최근 D램을 대신할 낸드 플래시에 대한 투자가 크게 늘고 있다. 이는 4차 산업혁명에 따른 것이며, HDD를 SSD가 대체하고 있는 것과 함께 스마트폰의 용량과 듀얼 카메라의 채택 증가에 기인한다. 메모리 반도체 업체들은 언젠가 다가올 낸드 플래시의 한계에 대비해 차세대 메모리 개발에도 박차를 가하고 있다.
반도체 업체들은 2015년 하반기부터 하향세로 접어든 D램을 대신해 낸드(NAND) 플래시로 눈길을 돌리고 있다.
시장조사 기관인 IHS에 따르면, 세계 반도체 업계의 올해 낸드 시장 투자액은 130억 달러(14조 8,300억 원)로 D램의 118억 달러(13조 4,500억 달러)를 넘어섰다. 2017년에는 격차가 더 벌어질 전망이다. 2017년 낸드 투자액은 142억 달러(16조 2,000억 달러), D램 투자액은 116억 7,500만 달러(13조 3,200억 달러)로 전망되고 있다. JP모건은 2017년 낸드 시장이 337억 달러로 D램(332억 달러)을 넘어설 것으로 전망했다.
이러한 낸드 시장의 약진은 4차 산업혁명에 따라 인공지능, 자율주행, 로봇, 헬스케어, VR/AR, 스마트홈 등이 확대됨에 따라 서버에 대한 투자 확대와 저장 메모리 수요의 증가가 예상되기 때문이다. 여기에 기존 데스크톱 저장장치인 HDD를 SSD가 대체하는 추세여서 3D 낸드 시장이 급성장하고 있다.


2017년 삼성 64단, SK하이닉스 72단 3D 낸드 출시 예정

삼성전자는 현재 조성 중인 경기도 평택 반도체 공장에 15조 원을 투입할 계획이며, 지난 3월에는 중국 시안에 3D 낸드 생산 설비를 증설했고 경기도 화성 16라인 일부를 3D 낸드로 전환했다. 여기에 평택공장의 완공과 화성 17라인에 3D 낸드 생산이 추가될 경우 삼성전자의 3D 낸드 플래시 웨이퍼 생산능력은 현재의 두 배인 월 32만 장까지 증가하게 된다.
삼성전자의 물량 공세는 경쟁사들이 양산체제를 갖추기 전에 물량을 확보해 시장에서의 주도권을 지키겠다는 의미가 담겨 있다. 삼성전자는 2013년 세계 최초로 32단 3D 낸드 플래시를 양산한데 이어, 2015년 말에는 48단 개발에 성공, 양산을 시작했다. 2017년에는 64단 3D 낸드 플래시를 선보일 계획이다.
SK하이닉스는 11월 말부터 48단 3D 낸드 플래시 메모리를 양산할 계획이다. 이는 삼성전자에 이어 두 번째로 양산하는 것이다. SK하이닉스가 본격적으로 3D 낸드 플래시 메모리를 양산하게 되면, 생산규모가 월 1만 장에서 2~3만장으로 증가하며, 자체 낸드 생산량에서 3D 낸드 플래시의 비중이 10% 중반으로 늘어나게 된다. 또한 SK하이닉스는 2017년 하반기부터 양산을 목표로 72단 3D 낸드 플래시를 개발 중이다. 72단 3D 낸드 양산을 위해 지난해 8월에 완공한 경기도 이천의 M14 2층을 3D 낸드 전용 라인으로 구축하기로 하고 현재 클린룸을 만들고 있는 것으로 알려졌다.
 
3D 낸드 플래시의 수요 급증은 스마트폰과 SSD에 기인한다. 최근 출시된 아이폰7의 경우, 32 GB, 128 GB에 이어 최초로 256 GB의 대용량 모델이 출시됐다. 용량 부족 문제로 불만이 제기됐던 16 GB 모델은 아예 출시하지 않았다. 삼성전자도 지난 8월 갤럭시노트7 미디어데이 행사에서 중국에서 128 GB 모델 출시를 검토한 바 있었다. 실제로 128GB 모델은 출시되지 않았으나 삼성전자도 대용량 스마트폰을 선호하는 소비자의 욕구를 파악하고 있음을 알 수 있는 대목이었다.
스마트폰의 용량 측면뿐 아니라, 듀얼 카메라가 탑재된 스마트폰이 출시됨에 따라 3D 낸드 플래시 메모리의 수요 증가는 당연할 것으로 보인다.
SSD는 HDD보다 빠르고 안정성이 뛰어나며 발열과 소음 측면에서도 우수하다. 또한 소형화와 경량화가 가능한 반면 속도는 HDD보다 10배, 소비전력은 10분의 1 수준이다. 유일한 단점이었던 가격경쟁력 부분도 해결됐다. 2012년 SSD는 HDD 대비 약 6배가량 비쌌지만, 올해는 2.8배 수준까지 간극이 좁혀졌다. 이는 2D 낸드가 3D 낸드로 전환되면서 집적도가 높아져 원가가 하락하고 있어서다. 연평균 30%씩 가격이 하락하고 있는 추세여서 현 상태라면 3년 내에 SSD는 HDD와 가격 면에서 비슷한 수준에 도달할 것으로 예상된다.


인텔 vs. Gen-Z

지난해 7월, 1985년 이후 메모리 반도체 사업을 접었던 인텔이 다시 시장에 뛰어들겠다고 발표하면서 3D 크로스 포인트(3D XPoint)라는 신규 메모리 기술을 제시했다. 인텔의 3D 크로스 포인트는 셀 위아래에 가로와 세로로 엇갈리는 금속회로가 깔리고, 이 교차점마다 0과 1신호를 담는 메모리 셀과 메모리 셀렉터가 탑재돼 각각의 주소를 갖게 된다. 작동원리와 공정, 소재 등에 대해서는 밝혀진 바 없으나 이론적으로 기존의 낸드 플래시보다 1,000배 빠르고 D램보다 10배 많은 용량을 집적할 수 있으며 D램과 달리 전원을 꺼도 저장된 기억이 날아가지 않는다는 것이 장점이다.
3D 크로스 포인트는 차세대 메모리라 불리는 SCM(Storage Class Memory)의 한 종류로, D램과 낸드의 장점을 동시에 보유한 메모리 반도체다. 3D 크로스 포인트는 집적도가 D램보다는 우위이지만 낸드보다는 열위이고, 속도는 낸드보다 우위이지만 D램보다 열위에 있다. 이는 3D 크로스 포인트 이외의 대부분 차세대 메모리가 가지는 특성이다.
 
SCM은 단기적으로 프리미엄 서버 시장에서 메모리, 스토리지 사이의 병목현상을 해소할 버퍼 메모리 역할로 시장에 등장할 전망이며,중장기적으로 D램과 낸드를 대체해 나갈 것으로 전망된다.
최근 SCM이 반도체 시장에서 관심을 모으고 있는 이유는 IT 시장에서 데이터 트래픽이 방대하게 발생하고 있고, 향후 서버나 데이터센터가 기하급수적으로 증가할 것으로 예상되는 가운데 CPU와 메모리, 스토리지 속도 관련 성능 격차가 점차 확대되고 있어서다. 이러한 성능 격차를 해소하기 위한 SCM이 비휘발성 저장 능력을 보유하면서도 빠른 속도 구현이 가능하다면 충분히 시장가치가 있을 수 있다. 인텔의 3D 크로스 포인트에 의한 시장규모는 2018년 10억 달러에서 2020년 20억 달러로 예상된다.
물론 차세대 메모리에는 SCM만 존재하는 것은 아니다. 반도체 업계는 인텔의 공세를 사전에 차단하기 위해 다양한 SCM을 연구하고 있으며, 인텔을 제외한 주요 반도체 기업들이 참여한 Gen-Z 컨소시엄을 출범시켰다. Gen-Z에는 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론, 웨스턴디지털, 씨게이트, IBM, HPE, 델, 레노버 등이 참여하고 있다. Gen-Z는 공개표준을 만들어 새로운 형식의 메모리가 프로세서나 하드웨어에 일관성 있게 소통할 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있다.
이에 대해 교보증권의 최도연 애널리스트는 “Gen-Z는 메모리, 스토리지, 프로세서가 별도 분리되어 있는 미래 데이터센터를 지원할 것으로 기대된다. 현재 서버는 스토리지, 메모리, 프로세서가 한 장비에 구성되어 생기는 제약이 발생할 수 있다”며 “현재 인텔의 서버 시장 CPU 시장 점유율이 90%에 이르고 있다는 점을 감안할 때 인텔의 시장 장악력이 Gen-Z의 시장 형성을 막을 수도 있겠지만 메모리, 스토리지, 서버 업체들 입장에서는 인텔의 시장 장악력을 약화시키기 위한 중요한 기술로 활용할 수 있다”고 분석했다.

2020년 차세대 메모리 주인공은? 
차세대 메모리는 SCM 이외에 STT-M램(STT-MRAM), P램(PCRAM), Re램(ReRAM), F램(FRAM) 등이 존재한다.
M램은 스핀 의존 전기전도에 의해 생기는 강자성 터널 자기저항 효과 소자를 이용해 저항에 따라 0과 1로 정보를 구분한다. 비휘발성이기 때문에 전원이 끊겨도 정보를 잃지 않으며, D램보다 저장용량을 10배 이상 늘릴 수 있고 소비전력 역시 3분의 2 가까이 줄일 수 있다.
특히 SST-M램은 데이터 입출력 속도가 빠르고 소자의 집적도가 높으며 소비전력이 낮아 향후 D램의 대체 메모리로 주목받고 있다.
P램은 상(相) 변화 물질에 전류를 가하면 물질의 일부가 결정질에서 비결정질로 변하고, 이에 다른 저항 차이를 이용해 0과 1로 정보를 구분한다. 보통 재료는 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 텔루늄(Te) 등이 결합된 게르마늄 안티몬텔룰라이드(Ge₂Sb₂Te₅, GST)가 대표적이다.
P램의 가장 큰 특징은 기존의 CMOS 공정을 그대로 사용할 수 있기 때문에 생산공정의 전환이 필요 없다는 점이다. Re램은 전기저항의 변화를 이용해 고용량의 데이터를 저장하는데, 업계에서는 현재 크게 주목 받고 있는 낸드 플래시를 Re램이 대체할 것으로 내다보고 있다.
F램은 D램 셀에서 전하를 보유하고 있는 유전체 커패시터를 강유전체로 변경한 것으로, 하프늄(Hf)과 산소를 결합한 산화하프늄(HfO2)과 같은 재료의 발견으로 개발이 가속화되고 있다. F램은 셀 구현 방식에 따라 3가지 타입으로 나뉘는데, 이 중 2T2C 셀은 커패시터에 1이라는 정보를 기억시키면 다른 방향의 커패시터에는 0이 기억된다.
읽을 때에는 비트라인(BL)과 /BL의 2개의 전압차를 센스 증폭기에서 판단하고, 전압 차이가 플러스(+)면 1, 마이너스(-)면 0으로 출력하게 된다. 64 KB의 데이터를 다시쓰기 했을 때 200 MHz로 작동하는 EEP롬(Electrically Erasable Programmable: EEPROM)보다 780배 빠르며 다시 쓰기 횟수도 1초간 100회 데이터 기준으로 EEP롬이 3시간이면 수명이 다하지만 F램은 325년이나 유지된다. 전력 소모량은 F램 0.027 mW, EEP롬 2.7 mW로 100배 정도 낮다.
SCM에서 램 구조인 M램, PC램, Re램, F램 등은 랜덤 액세스(random access)가 가능하므로 이론적으로는 D램을 대체할 수 있다. 이 중 기존 M램 대비 진화된 STT-M램이 스핀(spin) 이동이 매우 빠른 특성을 이용해 D램을 대체할 수 있는 속도 구현이 가능하다. 또한 D램이 커패시터를 3D 구조로 만들어야 하기 때문에 발생하는 종횡비의 증가 문제에서 자유롭다. 따라서 STT-M램을 향후 D램이 공정기술 개발의 한계에 도달할 시기에 D램을 대체할 수 있는 SCM으로 기대된다. STT-M램과 관련해서는 이미 삼성전자와 IBM이 신기술을 발표한 바 있다.
다만 SCM에서의 걸림돌은 커패시터, 다이오드, 레지스터 등 셀 영역에 특화된 재료들을 패터링하고 안정적인 성능을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다는 점이다. 이는 셀 영역에 특화 물질을 증착하거나 식각하는 데에서 발생하는 문제라서 해당 공정 기술 개발이 얼마나 빨리 진척되느냐에 따라 상용화 여부가 결정된다.
이처럼 D램이나 낸드 플래시에 비한 다면 차세대 메모리는 아직 갈 길이 멀다. 특히 2020년이면 차세대 메모리가 대중화될 것으로 예상되고 있는 가운데, 신 성장동력 확보 차원에서 차세대 메모리 시장은 누가 먼저 선점하느냐에 따라 향후 메모리 시장을 좌우할 수 있느냐가 결정될 것으로 예상된다.

● 참고문헌 Tech를 이해해야 전략이 보인다, 교보증권 유비쿼터스용 유니버설 메모리 기술, 한국전자통신연구원 비휘발성 차세대 메모리소자, 한국과학기술정보연구원