[디지털투데이 양대규 기자] 메모리 반도체 시장에 D램(DRAM)과 낸드 플래시 메모리를 넘어선 차세대 메모리의 개발과 양산에 속도가 붙고 있다. 비휘발성램(NVRAM)으로 불리는 차세대 메모리 반도체는 D램의 속도를 가지며, 낸드 플래시 메모리처럼 전원이 꺼져도 내용이 저장된다는 특징을 지니고 있다.

아직까지 DRAM 수준의 성능의 NVRAM은 개발되지 않았다. 현재 나온 차세대 메모리들은 낸드 플래시보다 처리 속도는 향상됐지만, 시장에 나올 만큼 가격 경쟁력을 갖추지는 못한 상태다. 인텔과 마이크론이 개발한 PRAM으로 알려진 ‘옵테인 메모리’와 삼성전자와 Arm이 공동 개발한 eMRAM 정도가 최근 시장에서 일부 사용되고 있다.

27일 업계에 따르면, 임베디드 MRAM(eMRAM)의 경우 차세대 플래시 메모리를 대체할 저장장치로 주목받고 있다. 지난해 6월 삼성전자와 Arm이 eMRAM을 공동으로 개발한 이후 eMRAM에 대한 연구가 활발해지고 있다.

MRAM은 일반적으로 하드디스크 드라이브에서 사용되는 고감도 자성 소재들을 포함하고 있다. MRAM은 본질적으로 비휘발성과 빠른 속도라는 특성을 지닌다. 따라서 전원이 제거되었을 때에도 소프트웨어와 데이터를 유지할 수 있고, 빠른 속도와 높은 반복 기록 횟수로 지금까지 레벨3 캐시에 사용되는 SRAM을 대체할 수 있을 것으로 전망된다.

삼성전자·Arm·어플라이드 머티어리얼즈 등, eMRAM 기술 개발 속도↑

최근 글로벌 시장조사 업체 욜 디벨롭먼트의 기술·시장 분석과 시몬 버톨라치 박사는 “eMRAM은 최고의 파운드리·IDM(종합반도체) 업체(삼성전자)와 장비 공급업체(어플라이드 머티어리얼즈)의 강력한 참여 덕분에 자극되고 있다”고 말했다.

내장형(embedded) 메모리는 IoT 기기 등 소형 전자 제품에 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)나 SoC 같은 시스템 반도체에서 정보 저장 역할을 하는 메모리 모듈이다. 주로 플래시(Flash)를 기반으로 한 eFlash가 사용된다.

전문가들은 28나노(nm)/22나노 실리콘 리소그래피 노드가 임베디드 플래시(eFlash)의 마지막 기술 노드가 될 것으로 보고 있다. . MRAM은 비휘발성이면서도 DRAM에 가까운 속도를 낼 수 있다. 이에 eMRAM이 임베디드 플래시를 대체하는 차세대 메모리 반도체 기술이 될 것으로 보고 있다.

이는 기술의 확장성 제약보다는 경제적인 이유 때문이다. 휘발성 SRAM의 확장은 고급 노드에서 발생하는 셀 풋프린트 저하로 인해 느려지고 있다. 스토리지를 위한 새로운 내장형 NVM이 필요하다. 업계는 더 세밀한 공정이 가능한 임베디드 메모리인 eMRAM을 새로운 대안으로 제시하고 있다.

실제로 지난해 6월 Arm은 삼성전자의 23나노 FDS 공정 기술에 사용할 수 있는 업계 최초의 eMRAM 컴파일러 제품을 발표했다. Arm에 따르면, 이 컴파일러는 eMRAM을 세 개의 추가 마스크로 통합할 수 있어 비용 효율성이 향상된다. 반면에 eFlash는 40nm와 그 이하에서 12개 이상의 추가 마스크를 필요로 한다.

지난 12일 욜이 발표한 보고서에 따르면, 다수의 주요 기업들의 지원 덕분에 eMRAM은 2024년까지 12억 달러(약 1조 5000억 원)까지 성장할 전망이다. 이 기간 동안 295%의 연평균성장률(CAGR)을 기록할 것이다. 독립형 MRAM 시장은 2024년에 약 5억 8000만 달러(약 7000억 원)의 매출액을 기록하면서, eMRAM 시장보다 덜 성장할 것으로 예상된다.

욜은 “다양한 신흥 NVM 기술 중 STT(스핀 트랜스퍼 토크)-MRAM이 상당한 탄력을 받고 있다”며, “28나노 이하에서 제조된 다양한 IC 제품을 위한 차세대 임베디드 메모리 솔루션이 될 태세”라고 분석했다. 여기에는 저전력 웨어러블과 IoT 기기, MCU, 자동차, 영상, 디스플레이 IC, 에지 AI 가속기, 기타 ASIC 및 ASSP 등이 포함된다.

욜의 시모네 베르톨라치는 "2018년 임베디드 STT-MRAM 시장은 대량 출하 없이 여전히 제한적이었다"며, "2019년은 이 시장이 도약하는 해가 될 것으로 예상된다. 삼성은 최근 임베디드 STT-MRAM 양산을 시작했고, 욜은 다른 주요 주조 공장/IDM이 곧 경주에 진출할 것으로 예상하고 있다"고 설명했다.

삼성전자, 28나노 FDS eMRAM 솔루션 양산

지난 3월 삼성전자는 28나노 FDS 공정을 기반반으로한 eMRAM 솔루션을 양산, 본격 출하했다. FDS(완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터) 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 절연막을 씌워 누설 전류를 줄일 수 있는 공정이다

기존의 eFlash는 데이터를 기록할 때 먼저 저장돼있던 기존 데이터를 삭제하는 과정을 거치기 때문에 속도와 전력효율 측면에서 단점이 있었다. 삼성전자의 '28나노 FD-SOI eMRAM' 솔루션은 데이터 기록 시 삭제 과정이 필요 없고 기존 eFlash보다 약 1000배 빠른 쓰기 속도를 구현한다.

eMRAM 솔루션은 단순한 구조를 가지고 있어 기존 로직 공정 기반의 설계에 최소한의 레이어(Layer)를 더하는 것만으로 구현이 가능하기 때문에 고객들의 설계 부담을 줄이고 생산비용 또한 낮출 수 있다고 삼성전자 측은 설명했다.

욜은 삼성전자와 함께 어플라이드머티리얼스, 도쿄전자유한공사(TEL), 캐논, 램리서치와 같은 복수의 장비 공급업체와 퀄컴, ARM, 시놉시스 같은 로직 회사들은 MRAM에 대한 연구비를 늘리고 있다. 이것은 임베디드 STT-MRAM 사업의 발전을 더욱 촉진하고 있다.

어플라이드 머티어리어얼즈, MRAM 대량 생산 장비 공개

지난달 17일 어플라이즈 머티어리얼즈는 MRAM 개발을 위한 장비를 공개했다. 어플라이드 머티어리얼즈가 공개한 장비는 차세대 메모리에 사용되는 핵심 물질인 새로운 금속 물질들을 원자층 단위의 정밀도로 증착할 수 있는 대량 생산 시스템이다.

MRAM 생산을 지원하는 어플라이드 머티어리얼즈의 새로운 엔듀라 클로버(Endura Clover) MRA PVD’ 플랫폼은 청정·진공 상태를 유지한 상태로 조합된 최대 9개의 독특한 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다. 이 플랫폼은 각각의 챔버당 최대 5개 개별 물질 박막을 증착할 수 있는 대량 생산용 300mm MRAM 시스템이다.

MRAM은 진공을 유지한 상태로 최소 30층 이상의 정밀한 박막의 연속 증착이 요구된다. 그중 일부는 사람의 머리카락보다 50만 배 얇은 것도 있다. 또한 원자 지름 정도의 작은 두께 변화가 전체 메모리 소자의 성능과 신뢰도에 중대한 영향을 미칠 수 있다.

어플라이드 머티어리얼즈는 자사의 플랫폼에 대해, 증착한 박막들의 두께를 외부 대기에 노출될 위험 없이 1옹스트롬(1Å=0.1nm) 이하의 정밀도로 측정 및 모니터링해 원자 수준의 박막 균일도를 보장하는 내장형 계측기를 탑재하고 있다고 설명했다.

탐 스파크맨 스핀 메모리 CEO는 “매우 빠른 속도와 높은 반복 기록 횟수를 지닌 비휘발성 메모리로서 MRAM은 IoT, AI 분야에서 기존 내장형 메모리에 사용되는 플래시와 레벨3 캐시에 쓰이는 S램을 대체할 것으로 전망된다”고 말했다.

지난해 삼성전자와 협업을 발표한 Arm의 피지컬 디자인 그룹의 마케팅 부사장인 케빈 로우는 “65나노 공정 노드에서 시작해 삼성 파운드리의 11LPP, 7LPP, 5LPE 공정 기술을 위한 Arm의 피지컬 IP 신제품까지 이어져 온 양사의 협력은 오늘 발표로 최신 이정표를 세우게 됐다”며, “Arm은 삼성전자 파운드리 사업부와 긴밀히 협력하여, Arm의 피지컬과 프로세서 IP를 통해 제조 공정을 혁신하고 검증하여 왔다. 이는 향후 CPU, GPU, 기타 프로세서 코어 분야의 혁신을 위한 양사의 지원을 통합할 수 있도록 한다”고 말했다.

독립형 MRAM 성장세는 약할 것으로 전망

한편 욜에 따르면, 2018년과 2024년 사이에 54%의 CAGR로 독립형 MRAM 시장은 덜 성장할 것으로 예상된다. 2024년에 6억 달러를 밑돌 것이라고 한다. 지금까지, 이 성장은 16Mb 이하의 저밀도(STT-)MRAM 장치에 의해 추진돼 왔으며, 에버핀, 아발란치/소니 등 몇몇 핵심 플레이어들이 제조했다.

향후 몇 년 내에 독립형 MRAM 시장은 주로 기업용 스토리지 애플리케이션에 의해 주도될 것이다. 여기에는 256Mb 이상의 고밀도 STT-MRAM 칩이 제공하는 SSD 캐싱 및 스토리지/네트워크 가속기가 포함된다. 일반적으로 기업용 스토리지 사업의 IDM과 시스템 제조업체에 판매된다. 이들 업체는 새로운 시스템을 개발하는데 12~18개월이 소요되기 때문에 STT-MRAM 판매의 증가에는 비교적 오랜 시간이 걸렸다.

에버핀의 1Gb 28nm 기기는 최근 글로벌파운드리 시범생산 단계로 진입한 것으로 알려졌다. 제품의 성공적인 시장 가용 여부에 따라, 엔터프라이즈 스토리지 애플리케이션의 성장을 촉진할 수 있을 것이다.

전문가들은 앞으로 DRAM과 낸드 플래시 같은 전통적인 메모리의 생산에 한계가 올 것이라며, 차세대 메모리의 등장이 멀지 않았다고 보고 있다. 이달 초 미국 캘리포니아에서 열린 메모리 위크 기간에 다수의 전문가는 이와 같은 전망을 발표했다.

행사에 참가한 욜의 NAND&메모리 리서치 월트 쿤 부사장은 "지난 20년 동안 낸드 시장은 엄청난 성장을 경험했지만 상당한 변동성과 장기 침체에 시달려왔다"고 말했다.

시스템플러스컨설팅의 비용분석가 벨린다 듀브는 "낸드 제조업체는 레이어 수를 늘리고 다이 크기를 줄임으로써 고성능 플래시 메모리의 점진적인 수요를 지속적으로 충족시키고 있다"며, "최근 세대는 제조업체들이 웨이퍼당 기가바이트를 증가시킬 수 있도록 하고 있다. 3D 기술은 시장 수요를 지속적으로 충족시키고 있지만 레이어가 추가된 3D 구조의 복잡성은 제조에 다른 어려움을 주고 있다. 미래 세대들은 제조 공정과 메모리 디자인을 바꾸는 제조업체를 보게 될 것”이라고 분석했다.