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기업핥기 분석5 : 반도체(2) 메모리반도체
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반도체 메모리란? – 전자 기초 지식 | 로옴 주식회사
반도체 메모리란, 반도체의 회로를 전기적으로 제어함으로써, 데이터를 기억 · 저장하는 반도체 회로 장치입니다. 자기 및 광학 디스크 장치 등과 비교 시, … 는 특징이 …
Source: www.rohm.co.kr
Date Published: 6/5/2021
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메모리반도체( 半導體) – 한국민족문화대백과사전
메모리 반도체는 다시 램(random access memory, RAM)과 롬(read only memory, ROM)으로 구분된다. 램은 정보를 기록하는 것은 물론 기록된 정보를 읽거나 바꿀 수 있는 …
Source: encykorea.aks.ac.kr
Date Published: 4/3/2022
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반도체 파헤치기 上 헷갈리는 반도체 종류 완벽정리!
반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체 두 가지로 구분하는데요. 이 둘은 무슨 차이가 있을까요? 핵심은 정보를 ‘저장’하느냐 혹은 ‘처리’하느냐 …
Source: www.samsungfundblog.com
Date Published: 1/30/2022
View: 8860
메모리사업부 | 삼성전자 DS부문 | 반도체 채용 홈페이지
DRAM, NAND Flash, Solution 제품(SSD, eMMC, UFS 등) 등의 개발 및 양산을 통해 메모리 반도체 분야에서 29년 연속 독보적인 세계 1위의 자리를 유지하고 있습니다.
Source: www.samsung-dsrecruit.com
Date Published: 5/9/2022
View: 6014
“메모리반도체 겨울이 온다” PC·스마트폰 안 팔리고 서버 증설도 …
이 때문에 D램과 낸드플래시 등 메모리반도체를 주력으로 하는 삼성전자와 SK하이닉스의 2분기 실적이 시장 기대를 밑돌 것으로 예상된다. 5일 시장조사 …
Source: biz.chosun.com
Date Published: 4/2/2022
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생각하는 메모리 반도체 시대 활짝 메타버스·자율주행 앞당긴다
폭증하는 데이터 처리를 위해 반도체 업계가 메모리에 직접 인공지능(AI) 연산장치를 이식하는 도전에 나선 것이다. 코로나19 팬데믹이 낳은 비대면 사회 …
Source: www.mk.co.kr
Date Published: 11/8/2021
View: 2784
[반도체 용어 사전] 메모리 반도체 – 삼성반도체이야기
메모리 반도체 [Memory Semiconductor] 정보(Data)를 저장하는 용도로 사용되는 반도체 . 메모리 반도체에는 정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽 …
Source: www.samsungsemiconstory.com
Date Published: 6/25/2021
View: 6127
지구 온도를 낮추는 저전력 메모리 반도체 | 삼성반도체
지구 온난화의 주범, 전력. 지구는 전력과 데이터의 열기로 힘들어하고 있습니다. 데이터센터의 열기를 낮춰 지구를 지키는 기술, 저전력 메모리 반도체입니다.
Source: semiconductor.samsung.com
Date Published: 11/12/2021
View: 5017
메모리 반도체 분야에서의 새로운 기회와 도전
2) 메모리 벽(Memory Wall): CPU와 CPU 칩 외부 메모리 사이의 속도 차이. ‘메모리 벽’을 허물 차세대 메모리 반도체 기술은? DRAM과 NAND는 지금까지 “ …
Source: news.skhynix.co.kr
Date Published: 9/22/2022
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주제에 대한 기사 평가 메모리 반도체
- Author: 기업핥기
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- Date Published: 2020. 4. 29.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=9a5fv9OJ2fQ
반도체 메모리란? – 전자 기초 지식
반도체 메모리란, 반도체의 회로를 전기적으로 제어함으로써, 데이터를 기억 · 저장하는 반도체 회로 장치입니다.
자기 및 광학 디스크 장치 등과 비교 시,
데이터 읽기 및 쓰기 속도가 빠르다
기억 밀도가 높다
소비전력이 적다
진동에 강하다
는 특징이 있습니다.
전원 차단 시, 기억 내용이 지워지는 것을휘발성 메모리（Volatile Memory）、지워지지 않는 것을 비휘발성 메모리（Non-Volatile Memory） 라고 합니다.
메모리반도체(─半導體)
우리나라의 반도체산업은 1960년대 중반에 시작된 후 1980년대 이후에 D램을 중심으로 급속히 성장하였다. 특히, 삼성은 64K D램부터 시작하여 선진국을 급속히 추격한 후 1992년부터 D램에서, 1993년부터는 메모리 반도체에서 세계 1위를 기록하고 있다. 우리나라 전체로는 1998년부터 D램에서, 2000년부터 메모리 반도체에서 세계 1위가 되었다.
우리나라의 반도체산업은 1965년에 미국의 중소기업인 코미(Komy)가 트랜지스터를 조립하기 위한 합작회사를 설립하면서 시작되었다. 이어 페어차일드(Fairchild), 모토롤라(Motorola), 도시바(Toshiba) 등과 같은 세계적인 기업들이 투자함으로써 우리나라의 반도체산업은 성장의 국면을 맞이하게 되었다.
당시에 외국인 투자회사는 모든 자재를 수입하여 이를 조립한 후 수출하는 방식을 취하고 있었다. 따라서 우리나라는 값싼 노동력을 제공하는 생산기지에 불과했던 것이다.
국내 기업으로는 1970년에 금성사와 아남산업이 반도체 조립을 시작하였다. 이어 1974년 10월에 설립된 한국반도체는 단순 조립을 넘어 웨이퍼를 가공하는 데 도전하였다. 그러나 한국반도체는 생산 경험의 미비와 재무 상황의 악화로 상당한 어려움을 겪었고 1974년 12월에 삼성은 한국반도체의 주식을 매입함으로써 반도체산업에 진출하였다.
그 후 삼성은 전자 손목시계와 컬러텔레비전에 사용되는 트랜지스터와 집적회로를 국산화하는 데 성공하였다. 1980년대 초반부터 삼성, 현대, 금성(현 LG) 등과 같은 대기업들의 적극적인 참여를 배경으로 본격적으로 성장하기 시작하였다.
국내의 대기업들은 전자산업의 불황을 극복하기 위한 방안으로 반도체에 주목하면서 대규모 투자를 계획하였고, 정부도 1981년 9월에 반도체 육성 장기 계획(1982∼1986년)을 수립하면서 전자산업의 육성이 반도체 부문에 집중될 것이라고 강조하였다.
이는 전자제품에 널리 사용되는 반도체를 대부분 일본에서 수입하고 있었기 때문에 반도체기술의 자립이 없이는 전자산업의 발전이 어렵다고 판단하였기 때문이다. 여기에는 일본의 대기업들이 반도체에 집중적으로 투자하여 미국에 필적하는 성과를 거둔 것도 상당한 자극으로 작용하였다.
삼성은 D램을 주력 품목으로 선정한 후 1983년 11월과 1984년 10월에 64K D램과 256K D램을 잇달아 개발하여 선진국과의 기술격차를 5년 내외로 단축하였다. 64K D램은 선진국으로부터의 기술도입을 바탕으로 개발되었고, 256K D램의 경우에는 기술도입과 자체 개발이 병행되었다.
현대는 1985년까지 S램과 롬에 집중했지만 1986년부터 D램에 집중하기 시작했고, 금성도 비슷한 시기에 D램 중심의 투자전략을 수립하였다.
삼성은 1986년 7월과 1988년 2월에 1M D램과 4M D램을 자체적으로 개발함으로써 선진국을 급속히 추격하였다. 1M D램의 경우에는 N-MOS에서 C-MOS로 설계를 변경하였고, 4M D램에서는 트렌치(trench) 방식 대신에 스택(stack) 방식을 선택했던 것이다.
특히, 스택 방식은 4M D램은 물론 이후의 제품에서도 기술 주류를 형성함으로써 트렌치 방식을 택한 업체들은 2군으로 밀려나고 스택 방식을 택한 업체들은 1군으로 자리 잡는 결과를 가져왔다.
당시 선진국의 견제가 강화되면서 특허권 침해 소송을 당하기도 했는데, 이에 대응하여 4M, 16M, 64M, 256M D램의 경우에는 산·학·연 협동을 바탕으로 독자적 기술을 개발하기 위해 국가공동연구개발사업으로 추진되었다.
국가공동연구개발사업은 참여기업의 본격적인 연구개발 활동을 촉진하는 데 크게 기여했으며, 삼성으로부터 현대와 금성으로 기술이 이전되는 효과도 낳았다. 그것은 현대전자와 LG반도체가 1990년대 이후에 세계적인 반도체업체로 성장할 수 있는 밑거름으로 작용하였다.
삼성은 1990년 8월에 16M D램을 선진국과 비슷한 시기에 개발한 후 1992년 9월에는 64M D램을 세계 최초로 개발하였다. 1990년대 중반부터 삼성은 제품다각화의 일환으로 플래시 메모리에도 집중적으로 투자했다.
삼성은 노어(nor)형과 낸드(nand)형 중에 후자를 선택한 후 1996년에 64M, 1999년에 256M, 2001년에 1G, 2003년에 4G 제품을 잇달아 개발했으며, 2003년에는 플래시 메모리에서 세계 최고의 기업으로 부상하였다.
반도체 파헤치기 上│헷갈리는 반도체 종류 완벽정리!
여러분은 반도체에 대해 얼마나 알고 계시나요? 컴퓨터에 들어가는 중요한 부품 정도로 알고 계시나요? 먼저, 반도체의 정의만 보자면 전기가 잘 흐르는 물질인 도체와 전기가 잘 흐르지 않는 부도체의 중간쯤 되는 물질을 말합니다. 그렇다면 반도체는 전기가 흐르는 걸까요, 안 흐르는 걸까요?
반도체는 ‘어떤 특정한 조건에서만’ 전기가 흐르는 물질입니다. 그 조건이란, 반도체의 온도가 높아지면 전기가 흐르고 반대로 온도가 내려가면 전기가 흐르지 않는 것인데요. 이러한 특별한 성질을 이용해 전자기기를 제어하거나 정보를 기억하는 장치를 만드는 것입니다.
| 메모리, 비메모리? 그게 무슨 차이야?
반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체 두 가지로 구분하는데요. 이 둘은 무슨 차이가 있을까요? 핵심은 정보를 ‘저장’하느냐 혹은 ‘처리’하느냐입니다. 메모리 반도체는 정보를 저장하고 기억하는 반도체, 비메모리 반도체는 연산과 추론 등 정보를 처리하는 반도체이죠. 그럼 메모리 반도체와 비메모리 반도체를 차례대로 알아볼까요?
| 메모리 반도체란?
메모리 반도체는 그 이름처럼 정보를 기억하는 역할을 합니다. 크게 램(RAM, Random Access Memory)과 롬(ROM, Read Only Memory) 두 가지로 나뉘는데요. 이렇게 나뉘는 이유는 이 둘이 정보를 기억하는 방식이 다르기 때문입니다. 아직 잘 모르시겠죠? 밑에서 자세히 설명드릴게요.
※ (좌) 램(RAM), (우) 롬(ROM)
1) 그래서 램(RAM)이 뭐에요?
예를 들어, 정보가 처리되는 공간을 우리의 방이라고 생각해 볼까요? 우리는 보통 책장에서 책을 꺼내 책상 앞에 앉아 읽습니다. 책상에 여러 개의 책을 쌓아놓고 읽기도 하고 또 치우기도 하겠죠. 여기서 책을 정보라고 한다면 책상 역할을 하는 것이 바로 램인데요. 이렇게 손만 뻗으면 자유롭게 정보를 읽고 또 지울 수 있어서 ‘Random Access Memory’라고 말하는 것이죠. 전원이 꺼지면 저장된 내용이 사라진다고 해서 휘발성 메모리로도 불립니다. 이러한 램은 정보 저장방식에 따라 다시 D램과 S램으로 나뉩니다.
■ DRAM (Dynamic Random Access Memory)
D램은 저장된 정보가 시간이 흐름에 따라 소멸되는 반도체입니다. 따라서 단시간 내에 주기억*으로 재충전시켜 주면 기억이 유지되기 때문에 컴퓨터의 기억소자*로 많이 쓰이는데요. 이렇듯 재충전하는 과정 때문에 ‘동적(Dynamic)’이란 이름이 붙었죠. 이러한 D램은 전체 메모리 반도체 시장의 53%를 차지하고 있는데요. 우리나라 반도체 기업들이 높은 점유율을 차지하고 있는 주력 분야 중 하나입니다. 용량이 크고 속도가 빠르기 때문에 컴퓨터의 메인 메모리, 그래픽 메모리, 스마트 TV 등에도 들어가고 스마트폰 및 태블릿 PC 등에도 모바일용 D램이 많이 사용되고 있죠.
*주기억: 컴퓨터 체계의 중앙처리 장치로서, 프로그램 실행동안 자료나 프로그램 설명에 빠른 속도로
접근하도록 해준다. 마이크로 컴퓨터 산업에서 램은 주메모리 혹은 핵심 메모리를 위해 사용되는 용어이다.
*기억소자: 컴퓨터의 연산회로 등에서 정보를 기억시켜 놓는 데 사용되는 소자
출처: 연합뉴스, 2020.08.20
■ SRAM (Static Random Access Memory)
S램은 전원을 공급하는 한 데이터를 유지하는 반도체입니다. D램과 달리 전원이 켜져 있는 동안에는 기록된 데이터가 지워지지 않기 때문에 ‘정적(Static)’이란 이름이 붙었죠. 게다가 데이터 처리속도가 매우 빠릅니다. 하지만 회로가 복잡하여 집적도*가 낮고, 값이 비싸다 보니 대용량으로 만들기는 어렵다는 단점이 있는데요. 때문에 그래픽카드 등 주로 소용량의 메모리로 사용됩니다.
*집적도: 1개의 반도체 칩에 구성되어 있는 소자의 수.
2) 그럼 롬(ROM)은 뭐죠?
앞서 책상을 램, 책을 정보에 비유했는데요. 우리가 자주 쓰지 않거나 책상에 올려두기 무거운 책들은 책장을 활용하죠? 책장은 책들을 넣어두고, 따로 정리하지 않는 이상 잘 치우지 않죠. 이렇듯 정보를 넣어두는 이 책장과 같은 메모리는 ‘Read Only Memory’, 롬이라고 합니다. 따로 지우지 않는 이상, 전력이 공급되지 않아도 정보가 사라지지 않는 특징을 가지기 때문에 비휘발성 메모리로도 불리죠.
대표적으로 컴퓨터 시스템의 기본 입출력 작업을 담당하는 입출력 시스템*이나 은행 ATM 기기를 이용할 때 사용되는 IC 카드* 등에 쓰입니다. 롬 안에서도 다양한 메모리가 있는데요. 그중 주목해야 될 것은 플래시 메모리입니다.
*입출력 시스템: 입출력 장치를 제어하는 프로그램으로, 보통 롬에 저장된다.
*IC 카드: Integrated Circuit Card의 줄임말로, 현금카드 등에 반도체 메모리 기억소자인 IC 메모리를
장착하여 대용량의 정보를 담을 수 있는 전자식 카드를 말한다.
■ 플래시 메모리(Flash Memory)
플래시 메모리는 전원을 끄면 저장된 정보가 사라지는 D램이나 S램과는 달리 전원이 꺼져도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성 메모리입니다. 데이터를 영구적으로 보존하는 롬(ROM)의 장점과 데이터를 고속으로 쓰고 지울 수 있는 램(RAM)의 장점을 모두 가졌다는 특징이 있죠. 주로 스마트폰, PC의 기억보조장치로 활용되며 사물인터넷(IoT), 빅데이터, AI의 발전과 함께 수요가 계속 늘어나고 있습니다. 또한 전력 소모가 적고 충격, 압력, 온도에 대한 내구성도 강해서 SSD(Solid State Drive, 반도체 기반 보조기억장치)에도 사용되죠.
플래시 메모리 안에서도 칩 내부의 회로 형태에 따라 NOR*과 NAND*로 구분되는데요. 이 중 기억해 둘 것은 바로 NAND(낸드, Nand Flash Memory)입니다. 낸드는 전원이 꺼지면 저장된 자료가 사라지는 D램이나 S램과 달리 전원이 없는 상태에서도 데이터가 계속 저장되는 플래시메모리를 말하는데요. 이런 특징 때문에 비휘발성 메모리라고 부르며 USB와 SSD로 사용되고 있습니다. 또한 메모리 반도체 시장의 43%를 차지하고 있죠.
*NOR (노어, Not OR): 데이터 저장 단위인 셀이 병렬로 배치돼 있는 코드 저장형 플래시메모리.
*NAND (낸드, Not AND): 데이터 저장 단위인 셀이 셀이 직렬로 배치된 데이터 저장형 플래시메모리.
출처: 서울경제, 2021.05.21
| 비메모리 반도체(=시스템반도체, System LSI*)란?
앞서 램을 설명드릴 때, 우리는 책장(롬)에서 책(정보)을 꺼내 책상(램) 앞에 앉아 읽는다고 예를 들었는데요. 그렇다면 책을 읽는 사람의 역할은 무엇일까요? 이 역할이 바로 비메모리 반도체입니다. 즉, 정보를 저장하는 용도로 사용되는 메모리 반도체와는 달리, 정보처리를 목적으로 제작된 반도체를 말합니다. ‘시스템 반도체’라고도 불리죠. 비메모리 반도체는 주로 전자제품의 두뇌 역할을 하는 칩으로 많이 사용되어 각종 전자기기에 필수적으로 들어가는데요.
모바일 기기의 중앙처리장치인 AP, 컴퓨터의 중앙 처리장치인 CPU, 디지털 신호를 처리하는 DSP, LED, 배터리의 전력을 효율적으로 배분하는 전력관리 칩 PMIC, 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 바꿔 주는 CMOS 이미지센서(CIS), 디스플레이 드라이버IC(DDI), 통신, 각종 센서 등 다양한 전자제품에서 핵심 역할을 담당하고 있기 때문에 회로가 복잡하고 종류가 매우 많습니다.
비메모리 반도체 시장은 전 세계 반도체 시장에서 70% 이상을 차지하고 있고, 우리나라 정부 또한 3대 육성 산업으로 비메모리 산업을 선정하기도 했을 만큼 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.
*LSI: 대규모 집적회로 또는 고밀도 집적회로.
반도체에 대한 이해에 도움이 조금 되셨나요? 반도체가 무엇인지 알았다면 이러한 반도체를 만드는 기업에 대해서도 많이 궁금하실 텐데요. 다음 시간에는 반도체 파헤치기 2편. 반도체 기업의 종류와 역할에 대해서 자세히 알아보겠습니다. 많은 기대 부탁드립니다.
생각하는 메모리 반도체 시대 활짝 메타버스·자율주행 앞당긴다
삼성전자 화성캠퍼스의 반도체 클린룸.
AI 반도체 사피온 X220의 모습.
SK하이닉스가 개발한 차세대 메모리 반도체 PIM이 적용된 ‘GDDR6-AiM’.
삼성전자의 차세대 반도체 HBM-PIM.
CPU 같은 중앙처리장치가 아닌 메모리 반도체가 직접 생각하고 연산하는 시대가 열렸다. 폭증하는 데이터 처리를 위해 반도체 업계가 메모리에 직접 인공지능(AI) 연산장치를 이식하는 도전에 나선 것이다.코로나19 팬데믹이 낳은 비대면 사회는 메타버스, 인공지능, 자율주행과 같은 데이터 중심의 시대를 앞당겼다. 전 세계에서 1년간 생산되는 데이터 양은 지난해 기준 44ZB(제타바이트)에서 2025년까지 4배가 넘는 180ZB로 폭증할 것으로 전망된다. 1ZB는 mp3 음원으로 281조5000억 곡을 저장할 수 있는 용량이며 데이터센터 1000개를 합친 크기다.데이터가 폭증하면서 반도체 산업에도 대전환이 요구되기 시작했다. 컴퓨터가 발명된 이래로 지금까지 프로세스는 중앙처리장치(CPU) 중심으로 이뤄졌다. 이를 처음 고안한 헝가리 과학자의 이름을 따서 ‘폰 노이만’ 방식이라고 부른다. 하지만 처리해야 하는 데이터가 폭발적으로 많아지면서 메모리와 중앙처리 사이에 병목현상이 발생하는 기술적 한계에 봉착했다.반도체 업계는 이를 극복하기 위해 메모리에 직접 AI 연산장치를 이식하는 도전에 나섰다. 국가로 비유하면 수도 중심의 중앙집권 방식에서 지방분권 형태로 진화하는 셈이다. 업계는 이 같은 기술력을 바탕으로 2022년이 폰 노이만의 시대를 넘어 차세대 반도체 시대가 열리는 원년이 될 것으로 보고 있다. 연산 속도 향상에 퀀텀점프가 일어나면서 자율주행이나 메타버스와 같은 미래 산업 대중화에 가속도가 붙게 됐다. 물론 효율성 면에서 메모리 반도체가 CPU나 GPU(그래픽처리장치)를 전면적으로 당장 대체하는 것은 쉽지 않을 것이나, 사물인터넷(loT)과 같은 비교적 데이터 교류가 단순한 분야들부터 충분히 대체 활용이 가능할 수 있다는 게 전문가들의 전망이다.시장조사 업체 가트너에 따르면 현재 AI 반도체를 개발하는 회사는 전 세계적으로 50곳 이상이다. 또 AI를 활용한 신사업 확장으로 AI 반도체 매출은 2020년 230억달러(약 28조원)에서 2025년 700억달러(약 86조원)로 늘어날 것으로 전망된다.PIM은 기존 메모리 반도체에 AI 프로세서를 탑재한 반도체다. 메모리 안에 연산 기능을 하는 프로세서가 들어 있다고 해서 ‘PIM(Processing In Memory)’으로 불린다. 메모리 내부에서 CPU의 일부 연산 처리가 가능하도록 만들었기 때문에 데이터 처리 속도가 보다 빨라질 수 있다. CPU와 메모리 간 데이터 이동이 줄어들어 에너지 효율도 늘릴 수 있다.PIM 개발 이전에는 일반적으로 하나의 시스템에 입력된 데이터가 휘발성 메모리 D램에 임시 저장되고, D램은 프로세서의 데이터 처리 속도에 맞춰 저장한 데이터를 전송하는 방식으로 움직였다. 이후 프로세서는 전송받은 데이터를 처리하고, 결과를 출력하거나 다시 비휘발성 메모리에 전송해 저장하도록 한다. 과거에는 하나의 시스템에 메모리 반도체와 프로세서가 별도로 탑재됐다. 따라서 메모리와 프로세서 간 데이터 전송을 해야 했는데, 그 과정에서 데이터 처리 시간이 지연되고, 전력 손실이 일어났다.이를 극복한 PIM 기술은 대규모 데이터를 처리하거나 실시간으로 데이터를 출력해야 하는 AI, 데이터센터, 고성능 컴퓨팅 등에 적용될 수 있을 것으로 전망된다. 해당 분야에서는 연산 특성에 최적화된 기술이 필요한데, PIM 기술이 이를 극복하는 데 도움이 된다.이 기술이 처음 제안된 것은 50년 전인 1970년까지 거슬러 올라간다. 오랫동안 기술력의 한계로 ‘꿈의 기술’처럼 받아들여졌다. 오랜 기간 개념으로만 남아있던 이 기술은 국내 연구진들의 집념으로 마침내 상용화되는 데 성공했다.SK하이닉스는 연산 기능을 갖춘 차세대 메모리 반도체 PIM을 개발했다고 최근 밝혔다. SK하이닉스는 전통적인 반도체 개념을 극복, 메모리도 연산을 할 수 있는 차세대 스마트 메모리를 꾸준히 연구했고 결국 PIM 개발에 성공했다. SK하이닉스는 PIM 개발 성과를 최근 미국 샌프란시스코에서 열리는 반도체 분야 세계 최고 권위 학회 2022 국제 고체회로 학술회의(ISSCC)에서 공유했다. 이 자리에서 SK하이닉스는 PIM이 연산과 저장을 모두 담당하는 ‘메모리 센트릭 컴퓨팅’ 시대를 열 수 있다는 전망도 제시했다.SK하이닉스는 PIM이 적용된 첫 제품으로 ‘GDDR6-AiM’ 샘플을 개발했다. 이 샘플은 초당 16Gbps(기가비트) 속도로 데이터를 처리하는 GDDR6 메모리에 연산 기능이 더해진 제품이다. SK하이닉스는 일반 D램 대신 이 제품을 CPU·GPU와 탑재하면 특정 연산의 속도가 최대 16배까지 빨라진다고 강조했다. 상용화되면 머신러닝과 고성능 컴퓨팅, 빅데이터의 연산·저장 등에 활용될 것으로 전망된다. 특히 기존 제품 대비 에너지 소모가 80%가량 줄어들어 탄소 배출을 저감할 수 있다고 SK하이닉스는 설명했다. SK하이닉스는 최근 SK텔레콤에서 분사한 AI 반도체 기업인 사피온과 협력해나갈 예정이다.SK그룹의 반도체 사업은 SK하이닉스를 중심으로 움직인다. 이런 체제에서 SK텔레콤이 AI 반도체 개발 업체 ‘사피온’을 새로 만들어 독립시켰다. 그룹 내 반도체 사업은 투 트랙으로 나눠진 셈이다. 이런 투 트랙 전략은 메모리 반도체 중심의 SK하이닉스가 비메모리 반도체의 일종인 AI 반도체 개발까지 전담하기 어려운 까닭에 만들어지게 됐다. 업계는 두 회사의 시너지를 기대하고 있다. AI 반도체의 연산 기능을 받쳐주려면 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 고도의 메모리 반도체 기술이 필수다. SK하이닉스가 최근 개발한 PIM 기술이 사피온의 AI 반도체 성능을 증강시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.SK하이닉스는 D램과 낸드플래시로 대변되는 메모리 반도체 사업을 영위하는 데 반해 사피온은 비메모리로 분류되는 AI 반도체 설계전문회사(팹리스)다. 팹리스는 생산시설이 없는 회사라 반도체를 제작하려면 파운드리(위탁생산)를 맡겨야 한다. 그런데 AI 반도체는 주로 12인치 웨이퍼(반도체 원판)가 필요한 반면 SK하이닉스는 8인치 웨이퍼만 파운드리를 하고 있다.SK하이닉스가 있음에도 불구하고 사피온이란 새로운 반도체 계열사를 설립한 이유다. 메모리 반도체에 특화돼 있는 SK하이닉스의 사업구조나 설계 노하우, 생산 공정을 단번에 비메모리로 바꿀 수 없는 만큼 사피온을 신설해 그룹의 반도체 사업을 투 트랙으로 전개하게 됐다.SK하이닉스가 적극적인 미래 반도체 PIM 개발 드라이브에 나서자 또 다른 반도체 산업의 축인 삼성전자도 잰걸음을 하고 있다. 원래 PIM 분야의 선두주자는 삼성이다. 삼성전자는 PIM 기술을 서버나 데이터센터의 AI 가속기에 탑재되는 고대역폭 메모리 반도체인 ‘HBM2(High Bandwidth Memory)’에 이식해 ‘HBM-PIM’ 제품을 만드는 데 성공했다. AI 가속기란 AI를 실행하기 위한 전용 하드웨어를 의미한다. 미국 시장조사기관 트랙티카에 따르면 2017년 16억달러였던 AI 가속기 시장 규모는 2025년 663억달러에 이를 것으로 전망된다.삼성전자에 따르면 HBM-PIM을 탑재할 경우 기존 HBM2를 이용한 시스템 대비 성능은 약 2.5배 높아지고 시스템 에너지는 60% 이상 감소한다. 신제품을 설치하기 위해 별도로 기존 설비를 교체하거나 업그레이드할 필요도 없기 때문에 양산이 시작되면 빠르게 시장을 대체할 것으로 기대된다.김남승 삼성전자 메모리사업부 DRAM 개발실 전무는 “HBM-PIM은 업계 최초의 인공지능 분야 맞춤형 메모리 솔루션으로 고객사 AI 가속기에 탑재돼 평가받고 있어 상업적 성공 가능성이 보인다”며 “향후 표준화 과정을 거쳐 차세대 슈퍼컴퓨터와 온디바이스 AI용 모바일 메모리 및 데이터센터용 D램 모듈로 확장할 예정”이라고 밝혔다.실제로 삼성전자는 고가 시장인 고대역폭 메모리를 넘어서 D램과 모바일 분야에까지 PIM 기술 도입을 확대하고 있다. PIM이 모바일 D램과 결합하면 클라우드 서버를 거치지 않고 휴대폰이 독자적으로 정보를 처리하는 온 디바이스 AI 성능이 크게 향상된다. 시범적용해 본 결과 음성 인식이나 번역, 챗봇 등 프로그램을 수행할 때 2배 이상 성능이 향상되고 60% 넘게 에너지가 감소되는 것으로 확인됐다.삼성전자는 반도체 분야의 세계 최고 권위 학회인 ISSCC에서 논문을 공개한 뒤 국제표준협회와 함께 표준화 작업을 진행 중이다. 이를 바탕으로 올해부터 본격적으로 SAP 등 고객사들과 협업해 시장 규모가 확보되면 바로 양산에 나선다는 목표다.PIM의 시대가 도래함에 따라 국내뿐 아니라 글로벌 기업들도 기술 개발과 활용 방안 마련에 박차를 가하고 있다. 세계 D램 시장점유율 3위인 미국 마이크론은 삼성전자와 SK하이닉스에 이어 PIM을 개발하고 있는 것으로 알려졌다. 반도체 제조사와 별개로 앞서 글로벌 빅테크 기업들도 PIM에 대해 개념적으로 접근해왔다. 구글은 2018년 논문으로 컨슈머 기기에 PIM을 도입하는 방식을 제시했고, 페이스북은 2018년 논문을 통해 D램에서 연산을 수행하는 형태의 딥러닝 알고리즘을 제안한 바 있다.반도체 업계 리더들도 PIM을 미래 반도체의 핵심으로 규정하고 있다. 이석희 하이닉스 사장은 지난해 세계반도체연합 콘퍼런스에서 “반도체, 메모리가 분리된 ‘폰 노이만’ 구조에서는 메모리 전력 소비량이 전체 63%를 차지할 만큼 메모리의 전력 효율성 해결이 과제로 떠오르고 있다”면서 “‘메모리 센트릭’ 시대가 다가오는 가운데, 각종 연산 장치와 메모리가 융합된 새로운 장치로 효율성 문제에 대응해야 한다”고 주장했다.그는 포스트 폰 노이만 아키텍처의 구체적 예시로 ‘컴퓨팅 인 메모리(CIM)’를 들었다. 그는 CPU와 메모리를 한 개 모듈로 묶는 PIM을 시작으로 CPU와 메모리가 아예 한 개의 큰 판 안에서 융합적으로 움직이는 CIM의 시대가 올 것이라고 말했다. 이 사장은 “앞으로 CPU와 메모리 융합 움직임이 가파르게 진행될 것”이라고 강조했다.이 사장은 이를 위해 앞으로 반도체 관련 회사들 간 협력이 상당히 중요해질 것이라고 설명했다. 반도체 기능 개선에만 집중한다면 칩 메이커와 협력사 간 수직적인 관계 형성이 효율적이지만, 미래 반도체 시대에서는 상호 협력을 기반으로 한 합종연횡이 필수적이라는 설명이다.[오찬종 매일경제 산업부 기자][본 기사는 매경LUXMEN 제139호 (2022년 4월) 기사입니다][ⓒ 매일경제 & mk.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지]
[반도체 용어 사전] 메모리 반도체 – 삼성반도체이야기
메모리 반도체
[Memory Semiconductor]정보(Data)를 저장하는 용도로 사용되는 반도체.
메모리 반도체에는 정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽거나 수정할 수 있는 램(RAM, 휘발성)과 기록된 정보를 읽을 수만 있고 수정할 수는 없는 롬(ROM, 비휘발성)이 있다.
정보 저장방식에 따라 램(RAM)에는 D램과 S램 등이 있으며, 롬(ROM)에는 플래시 메모리 등이 있다.
메모리 반도체는 말 그대로 기억장치이므로, 얼마나 많은 양을 기억하고(대용량) 얼마나 빨리 동작할 수 있는가(고성능)가 중요하다. 또한 최근 모바일 기기의 사용과 그 중요도가 높아지면서 메모리의 초박형과 저전력성 역시 중요해지고 있다.
※ 메모리 반도체의 종류
지구 온도를 낮추는 저전력 메모리 반도체
데이터센터에서 데이터를 보관하는 장치는 HDD(Hard Disk Drive)와 SSD(Solid State Drive)입니다.
SSD는 낸드플래시에 데이터를 저장하는 장치인데요. 낸드플래시는 전원이 꺼져도 저장한 정보가 사라지지 않는 메모리 반도체입니다.
SSD는 HDD에 비해 성능이 뛰어나면서 소비 전력은 절반 수준인 장점이 있습니다.
삼성 SSD는 데이터센터에서 요구하는 성능, 전력 효율, 보안 등을 최고 수준의 솔루션으로 제공합니다.
특히 전력 효율이 업계 최고 수준으로 높아 데이터센터의 운영 비용을 절감할 수 있고, 탄소 저감 효과도 기대할 수 있습니다.
메모리 반도체 분야에서의 새로운 기회와 도전
데이터 폭증, 메모리 반도체 분야에 열린 새로운 기회
2020년 처리된 데이터의 양은 약 59제타바이트(Zetabyte)1)로, 최근 몇 년간 ICT 사회에서 생성되는 데이터의 양이 폭발적으로 증가하고 있다. 특히 코로나19로 인해 재택근무, 화상회의, 스트리밍 등의 서비스가 전 세계적으로 급증함에 따라 데이터 사용량이 더 늘었다. 향후 5년 동안 인공지능(AI), 자율주행, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 등의 ICT 기술을 우리 일상에 적용하기 위해 지금 수준의 3배가 넘는 데이터가 생성될 것으로 예상된다.
1) 제타바이트(Zetabyte): Zeta는 10해(10의 21승)를 의미하는 수의 단위. Byte는 데이터의 크기를 표현하는 단위. 킬로바이트(KB), 메가바이트(MB), 기가바이트(GB), 테라바이트(TB), 페타바이트(PB), 엑사바이트(EB), 제타바이트(ZB) 순으로 단위가 점점 커지며, 단위가 바뀔 때마다 데이터의 크기가 1,000배씩 증가함.
SK하이닉스의 신기술 발굴 및 개발을 주도하고 있는 RTC 나명희 담당이 ISC 2021 패널토론에서 발표한 바에 따르면, 10년 내 메모리 대역폭 수요는 8배, 용량 수요는 5배 증가할 전망이다.
이러한 엄청난 양의 데이터를 처리하기 위해서는 데이터 센터와 엣지 디바이스(Edge Device)에서 컴퓨팅 성능, 전력, 비용 등이 끊임없이 개선돼야 한다. 데이터의 폭발적인 증가로 메모리 성능과 용량에 대한 수요가 급증하면 ‘메모리 벽(Memory Wall)’2)도 극에 달할 것이다.
2) 메모리 벽(Memory Wall): CPU와 CPU 칩 외부 메모리 사이의 속도 차이.
‘메모리 벽’을 허물 차세대 메모리 반도체 기술은?
DRAM과 NAND는 지금까지 “확장성(Scalability)을 확보해 달라”는 고객의 요구에 보조를 맞춰 발전해왔으며, 이 추세는 앞으로도 계속될 것으로 보인다. 최근 수십 년 동안 DRAM과 NAND를 대체할 수 있는 새로운 기술을 개발하기 위한 다양한 시도가 있었지만, 아직 이를 대체할 수 있는 기술은 등장하지 않았다. 특히 앞으로는 메모리 반도체 용량과 성능에 대한 수요가 예측하기 어려울 정도로 증가할 전망이어서, 메모리 반도체 기술을 더욱 발전시켜야만 새로운 기회를 창출할 수 있다.
메모리 반도체 계층의 성능 격차를 해소하기 위한 방법으로 스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory, SCM)3) 개념이 도입됐다. 상변화 메모리(Phase-Change RAM, PCRAM)4)는 SCM의 가능성을 처음으로 실현한 대표적인 예다.
또한 컴퓨팅 프로세서와 메모리 반도체 사이의 벽을 허물기 위한 노력으로, 내장형(Embedded), 독립형(Standalone) 솔루션 등 여러 방식이 동원됐다. 이러한 솔루션은 다양한 분야에 적용될 수 있겠지만, 새로운 메모리 반도체 기술을 도입하기 위해서는 항상 고품질의 메모리 반도체 재료와 그 재료 간 적절한 비율의 결합이 필요하다.
3) 스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory): NAND처럼 고용량/비휘발성 속성을 제공하면서 동시에 DRAM처럼 고속으로 데이터를 처리하는 메모리.
4) 상변화 메모리(Phase-change RAM): 상변화 물질의 상태 변화로 인해 발생하는 저항의 차이를 활용해 1과 0을 인식시키는 방식으로 동작하는 메모리 반도체. 빠른 동작 특성과 비휘발성 등 장점을 두루 갖춰 차세대 메모리 반도체로 주목받고 있음.
이러한 측면에서 최근 몇 년 동안 새로운 메모리 반도체 재료 분야에 대한 기초 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 열린 2021 VLSI 기술 심포지엄의 발표에 따르면 가장 널리 연구되고 있는 것으로 알려진 세 가지의 신기술은 △강유전체 메모리(Ferroelectric Memory, FRAM) △STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) △ReRAM(Resistive RAM, RRAM)이다.
▶ 강유전체 메모리(FRAM)
강유전체 메모리(FRAM)는 외부 전기장에 의해 전환될 수 있는 두 개의 안정적인 강유전체 쌍극자를 사용하는 메모리다. 강유전체 재료는 캐퍼시터(Capacitor), 그리고 결합된 산화물층으로 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-oxide Semiconductor, 이하 CMOS) 게이트 스택(Gate Stack)에 데이터를 저장하는 요소가 될 수 있다.
특히 산화하프늄(HfO2)이 강유전성을 갖고 있다는 것이 발견돼 큰 주목을 받았다. HfO2는 CMOS 게이트 산화막(Gate Oxide)에 널리 사용되는 재료로, 빠른 속도와 비휘발성, CMOS 기술과의 손쉬운 통합성 덕분에 새로운 부가가치를 창출할 메모리 반도체 후보로 널리 연구되고 있다.
하지만 강유전체 메모리가 가진 내구성의 한계는, 메모리 반도체 계층 구조에서의 위치를 차지하는 데 가장 큰 걸림돌 중 하나가 될 것이다.
▶ STT-MRAM
STT-MRAM은 가장 주목받는 차세대 메모리 반도체 기술 중 하나다. 스핀-토크(Spin-Torque) 전달을 통해 전환 가능한 두 가지 안정적인 자화 상태(Magnetic State)를 사용하는 STT-MRAM은, 차세대 메모리 반도체 후보군으로 고려되는 다른 신기술에 비해 처리 속도가 매우 빠르며 내구성도 뛰어나다. 최근 STT-MRAM은 주로 사물인터넷(IoT) 엣지 디바이스용 내장 메모리 반도체로 연구되고 있다.
STT-MRAM은 저전력 특성을 갖고 있을 뿐 아니라, 백 엔드(Back End) CMOS 공정 기술에 쉽게 통합될 수 있어, 노어 플래시(NOR Flash)5)와 달리 프런트 엔드(Front End) 공정 아키텍처(Architecture) 변경과 관계없이 통합할 수 있다. 또한 매우 빠른 처리 속도 덕분에 최종 레벨의 캐시 메모리(Cache Memory)6)로 간주된다.
SOT-MRAM(Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory)은 읽기와 쓰기 경로를 분리하는 방식으로 내구성을 높여, 캐시 애플리케이션에 매력적인 옵션이 될 것이다. 이러한 유형의 메모리 반도체는 빠른 처리 속도와 우수한 내구성으로 데이터 센터 등 고성능 컴퓨팅 시스템의 메모리 반도체 계층을 구성할 좋은 후보가 될 수도 있다.
하지만 STT-MRAM 또는 SOT-MRAM이 고집적(High Density) 메모리 반도체로 채택되기 위해서는 비용과 집적도를 개선할 필요도 있다.
5) 노어 플래시(NOR Flash): 병렬 구조로 각 셀이 어드레스 라인과 데이터 라인으로 연결된 플래시 메모리. 필요로 하는 셀에 바로 접근할 수 있어 읽기 속도가 NAND보다 빠르지만, 회로가 복잡해 집적도를 높이기 어렵고 전력 소모도 큼.
6) 캐시 메모리(Cache Memory): 주 기억장치와 중앙처리장치(CPU) 사이에서 데이터와 명령어를 일시적으로 저장하는 고속 메모리.
▶ ReRAM(RRAM)
앞서 언급한 바와 같이 고용량(High Capacity) 메모리 반도체의 공정 집적화 솔루션은 반도체 기술의 기본 단위 중 하나다. 따라서 고용량 메모리 반도체로 채택되려면 최소 10년 이상의 추가 확장성을 보장해야 한다. 평면 타입의 적층 기술(2D Scaling)이 이미 물리적 한계에 직면해 있다는 점을 고려할 때, 새로운 3D 입체 타입의 적층 기술(3D Stacking)은 메모리 계층 구조 안에서 고밀도 메모리 반도체를 구성하는 ‘게임 체인저(Game Changer)’가 될 수 있다.
컴퓨팅 프로세스를 메모리 어레이(Memory Array)로 가져오는 인메모리 컴퓨팅(In-Memory Computing)도 컴퓨팅 에너지와 성능을 향상하기 위한 좋은 메모리 반도체 솔루션이 될 것이다. 데이터가 메모리 반도체에서 컴퓨팅 프로세서(Computing Processor)로 전송될 때 주로 처리 시간이 지연되고 에너지가 소비되기 때문이다.
인공지능(AI)을 활용한 여러 작업에서는 덧셈과 곱셈을 수없이 반복해, 기존 컴퓨팅 방식과 메모리 아키텍처를 사용하면 비효율적이다. 반면, 인메모리 컴퓨팅을 활용하면 행렬 곱셈도 옴의 법칙(Ohm’s law)7)과 키르히호프의 법칙(Kirchhoff’s Rule)8)을 활용해 메모리 어레이 내에서 수행할 수 있다.
7) 옴의 법칙(Ohm’s Law): 전류의 세기는 두 점 사이의 전위차에 비례하고, 전기저항에 반비례한다는 법칙.
8) 키르히호프의 법칙(Kirchhoff’s Rule): 독일의 물리학자 G. R. Kirchhoff가 발견한 법칙으로, ‘노드(node)로 들어오는 전류와 흘러나가는 전류는 같다’로 정의되는 ‘전류의 법칙’과, ‘닫힌 고리에서 모든 전압을 더했을 때 0이 된다’로 정의되는 ‘전압의 법칙’이 있음.
이러한 인메모리 컴퓨팅을 구현하기 위해 다양한 유형의 새로운 메모리 반도체에 대한 연구가 진행되고 있다. 그중 ReRAM은 하나의 셀에 여러 층을 저장하는 데 더 적합하다. 이 기능은 인메모리 컴퓨팅 에너지와 비용의 효율성 측면에서 필수적인 만큼, 다양한 후보군 중 ReRAM은 높은 경쟁력을 가지고 있는 것으로 판단된다.
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