낸드 플래시(NAND FLASH)의 한계가 보여지고 있는 상황에서 삼성은 지난 6일 3D V-낸드 플래시 메모리를 양산하기 시작했다고 발표했다. 이미 10년 전부터 연구와 개발에 들어갔던 이 기술은 2011년 인터내셔널 메모리 워크숍(IMW: International Memory Workshop)에서 도시바와 하이닉스의 3D V-낸드 플래시와 함께 소개됐다.

3D V-낸드는 그동안 메모리의 용량을 늘리기 위해 수평으로만 확장해 오던 방식을 수직으로 적층한다는 개념이다. 2011년 당시 각기 다른 구조와 다른 재료로 3D V-낸드 플래시 개발에 뛰어든 회사는 도시바, 하이닉스, 그리고 삼성 등이었는데 삼성이 가장 활발하게 개발에 대한 의지를 보였고 가장 많은 특허를 얻었던 만큼 상품 개발도 가장 먼저 이뤄냈다.

2차원으로만 배열됐던 셀을 수직으로 쌓아 같은 면적 안에서 집적도를 더 높일 수 있는 기술인데 그간 생산성에 문제가 있었다. 공정이 더 복잡해지면 그로 인해 수율도 떨어지기 마련인데 삼성이 3D V-낸드를 생산하기 시작했다는 것은 이 문제를 극복했다는 것으로 볼 수 있다.

이 기술로 데이터 쓰기 속도는 2배 이상 빨라지고 전력소모는 반으로 줄어들며 일반 낸드 플래시의 가장 큰 단점이었던 셀 수명은 2배에서 10배까지도 늘어나게 된다. 이미 생산에 들어간 삼성의 낸드 플래시는 24겹의 레이어 구조로 되어있는데 관계자에 따르면 128겹의 레이어까지도 가능할 것으로 본다고 한다.

▲ IMW 2011에서 소개 됐던 세 기업의 각기 다른 방식의 3D NAND FLASH

2013년 말 시장에 등장할 것을 예상했던 만큼 삼성의 3D V-낸드를 시작으로 다른 회사들의 제품들도 곧 속속 등장해 내년 일반 SSD시장에서는 수직 적층구조의 고용량, 저가의 SSD를 보기 어렵지 않게 될 것이다. 1~2년 정도 지나 3D V-낸드가 시장에서 어느 정도 자리 잡을 정도가 되면 현재의 256GB SSD가격에 1TB정도 용량의 SSD를 구입할 수 있게 될 것이다.

한편, 상용화까지 10년 정도를 예상했던 차세대 비휘발성 메모리인 RRAM(Resistive Random Access Memory: 저항메모리) 기반의 SSD는 예상보다 훨씬 이른, 2년 이내에 상용화가 가능해질 예정이다. 현재 RRAM 개발의 선두주자인 캘리포니아의 크로스바(Crossbar Inc)에 따르면 이미 칩 생산을 위한 계약서에 서명을 한 상태이고 엄청난 양의 칩 생산이 계획돼 있다고 한다. HP와 파나소닉도 자체 기술을 가지고 RRAM을 개발 중이나 크로스바의 계획보다는 한참 뒤쳐져 있다.

▲ RRAM과 낸드의 사이즈 비교 (사진: crossbar-inc.com)

RRAM은 낸드보다 훨씬 많은 장점을 가지고 있는데, 우선 그 자체 면적이다. 일반 8GB 용량의 낸드는 167㎟의 면적을 차지하는 반면 RRAM은 같은 용량이 절반이 채 안되는 77㎟의 면적만 차지한다. RRAM을 3D V-낸드 방식처럼 수직으로 쌓는다면 훨씬 더 적은 면적으로 큰 용량을 해결할 수 있게 된다.

이미 1TB 용량의 단일칩이 생산 계획 중이다. 그리고 일반 낸드의 랜덤 읽기의 레이턴시가 가장 빠르다는 제품도 0.057ms(millisecond) 정도인데 RRAM은 30ns(nanosecond) 정도이다. 1ms는 1천분의 1초이고, 1ns는 10억분의 1초이다. 따라서 0.057ms는 57000ns가 되고 30ns에 비교하면 1900배의 차이다. 실제 체감 속도에 큰 영향을 주는 쓰기의 속도를 비교하면, 낸드 플래시는 각 칩당 7MB/s 정도의 속도를 내는데 이것을 병렬로 연결해 400~500MB/s의 속도를 내게 된다. 이에 반해 RRAM은 20배 빠른 칩당 140MB/s의 속도를 내며 여러 개의 칩을 병렬로 연결했을 경우는 인터페이스가 따라가지 못할 정도의 속도를 구현할 수 있게 된다.

RRAM의 전력 소모는 놀랍게도 낸드의 20분의 1정도 수준이다. 따라서 배터리에 의존하는 노트북이나 태블릿, 스마트폰 같은 기기에 장착할 경우 배터리 사용시간 향상을 기대할 수 있다. RRAM의 또 다른 장점은 작동 시에 낸드보다 발열이 현저하게 적다는 것이다. 따라서 3D 수직구조로 적층을 하더라도 낸드보다 훨씬 더 많은 겹으로 적층할 수 있다. 이것은 곧 미래에 집적도를 향상시킬 수 있는 가능성이 낸드보다 훨씬 더 크다는 것으로 이해할 수 있다.

내구성에 있어서도 낸드 플래시에 비해 10배 정도 강하다. 3D V-낸드처럼 3D구조로 적층한다면 그 내구성은 더 늘어난다. 그리고 낸드 플래시는 섭씨 85도 이하에서만 작동할 수 있는 반면 RRAM은 섭씨 125도까지 견딜 수 있어 자동차 산업이나 군사용 장비 등에 널리 사용될 수 있다. 여러 가지 측면으로 봤을 때 낸드보다 RRAM의 장점이 훨씬 더 많다. 대량생산화 되어 수율만 좋아진다면 현재 낸드의 가격과 비슷하거나 더 싼 가격에 월등한 성능의 제품을 볼 수 있게 된다.

▲ RRAM과 낸드의 성능 비교 (사진: crossbar-inc.com)

삼성은 이미 3D V-낸드의 생산에 들어갔고 RRAM을 사용한 SSD도 2년 이내에 볼 수 있게 된다. 따라서 앞으로 IT 산업의 관건은 새로운 저장장치의 전송 속도를 뒷받침해 줄 만한 인터페이스의 개발과 규격화를 얼마나 빠른 기간 내에 할 수 있는가이다. 곧 등장할 SATA 익스프레스가 2GB/s의 전송 속도를 지원할 것이며, 내년 상반기에 등장할 예정이다. 삼성은 발빠르게 움직여 이미 기존의 SATA 속도의 한계인 0.6GB/s를 넘어설 수 있는 SSD를 판매할 준비를 마치고 있는 상황에서 SATA 3.2의 지원과 생산이 늦어진다면 삼성은 PCIe 버전의 SSD만 먼저 출시할지도 모르겠다. 향후 1~2년 내 저장장치들의 눈부신 성능 향상이 기대된다.

뉴욕(미국)=이상준 통신원 directorlee@gmail.com

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