[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.

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

2013년 8월 삼성전자는 1세대 24단 ‘3D 낸드 플래시’를 ‘3D V(Vertical)낸드’라는 명칭으로  세계 최초 양산하기 시작했다. 1세대 3D V낸드의 경우 단층 구조의 기존 낸드플래시 대비 용량은 2배, 속도는 2배, 내구성은 10배, 전력 효율은 2배 개선됐다. 당시 삼성전자 측은 “3D V낸드를 SSD에 탑재함으로써 대용량 SSD 시장 확대, 시스템에서 스토리지의 속도 차이 대폭 개선, SSD 사용 수명 기간 확대, 내구성 향상, 소비 전력 감소 등으로 SSD 기술 트렌드는 한 단계 발전하게 됐다“며 앞으로의 시장 변화를 예고했다. 

3D 낸드 시장을 선점한 삼성전자는 2014년 5월 2세대 32단 3D V낸드를 양산하기 시작했다. 2세대는 1세대 V낸드보다 30% 이상 적층 수를 높였고, 기존 평면구조 MLC 대비 신뢰도 수명을 2배 늘리면서도 전력 소비량은 20% 절감시켰다.

삼성전자는 2세대를 공개한지 1년도 안된 2014년 10월, 3비트 3D V낸드 양산에 성공했다. 삼성의 3비트 V낸드는 2세대(32단) 공정은 그대로 유지하면서 셀 하나에 저장되는 데이터 수를 기존 2개에서 3개로 늘려 셀 저장 용량을 1.5배 확대함으로써 10나노급 128 Gb를 구현해 냈다. 3비트 V낸드는 기존 10나노급 평면구조 낸드 제품보다 생산성이 2배 이상 향상되면서 서버용 SSD에서 보급형 PC SSD까지 제품군을 대폭 확대해 나갔다.
  
3D 낸드 기술 개발에 탄력을 받은 삼성전자는 2015년 8월 256 Gb 속도를 구현하는 3세대 48단 V낸드 양산을 시작했다. 3세대 V낸드는 셀이 형성될 단층을 48단으로 쌓고 나서 약 18억개의 원형 홀을 수직으로 뚫은 다음, 총 853억 개 이상의 셀을 고속 동작시킴으로써 각 셀마다 3개의 데이터(3비트)를 저장할 수 있도록 성능이 향상됐다. 따라서 총 2560억 개의 데이터를 읽고 쓸 수 있게 된 것이다.

특히 ‘3차원 원통형 CTF(3D Charge Trap Flash) 셀 구조’와 ‘48단 수직 적층 공정’, ‘3비트 저장기술’을 적용해 2세대 V낸드보다 데이터를 더욱 빠르게 저장하고, 소비 전력량을 30% 이상 줄였다. 또 기존 32단 양산 설비를 최대한 활용함으로써 제품 생산성을 약 40%나 높여 원가 경쟁력도 대폭 강화했다. 이때까지만 하더라도 메모리 반도체 시장에서 3D 낸드 기술로 제품을 양산한 업체는 삼성전자가 유일했다.