[디지털투데이 양대규 기자] 반도체는 국내 수출의 20%를 차지하는 대표 효자 상품이다. 이 중 80% 이상은 D램과 낸드 플래시 등의 메모리 반도체다. 하지만 최근 반도체 경기가 나빠지고 수출도 감소하며, 한국 경제 전체에 악영향을 미치고 있다.

최근 반도체 업계에서는 메모리 반도체의 위기에 시스템 반도체 등 비메모리 영역을 넓혀야 된다는 이야기가 나오고 있다. 이에 전문가들은 비메모리 반도체의 수준을 올려야 되는 것은 맞지만, 전 세계 시장의 63%를 점유하는 메모리 반도체 시장의 수준까지 올리기는 어렵다는 것이다.

한국은 D램과 낸드 플래시 메모리로 대표되는 메모리 반도체 시장에서 90년대 후반부터 시장 우위를 꾸준히 지키고 있었다. 특히, D램에서는 국내의 삼성전자와 SK하이닉스가 전체의 70% 이상을 점유하고 있다.

전문가들은 전 세계 시장에서 절대적인 우위를 차지하는 메모리 시장의 우위를 지속하는 것의 중요성을 강조한다. 지난 수십 년간 그래왔듯이 메모리 반도체 시장은 호황과 불황의 사이클을 지속하고 있으며, 지금은 ‘호황 다음의 불황’이라는 정상적인 사이클이라는 것이다.

지난 3월 26일 삼성증권 이종욱 애널리스트는 ▲수요회복 ▲공급업체의 투자 확대 ▲공장 가동률 증가 ▲경쟁 격화 ▲수요둔화 ▲가동률 감소 ▲경쟁완화에서 다시 ▲수요회복의 사이클로 메모리 반도체 산업이 돌아간다고 강조했다.

이 애널리스트는 “사이클은 4~6년의 주기를 가진다”며, “최근 D램은 가동률 증가 뉴스가 나오고 있으며, 낸드는 가동률까지 줄이는 뉴스가 나오는 상황”이라고 밝혔다. 이어 그는 “(3개 업체 밖에 없는) D램은 더 이상 공급업체들이 줄어들 수는 없다”고 밝혔다. 3곳의 D램 업체는 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론이다.

"전세계적으로 데이터 총량 어마어마한 양이 될 것"

업계는 앞으로 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 5G, 8K 영상보급, AR/VR 등으로 전 세계에 필요한 메모리 용량이 기하급수적으로 늘어날 것으로 전망한다.

지난해 김동철 티맥스소프트 대표이사는 디지털투데이를 통해, “지금까지 만들어진 트랜지스터의 개수는 인류가 지금까지 수확한 쌀알의 개수보다도 많다고 한다. 그리고 사용되는 데이터는 아주 일부일 뿐”이라며, “전세계적으로 데이터의 총량은 요타바이트(1000조GB, YB)와 브론토바이트(100경GB, BB)로 표시되는 어마어마한 양이 될 것으로 예측되고 있다”고 밝혔다.

즉, 현재의 반도체 위기론과는 별개로, 메모리 반도체 시장의 성장은 필연적이다. 하지만 YB와 BB의 초거대 데이터를 사용하는 세상에서는 현재의 메모리 기술과 제품만으로는 전송과 저장에는 한계가 있을 수밖에 없다.

현재 양산되는 최고 수준의 제품은 삼성전자의 '3세대 10나노급 DDR4 D램’, 삼성전자·도시바-WD(웨스턴디지털)가 생산하는 96단 낸드 플래시 SSD 제품 등이 있다. 이런 제품들은 당장의 데이터 전송과 메모리 용량에는 높은 수준의 제품이다.

이어 DDR5 D램과 128단 낸드 플래시가 메모리 반도체 시장의 대세를 차지할 것으로 보인다. 지난해 7월 삼성전자는 10나노급 8Gb LPDDR5 D램을 개발했다고 밝혀, 차세대 DDR5 D램이 2020년부터 본격적으로 보급될 전망이다. 또한, 삼성전자, SK하이닉스, 도시바-WD 등에서는 2020년 128단 3D 낸드를 양산할 계획이다.

반도체 전문가들은 이런 기술은 지금 당장의 주력이 될 기술이며, 미래 ICT 시대의 메모리 반도체는 D램과 낸드플래시가 아닌 전혀 새로운 형태의 메모리 반도체가 등장할 것으로 보고 있다. 특히, 전문가들은 휘발성의 D램을 대체하는 M램, P램, STT-M램 등의 비휘발성 메모리가 대세가 될 것이라고 전망한다.

미래의 메모리 – 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리

램(RAM)은 컴퓨터의 주기억장치로, 롬과는 다르게 자유롭게 읽고 쓸 수 있다는 특징을 가지고 있다. 현재 사용되는 램은 휘발성으로 전원이 차단되면 내용이 지워진다. 흔히들 말하는 D램 외에도 CPU에는 D램보다 100배 이상 빠른 S램(Static RAM)을 사용한다. D램보다 성능이 좋지만 구조가 복잡해 공간을 많이 차지하고 집적도를 높이기 어려워 가격이 비싸고 대용량 제작이 어렵다는 단점이 있다. 이에, 빠른 속도가 요구되는 CPU의 캐시메모리(Cache Memory)에 사용한다.

D램은 기록된 내용을 유지하기 위해 주기적으로 재충전이 필요하다. 커패시터(Capacitor)라는 수동부품의 충전상태로 정보를 기록한다. 커패시터는 지속시간이 지나면 방전되기 때문에 재충전이 필요한 것이다.

D램은 S램보다 느리지만 간단한 구조로 쉽게 집적도를 높일 수 있다. 또한, S램보다 가격도 저렴하고 전력소비도 많지 않아, CPU의 주기억장치로 가장 많이 사용하고 있다. 흔히들 말하는 ‘메모리 카드’가 바로 D램이다.

현재 주력으로 사용되는 D램은 DDR SD램이라는 것이다. 1993년 JEDEC에서 채택된 표준인 SD램(Synchronous Dynamic RAM)의 개량형이다. 1990년대 후반에 표준·개발, 2000년에 출시된 DDR SD램은 약 20년 동안 국제표준으로 자리잡고 있다. DDR, DDR2, DDR3에 이어, 현재는 DDR4 SD램이 글로벌 D램 시장의 중심 기술로 자리잡았으며, 앞으로 DDR5가 D램의 표준이 될 전망이다.

S램, D램은 모두 휘발성이라 전원이 꺼지면 정보가 지워진다. 하지만 차세대 기술인 M램, P램, Fe램 등은 전원이 꺼져도 정보를 저장할 수 있다. 낸드플래시 메모리와 같이 정보를 저장하는 스토리지(Storage)의 역할도 함께 할 수 있다는 것이다.

사실 지속적으로 정보를 저장할 수 있다는 비휘발성 메모리는 십수년전부터 D램을 대체하는 차세대 메모리 후보로 지속해서 거론됐다. 하지만 양산을 하기에 기술적인 난이도가 높아 지금까지 시장에 공개된 제품은 많지 않다.

2015년 발표한 인텔·마이크론 합작의 P램 계열 ‘3D XPoint’와 최근 삼성전자가 양산을 발표한 임베디드 M램 ‘eMRAM’이 대표적인 예다.

미래의 메모리①-M램과 STT-M램

M램(Magnetic RAM)은 자기 저항 메모리라고 불리며, 오래전부터 연구개발이 진행돼 최근에는 양산도 일부 이뤄지고 있다. 삼성전자, IBM, 히타치, 도시바 등이 개발하고 있다. M램은 전력 소모가 적고 데이터에 접근하는 속도가 매우 빠르다.

M램은 메모리 셀에 자기적 극성이 고정됐거나, 변화가 가능한 극성의 두 가지 자기적 정보 저장 방법을 사용한다. 두 종류의 다른 극성을 갖는 자기 물질 사이에 얇은 절연 물질로 접합하지 않는 구조를 가졌다. 자기장에 놓여 있을 때, 약간의 저항 변화에 전류의 변화가 생기게 되고, 이 전류 변화를 이용해 정보를 저장하고 처리한다.

지난 3월 6일 삼성전자는 M램을 상용화했다고 밝혔다. 삼성전자가 출하한 M램 제품은 '28나노 FD-SOI(완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터) 공정 기반 eMRAM(embedded Magnetic Random Access Memory, 내장형 MRAM)' 솔루션이다.

삼성전자는 FD-SOI 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 절연막을 씌워 누설 전류를 줄일 수 있는 공정이며, M램은 비휘발성이면서도 D램 수준으로 속도가 빠르다는 특성을 가지는 메모리 반도체로, 두 기술이 합쳐져 전력을 적게 소모하면서 속도도 빠르고, 소형화가 쉬우면서도 가격까지 저렴한 차세대 내장 메모리가 만들어졌다고 설명했다.

임베디드 제품으로 개발된 eM램은 IoT 기기 등 소형 전자 제품에 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)나 SoC 같은 시스템 반도체에서 정보 저장 역할을 하는 메모리 모듈이다. 주로 Flash를 기반으로 한 eFlash(embedded Flash Memory)가 사용된다.

전문가들은 MRAM은 플래시메모리에 비해 1천 배에 달하는 비싼 공정비용을 줄여야 시장성이 있다고 지적한다. 이런 비용 문제가 해결된다면 MRAM은 플래시를 대체할 가장 큰 시장 규모를 차지할 것으로 기대된다.

M램과 비슷하게 자기적 성질을 이용하는 STT-M램은 전자의 스핀의 극성을 이용해 M램보다 낮은 전력을 사용해, 빠르게 동작한다. 또한, D램, S램과 쉽게 연동할 수 있다.

STT-M램의 구조는 D램과 비슷하다. D램과 다른 점은 커패시터 대신 복잡한 자성층을 사용한다는 것이다. 자성체가 회전하면서 빠른 속도로 전자를 이동시키며 데이터를 읽고 쓴다.

STT-M램은 D램 보다 10배 가까이 빠른 처리 속도가 가능하며, 생산 단가가 낮으며, 구조도 단순하다. 또한, 읽기와 쓰기를 반복하면 수명이 짧아지는 NAND 플래시 메모리와는 달리 반영구적인 수명을 갖고 있다는 것이다.

전문가들은 STT-M램은 이론적으로는 완벽하지만, 실제 생산에서는 50나노(nm) 이하의 기술을 적용하기 어렵고 자성을 이용해 저항 차이를 만드는 기술의 난이도가 높아 양산이 어렵다고 지적한다. 삼성전자, SK하이닉스, 도시바, 마이크론 등이 STT-M램 양산을 준비하고 있다.

미래의 메모리②- P램

P램은 PCM(Phase-Change Memory, 상변화메모리)이라고도 불리며, NAND 플래시를 대체할 메모리 기술로 기대된다. 전류를 흘려주면 상태가 결정 또는 비결정질 상태로 변화하는 물질을 이용하는 제모리다. 적은 전류로도 상변화가 일어나므로 전력 소모는 매우 적으나 속도가 D램에 훨씬 못 미친다.

1990년대부터 관련 제품이 나왔으며, 2006년에는 삼성이 64MB P램 칩을 발표했으며, 인텔도 이어 16MB 제품을 발표했다. 2008년 ST마이크로일렉트로닉스가 인텔과 협력해 입체 구조의 P램을 발표했으며, 2010년에는 삼성이 20나노 공정의 제품을 발표했다. 하지만 이런 제품들은 현재 D램과 낸드 플래시를 대체할 수준은 안 된다.

2015년 인텔과 마이크론이 각각 추진하던 P램 연구개발 프로젝트를 합체해, 3D XPoint를 발표했다. 하지만 양사는 3D XPoint가 P램이라고 발표하지 않아, 이후 연구기관에서 제품을 분해한 뒤에나 알려졌다.

인텔과 마이크론은 3D Xpoint가 기존의 NAND 형태의 SSD보다 속도가 1000배 더 빠르고, 1000만 번의 쓰기가 가능하는 등 1000배 더 내구성이 뛰어나고, DRAM보다 10배 더 높은 집적도를 가진다고 홍보했다.

낸드 플래시(SSD)의 반응속도가 100μs~1ms 정도로 보면, 3D XPoint의 반응속도는 100ns~1μs 정도로 나타난다. D램의 반응속도인 20ns~100ns에는 못 미치지만, D램의 기능을 일부 대체할 수 있는 수준의 성능이다.

전문가들은 3D XPoint에 대해, 아직 가격이 높고 기술 개발 수준이 높지 않아 PC에서 D램이나 낸드플래시를 대체하기에는 최소 수년이 걸릴 것으로 예측하며, 상용화되더라도 저용량 D램과 일부 병행해야 할 것으로 보고 있다.

인텔 역시 D램과 낸드 플래시를 대체하기 보다는 그 사이의 중간 계층으로 새롭게 자리 잡는 전략인 것으로 보인다. 앞으로의 기술 개발 수준에 따라 D램을 대체하거나 낸드 플래시를 대체하는 등 유동적인 전략을 사용할 것으로 전망된다.

미래의 메모리③-Fe램

Fe램은 강유전체램(Ferroelectric RAM)으로 FRAM이라고 부르기도 한다. 미래 메모리 반도체 기술 중 현재 실용화가 가장 먼 것으로 알려졌다. Fe램은 D램의 빠른 동작 속도를 구현할 수 있는 비휘발성 메모리다. 커패시터를 강유전체(ferroelec-tric)로 이용하는 구조다.

강유전체로는 PZT(lead zirconate titanate)가 주로 연구된다. 램트론인터내셔널에서 FeRAM을 집중적으로 개발하고 있다. 강유전체는 전기장이 없어져도 극성은 남아 있기 때문에 비휘발성 메모리로 사용할 수 있다. 낮은 전력의 소모로 스마트폰 등 작은 디지털 기기에 적합하다.

양산이 어렵다는 큰 단점이 있다. 1996년 1MB의 용량을 달성했지만 양산은 2KB밖에 가능하지 않았으며, 2013년에 양산할 수 있는 FeRAM의 용량은 고작 4MB 밖에 되지 않는 것으로 알려졌다. 강유전체 재료에서 박막을 얇게 하면 분극의 양이 급속히 떨어지는 현상인 크기 효과로 공정 미세화가 어려워, D램이 10nm까지 도달한 것과 비교해, Fe램은 130nm 수준에 멈춰있다.

하지만 2011년 신소재의 발견으로 박막을 얇게 만들어도 강유전성을 유지할 수 있는 방법이 발견되며, 14nm 수준에도 대응할 수 있는 것으로 알려져, 일부 반도체 업체들의 관심을 받고 있다.