고 있는 상황이다.

NAND 플래시를 대체한 메모리 기술로는 PRAM과 ReRAM이 주목을 받고 있다. PRAM은 PRAM은 전류를 흘려주면 줄열에 의해 물질의 상태가 결정 또는 비결정질 상태로 변화하는 물질을 활용한다. 아주 적은 전류로도 상전이가 일어나므로 전력 소모는 매우 적으나 현재 속도가 DRAM 대

비 현저히 떨어진다는 것이 문제다. 차세대 메모리 기술 중 가장 많이 개발이 진행된 기술로 삼성전자가 양산에 성공한 바 있으며, 최근에는 인텔과 마이크론의 3D Xpoint 메모리도 PRAM의 일종이다.

적층 방식의 크로스 포인트 구조는 차세대 메모리가 공통적으로 가지고 가는 특징 중 하나다.

ReRAM은 전류가 흐르면 저항 값이 바뀌는 물질을 이용해 집적도 향상에 유리한 메모리 기술로, 궁극적으로는 로직 회로와 함께 통합돼 3차원적으로 적층 배치될 것으로 예상되는 기술이다. 이를 활용하면, 대용량 하드디스크 수준의 용량을 저전력 메모리 반도체로 구현할 수 있어 관심을 모으고 있다.

ReRAM은 지난 2014년 소니가 마이크론과 함께 16Gb 용량의 실리콘 다이를 공동개발했으나, 이후 개발 프로젝트가 중단되고, 소니가 독자적으로 크로스 포인트 구조의 대용량 ReRAM 메모리를 발표한 바 있다.

신동윤 기자 dyshin@techworld.co.kr

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