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빅데이터 시대! 대세로 떠오른 '3D 낸드'(1)

용량과 속도 확보 위한 3D 낸드에 주목하라
이나리 기자l승인2017.03.30 10:46:55l수정2017.03.30 13:03

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[CCTV뉴스=이나리 기자] 메모리 반도체 업계에서 가장 큰 이슈는 단연 ‘3D 낸드(NAND) 플래시’다. 본격적인 빅데이터 시대에 처리해야 하는 데이터 처리량이 많아지면서 수요가 빠르게 늘어나고 있기 때문이다. 3D 낸드는 기존의 2D 낸드보다 셀 사이의 간섭 영향을 대폭 줄여 셀 특성을 향상시켰고, 지속적으로 적층 단수를 높임으로써 데이터 용량 확대와 원가절감이 장점이다. 이런 이유로 메모리 반도체 업계는 3D 낸드 플래시 기술을 확보하기 위한 업체별 경쟁이 그 어느 때보다 뜨겁다.

3D 낸드를 세계 최초로 양산해 업계 선두를 달리고 있는 삼성전자, 반도체 사업을 매각하기로 결정한 낸드 플래시 시장 점유율 2위인 도시바, 적극적인 기술 투자를 단행하고 있는 SK하이닉스, 모바일 사업을 과감하게 접고 메모리 사업에 집중하겠다고 선언한 인텔 등 메모리 반도체 시장은 3D 낸드 기술을 확보하기 위한 경쟁구도가 새롭게 형성되고 있다.

3D 낸드가 개발된 배경과 기업별 기술 현황 그리고 낸드 시장 동향에 대해 1, 2, 3회에 걸쳐 알아보겠다.

메모리 반도체는 전체 반도체 분야 중에서 가장 성장 가능성이 높은 분야로 꼽히고 있다. 빅데이터로 인한 데이터센터 수 증가, 사물인터넷(IoT) 환경 고도화, 자율주행차와 스마트 공장 등이 개발됨에 따라 처리해야 하는 데이터량이 대폭 증가하면서 고용량, 고성능 메모리 반도체 니즈가 더욱 상승했기 때문이다.

메모리 반도체는 아날로그 반도체들과 비교해서 압도적인 성장세를 보이며 전체 반도체 성장의 견인 역할을 하고 있다. 시장조사기관 IC인사이츠는 D램(DRAM)과 낸드(NAND) 플래시를 비롯한 메모리 반도체 시장이 2016년 773억달러(약 90조원)에서 2021년 1099억달러(약 127조원) 규모로 급성장하며 매년 7.3%씩 성장할 것으로 전망했다. 아날로그 반도체의 경우에는 2016년부터 2021년까지 5년간 연평균 성장률이 5.2%, 마이크로콤포넌츠는 4.4%, 로직은 2.9%이다.

IHS에 따르면 메모리 반도체 중에서도 특히 낸드 플래시 시장은 2015년 823 GB였으나 2020년 5084억 GB까지 확대되며 연평균 성장율이 44%에 달할 것으로 예측했다. 특히 엔터프라이즈(서버/스토리지) SSD(Solid State Drive)의 수요가 증가하면서 낸드 수요가 확대되고 있기 때문이다. 차량용 낸드 수요 또한 확대될 전망이다. 차량용 낸드 탑재량은 인포테인먼트를 중심으로 증가할 것으로 예상되면서 2016년 6.2 GB에서 2020년 84 GB로 확대될 전망이다. 반면 D램의 경우에는 2015년 약 570억 GB였던 시장이 2020년 1750억 GB로 연평균 25.2% 성장할 것으로 기대된다.

이처럼 메모리 반도체가 강세를 보이면서 업계에서는 보다 높은 성능을 구현하기 위한 기술에 대한 관심이 자연스럽게 모아지고 있다. 반도체의 성능을 향상시키고 높은 직접도를 구현하기 위해서는 새로운 공정, 새로운 소재, 그리고 패키지 디자인에 대한 기술이 중요한데, ‘3D 낸드 플래시’는 초소형, 고용량을 가능케 하면서 대세로 자리 잡았다.

일례로 SSD 경우 기업용 SSD 제품에서 3D 낸드 비중이 2015년 10%(수량 기준)에서 2018년 77%로, 소비자용도 같은 기간 동안 3%에서 60%로 확대됐다.(IHS 시장전망) 이는 3D 낸드 플래시의 비중이 점차 커지고 있다는 것을 뜻한다.

▲ 구글 데이터센터 (자료: 구글)

낸드의 단점을 혁신화 시킨 ‘3D 낸드’ 탄생

낸드 플래시는 전원이 꺼지면 정보가 사라지는 D램과는 달리 전원이 꺼져도 정보를 저장하는 비휘발성 메모리다. 1984년 처음 등장한 이후, 지금도 많이 사용되고 있는 USB부터 ▲디지털 영상처리와 모바일 경험을 좌우하는 SD 카드와 마이크로SD 카드 ▲빠른 속도로 HDD를 대체하고 있는 차세대 저장장치 SSD ▲스마트 기기와 태블릿 기기의 저장 용량을 실질적으로 규정짓고 있는 eMMC에 이르기까지 많은 발전을 거듭했다.

낸드 플래시의 핵심 기술은 메모리에 비트를 담는 셀을 어떻게 배열했느냐에 달려 있다. 컴퓨터의 메모리는 오로지 0과 1만으로 데이터를 보관하는데, 아무리 빠른 컴퓨터도 0과 1의 2진법을 얼마나 빨리 처리하느냐의 차이일 뿐이다. 수천만 화소의 사진도, 음악도 결국 메모리, 하드디스크, SSD 등에는 0과 1로 기록될 뿐이다. 메모리에 0과 1을 하나 담을 수 있는 단위가 ‘셀(cell)’이고, 디지털 데이터를 구분하는 최소 단위는 ‘비트(bit)’라고 부른다. 셀 하나는 1비트의 정보를 담는 것이다.

낸드 플래시는 데이터를 저장하는 방식에 따라 SLC, MLC, TLC로 나뉜다. ▲데이터를 저장하는 하나의 셀에 0과 1로 구분되는 1비트의 정보를 저장하는 SLC(Single Level Cell)은 1990년대까지 가장 보편적이었고 ▲00, 01, 10, 11로 구분되는 2비트의 정보를 저장하는 MLC(Multi Level Cell)은 2000년대에 들어서 가장 많이 쓰이는 기술이며, 상당수의 SSD 제품에 쓰인다. ▲마지막으로 한 셀에 8가지로 구분되는 3비트의 정보를 저장하는 TLC(Triple Level Cell)가 있다.

동일 공정의 경우 셀 1개를 구성하는 면적은 동일하지만 데이터 저장 방식에 따라 저장할 수 있는 데이터 용량과 응용처가 달라진다. 예를 들어, 64비트 용량의 제품을 만들기 위해 하나의 셀에 1비트의 정보를 저장하는 SLC는 64개, 2비트의 정보를 저장하는 MLC는 32개, TLC는 22개의 셀이 필요하다.

SLC는 MLC나 TLC에 비해 작업이 단순하기 때문에 일반적으로 오류가 적고 속도가 빨라, 장기간 높은 신뢰성을 요구하는 자동차, 항공기 스토리지 등에 주로 사용된다. 반면 MLC나 TLC는 SLC에 비해 높은 속도 구현 등을 위한 기술적 난이도가 높지만, 더 작은 공간만으로도 동일한 용량의 제품을 만들 수 있는 장점이 있다. 즉 한 장의 웨이퍼(Wafer)에 동일 용량기준으로 실제로 생산 가능한 칩의 숫자(Net die)가 증가해 원가 경쟁력이 높다.

SLC를 비롯, MLC와 TLC는 차세대 대규모 데이터센터, 엔터프라이즈 서버, PC 등 다양한 분야에서 사용되며, 각 응용분야에서 요구되는 사용 규격에 맞춰 속도와 내구성 등 보증한도를 정하고 있다.

▲ 낸드 종류(자료: 삼성전자)

낸드 플래시 메모리가 데이터를 읽고 쓰는 방법을 살펴보자. 낸드 플래시는 셀에 데이터를 담지만 설계 특성상 셀 단위의 기록을 하지 못한다. 이게 가장 큰 한계점으로 꼽히는 부분이기도 하다. 다시 말해 저장장치에 1비트 단위로 기록하지 못 한다는 이야기다.

일반적으로 낸드 플래시 메모리는 특정 셀에 데이터를 읽고 쓸 때, 딱 그 셀에 직접 접근하지 못한다. 셀들은 가로 세로 격자 모양으로 배치되어 있는데 CPU가 어떤 데이터를 읽으라고 호출하면 그 셀이 있는 한 줄을 모두 읽어낸다. 설계에 따라 몇 개에서 몇 십개 셀이 한번에 따라오게 되고, 그 중에서 필요한 셀의 비트를 읽어 들인다. 이를 반복해서 파일을 CPU로 읽어들이는 방식이 낸드 플래시 메모리다.

쓸 때도 마찬가지다. 한 셀에 직접 접근하지 못하기 때문에 한 줄(페이지)의 정보를 미리 읽고, 고쳐 쓸 셀의 정보를 심은 새 페이지를 마련한다. 그 다음 이 페이지를 한 번에 다시 쓴다. 이렇게 페이지 단위로 기록하는 것을 '플래싱(flashing)'이라고 한다. 이런 방식은 효율적이지 않다. 쉽게 말해서 학생 한 명과 면담하기 위해서 일단 한 분단을 모두 복도로 데려온 뒤에 한 명만 교무실로 데려가는 정도의 비효율이라고 보면 된다.

이는 일단 메모리의 접근 속도를 크게 떨어뜨린다. 물론 SSD는 기존의 하드디스크에 비하면 1천배 이상 접근 속도가 빠르지만 그 안에는 적지 않은 성능 손실이 있다. 또한 메모리 셀에는 수명이 있는데 셀 하나를 찾기 위해 다른 셀이 계속해서 불려 다니다 보니 수명에도 급격한 손실이 생긴다. 낸드 플래시 메모리가 가진 또 하나의 약점은 바로 '수명'이다.

심지어 데이터를 지울 때는 페이지가 아니라 일정 범위의 블록 단위로 지우기 때문에 손실이 매우 크다. 심지어 이 블록을 지울 때 블록 주변의 데이터가 흐릿해지는 경우도 생기면서 플래시 메모리는 근본적인 한계점에 다다랐다. 

1999년에 120나노미터(nm)에서 시작된 낸드플래시 공정은 2013년에 10나노급 공정으로 들어서면서 좁은 면적 안에 집적도를 높이는 방법에 기술적인 한계가 발생하기 시작했다. 특히 셀과 셀 사이의 간격이 좁아지면서 간섭 현상이 일어나 데이터 손실이 발생할 수 있게 됐다. 마치 좁은 면적 안에 많은 집들이 모여 있으면, 옆집에서 발생한 소음이 이웃집에 그대로 들리는 것과 같이 셀 사이에도 비슷한 현상이 발생하는 것이다. 

이런 이유들로 인해 반도체 업계에서는 낸드 플래시의 단점을 극복시키려는 고민들이 있어왔고, 기존 단층으로 배열된 셀을 3차원 수직으로 적층하는 혁신적인 기술을 개발해 냈다. 이것이 바로 ‘3D 낸드 플래시’ 기술이다.

3D 낸드 기술의 장점은 셀 사이의 간섭 영향을 대폭 줄여 셀 특성을 향상시켰고, 지속적으로 적층 단수를 높임으로써 데이터 용량 확대와 원가절감을 이룰 수 있다는 것이 장점이다. 쉽게 말해서 기존 낸드플래시가 일층 구조의 단독주택이었다면, 3D 낸드는 1세대 24층, 2세대 32층 구조의 고층 빌딩과 같다고 볼 수 있다. 따라서 셀 당 담을 수 있는 정보가 많아지면서 자연스레 더 작은 SSD에 더 높은 용량의 제품 구현이 가능해졌다.

실제 3D 낸드를 모바일 기기에 채용할 경우 각 타임 슬롯의 내용을 통화 메모리에 순번으로 써넣는 시퀀셜 라이트(Sequential write)가 기존 64GB MLC 낸드 대비 50% 이상 개선돼 200MB/s의 높은 성능을 보이게 된다. 또 3D 낸드는 플로팅 게이트를 대신한 절연체를 사용함으로써 워드 라인 간의 간섭이 ‘0’에 가까워, 기존 낸드 대비 2배 이상 높은 신뢰성을 구현할 수 있게 됐다.

본 기사는 <72단 3D 낸드 기술을 확보하라! 본격 경쟁 '돌입'(2)>에 이어진다.

※ 관련 기사
72단 3D 낸드 기술을 확보하라! 본격 경쟁 '돌입'(2)
'공격적 팹 투자' 낸드 시장 순위 변화 일어날까?(3)

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr
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