속도 빠르고 수익성 좋은 2.5D 패키지 뜬다

메모리 중심 컴퓨팅, 스토리지 클래스 메모리 등 이슈 6가지
  • 2017년 11월호
  • 신윤오 기자, yoshin@elec4.co.kr

2018년 1분기까지 특별한 공급 증가 이슈가 없기 때문에 양호한 메모리 수급은 지속될 가능성이 높다.

메모리 반도체의 양호한 수급이 지속되는 가운데 향후에도 메모리 중심의 컴퓨팅과 스토리지 클래스의 메모리가 강세를 보일 전망이다.
지난달 18일, 한국반도체산업협회 주최로 열린 반도체시장전망세미나에서 발표에 나선 도현우 연구위원은 이 같이 밝히고 최근 주목하고 있는 이슈 6가지를 제시했다.

우선 메모리 반도체의 양호한 수급이 지속된다. D램은 2016년 초부터 이어진 업체들의 케파 투자 자제와 서버향 수요 호조로 인해 가격 상승세가 이어지고 있다. 낸드는 올 3분기 가동이 시작된 평택 3D 낸드 팹으로 수급이 소폭 둔화되었지만 최근 아이폰X 수요 발생 등으로 가격 상승이 다시 시작됐다.

2018년 1분기까지 특별한 공급 증가 이슈가 없기 때문에 양호한 메모리 수급은 지속될 가능성이 높다. 2018년 연간 D램 수급은 양호할 전망이며 낸드 수급은 SK하이닉스와 도시바 등의 3D 낸드 공급 증가로 변수가 있다.

두 번째 이슈로 메모리 중심의 컴퓨팅이 가속화되고 있다. HPE가 공개한 2017년 3월 메모리 중심 컴퓨팅 구현을 위한 프로토타입 서버(The Machine)는 노드 40개, 메모리 풀 160TB에 세계에서 가장 큰 단일 메모리 시스템이다. The Machine은 다른 보드와 결합해서 한 번에 수 TB의 메모리에 액세스할 수 있으며 보드는 포토닉스를 통해 연결된다. HPE는 The Machine이 특정 연산에선 기존 서버 대비 1,000배 이상 속도를 낼 수 있다고 주장했다.

전통적인 컴퓨터 시스템은 프로세서 중심으로 프로세서 주변에 계층화된 RAM과 플래시, HDD 등이 위치하고 이들이 서로 통신하면서 필요한 정보를 가지고 있는 장치를 파악하는 구조이다. 프로세서가 자체 메모리에 의존하기 때문에 다른 서버와 통신할 때 많은 병목 현상이 발생하며 메모리와 스토리지 간 데이터 입출력에서도 많이 지연된다는 단점이 있다.

이에 반해 메모리 중심의 컴퓨팅은 CPU, FPGA, GPU, DRAM, SSD 등을 모두 분리해 묶어 놓아 거대한 공유 메모리 풀을 만들었다. 이 메모리 풀에서 데이터를 처리하면 시스템의 다른 부분에 데이터를 전송할 필요가 없다. 메모리 풀 시스템의 모든 프로세서가 병렬로 액세스할 수 있으며 노드 간 통신은 포토닉스 등을 활용한다.

도 위원은 세 번째 이슈로 QLC(quadruple-level cell)를 들었다. 보통 낸드플래시는 하나의 셀 안에 몇 개의 비트를 기록할 수 있는 지에 따라 SLC, MLC, TLC 등 세 가지로 나눈다. SLC(Single Level Cell)은 하나의 셀 안에 하나의 비트만 기록하기 때문에 비교적 간단한 방식으로 전력 소모량, 안정성, 속도에서 우수하지만 생산비용이 비싼 단점이 있다.

MLC(Multi Level Cell)는 하나의 셀에 2비트를 기록하며 TLC(Tripel Level Cell)는 하나의 셀에 3비트를 기록할 수 있다. 하지만 1개 셀에 많은 비트를 기록할 수 있는 게 아니다. 플로팅게이트 안의 전자 수를 확인해야 하며, 쓰는 과정에 있어서도 전자를 넣는 복잡한 과정이 필요하다. 그래도 SLC의 높은 생산 비용 때문에 MLC와 TLC를 개발하는 데 초점을 맞추고 있다. 여기에 나아가 하나의 셀에 4비트를 기록하는 QLC도 개발 중이지만 읽기/쓰기 수명이 100회에 불과해 양산 적용이 힘들다는 의견이 지배적이었다.

그런데 FMS 2017에서 도시바와 삼성전자가 제품을 공개하며 시장의 관심을 모으고 있다. 도시바는 올 연말부터 상업 생산을 하겠다고 공언했으며 실리콘모션, 퓨어스토리지 등의 기업이 QLC를 위한 ECC에 대한 자료를 발표하기도 했다.

네 번째 이슈는 스토리지 클래스 메모리다. 작년에 이어 올해도 FMS에서 주요 주제 중 하나로 스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory)가 거론됐다. 머신러닝 등 새롭게 부각하는 수요가 SCM 수요를 창출하고 있는 것이다. 메모리 중심 컴퓨팅에서도 SCM은 필수이기 때문에 업계에서는 D램 가격 급등이 SCM에 대한 수요 창출을 가속화시킬 것으로 예상하고 있다.


HBM, 일반 D램 대비 훨씬 고부가가치 제품으로 부각

다섯 번 째 이슈는 최근 업계에서도 큰 관심을 쏟고 있는 2.5D 패키지와 HBM이다. 2.5D 패키지는 CPU나 GPU와 같은 로직 반도체와 메모리를 1개의 패키지로 묶은 것으로 여기에 들어가는 D램을 HBM(High Bandwidth Memory)라고 부른다. 2.5D 패키지의 장점은 속도다. 기존 패키지들은 칩 간 데이터 전송 시 병목 현상이 심하기 때문이다. HBM은 GDDR5 대비 3배 이상의 와트 당 대역폭을 제공한다. 최근 머신러닝 등의 수요로 2.5D 패키지와 HBM이 크게 부각되고 있으며 AMD의 라데온 베가 그래픽카드, 엔비디아의 테슬라 P100, 인텔 제온파이 등에 탑재됐다.

HBM은 일반 D램 대비 훨씬 고부가가치 제품으로 업체들의 수익성에 도움이 될 것으로 보인다. 2.5D 패키지는 TSV(Through Silicon Vias)와 실리콘 인터포저가 가장 중요하다. TSV는 와이어 없이 층 중간에 구멍을 뚫고 구리 등 배선 물질을 채워서 위 아래의 칩이 통신하기에 속도가 매우 빠르다. TSV는 칩에 구멍을 뚫는 기술이 중요하다. 칩에 손상을 최소화하면서 구멍을 뚫을 수 있는 식각 장비가 필요한 이유다.

식각 과정이 정밀하고 칩에 손상이 없어야 하는 반면 공정속도가 빨라야 한다. 도쿄일렉트론 등이 장비 개발에 적극적이다. 실리콘 인터포저는 2.5D 패키지에서 로직 반도체와 D램 칩을 올려놓는 기판으로 PCB를 대체하는 새로운 부품이다. 현재 2.5D 패키징을 주도적으로 하고 있는 회사는 대만의 SPIL, TSMC, STATS ChipPAC 등이다. 2.5D 패키지 후공정 장비도 매우 중요한 분야인데 국내에서는 한미반도체, 테스 등이 관련 장비를 제조하고 있다.

300mm 팹 12개 건설하는 중국의 기술 수준

마지막으로 도 위원은 중국에 대한 이슈를 꼽았다. 중국에서 현재 건설 중이거나 계획 중인 300mm 팹은 12개로 주요 분야로 메모리 팹 3개, NAND 1개, D램 2개 등이다.

YMTC가 낸드 팹 1개를 건설 중이고 D램은 JHICC와 Rui-LI가 투자하고 있다. FMS 2017에서 발표자들은 중국 메모리업체들의 기술력이 삼성전자, SK하이닉스 등 빅 플레이어와 난야, 윈본드 등 니치 플레이어들의 중간 수준일 것으로 예상했다. 이들 중국 업체들은 2018년 하반기 양산을 시작, 장비 발주는 2018년 상반기에 진행될 것으로 보인다. 중국내 엔터프라이즈 SSD 시장은 5%에 불과하며 올 플래시 스토리 시장도 3.7%에 못 미친다. 하지만 스토리지 시스템 수익이 전년대비 37.7%에 이르고 엔터프라이즈 IT 소비도 전년대비 11% 성장할 것으로 예상된다.  

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