[기고문] 차세대 낸드플래시가 바꿀 미래

2021/06/08 by 송재혁
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코로나 19가 가져온 답답해진 일상으로 가족 그리고 가까운 친구들과 함께 보냈던 시간이 더욱 소중해지는 요즘이다. 스마트폰에 저장돼 있는 가족의 사진을 보거나 SNS에 올라온 친구들의 근황을 보며, 웃고 우는 이유는 그들의 존재 자체가 우리 삶의 원동력이기 때문이다.

시간과 장소에 구애받지 않고, 그리웠던 순간들과 멀리 떨어져 있는 친구들의 현재를 언제 어디에서라도 꺼내어 볼 수 있는 건 바로 스마트폰이나 데이터센터에 들어가 있는 낸드플래시 메모리 반도체 덕분이다.

딱딱한 사전적 의미 이면에 낸드플래시는 어쩌면 우리에게 일상의 희로애락을 기록해 둔 삶의 일지이자, 추억 앨범일 수도 있다. 반도체 업계에서 낸드플래시 개발을 책임지는 기술인으로서, 우리들의 행복한 추억이 선명하고 오래 간직될 수 있도록 치열하게 고민하고 있는 우리의 노력과 앞으로의 포부를 소개하고자 한다.

삼성전자 V7 SSD 이미지컷

▲ 삼성전자 V7 SSD 이미지컷

 

미지의 3차원 수직구조 시대를 개척한 삼성전자

우주의 역사를 1년으로 볼 때 인류의 역사는 고작 마지막 14초에 불과하며, 태양과 지구가 그 중심이 아니고 1,700억 개 이상의 은하계가 계속 확장되는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 우주의 신비는 반도체에도 그대로 묻어나 있다.

손톱보다도 작은 반도체 칩을 전자현미경으로 들여다보면 그 안에 하나의 도시가 자리 잡고 있다. 1mm 두께 안에 100층 이상의 건물을 지어 올리기도 하고, 반대로 지하로 파고들어 수백만 개의 공간을 만들고 데이터를 저장하고 있는 것이다.

데이터를 저장하는 용도의 낸드플래시 메모리는 과거에는 평면상에서 칩을 작게 구현하는 2차원 구조였다. 그러나 한정된 공간에 수많은 데이터를 담아야 하기 때문에 기존의 2차원 구조는 한계에 부딪혔다.

이에 삼성전자는 고심 끝에 수직으로 쌓아 올린 3차원 공간에 구멍을 내어 각 층을 연결하는 제품, 이른바 ‘V(Vertical) 낸드’를 세계 최초로 개발하게 된 것이다.

2013년 첫선을 보였던 3차원 V낸드는 당시 수십 년 간 당연한 것처럼 여겨졌던 전통적인 2차원 방식에서 완전히 벗어난 새로운 패러다임이었다. 평평한 대지에 집을 짓고 살았던 사람들이 인구가 늘어나게 되자 아파트를 짓고 살게 된 것과 같은 이치다.

 

삼성전자만의 명품 V낸드

2013년 당시 혁신이었던 3차원 수직 구조의 V낸드는 이제 반도체 업계의 표준처럼 보편화된 기술이 됐다.

24단부터 시작된 V낸드의 단수는 현재 200단에 근접해 있다. 그동안 V낸드는 단수를 높여가며 진화해왔다. 하지만 무조건 쌓는 것만이 전부는 아니다. 예를 들어 아파트를 지을 때 층수가 높은 고층 아파트라고 해서 무조건 명품 아파트라고 할 수는 없는 것이다.

높지만 튼튼해야 하며, 높을수록 안전한 고속 엘리베이터를 이용해 출입도 쉽게 해야 한다. 층간소음도 고려해야 할 문제이고, 고도제한이란 게 있기 때문에 무한정 높게만 지을 수도 없을 것이다.

V낸드도 마찬가지다. 층수는 비슷하지만 안을 자세히 들여다보면 미세한 차이들이 있다. 반도체 세계에서는 미세한 차이가 어마어마한 결과를 낳는다.

 

업계 최소 셀 크기-압도적 싱글스택 에칭 기술력··· ‘단수는 높이고, 높이는 줄이고, 간섭은 최소화’

다시 시간을 돌려 2013년으로 돌아가 보자.

삼성전자는 2차원 평면 구조의 한계를 극복하기 위해 3차원으로 셀을 쌓아 올렸다. 당시에는 단수가 낮았기 때문에 높이에 대한 고민이 필요 없었다. 하지만 고집적, 고용량에 대한 요구로 단수가 높아지면서, 제약이 없을 것 같았던 높이도 물리적 한계를 고려해야 하는 상황이 도래했다.

우리는 한발 앞서 이러한 고민을 시작하고, 해결책을 모색해 왔다. 삼성전자의 7세대 176단 V낸드는 업계의 100단 초반대 6세대급 V낸드와 높이가 비슷하다. 이것이 가능한 이유는 삼성전자가 업계 최소의 셀 크기를 구현했기 때문이다.

3차원 스케일링(3D Scaling) 기술을 통해 셀의 평면적과 높이를 모두 감소시켜, 체적을 최대 35%까지 줄였다. 셀의 체적을 줄이면서 생길 수 있는 셀간 간섭현상도 제어했다.

즉 같은 단수를 보다 낮게 구현할 수 있어, 향후 높이의 물리적 한계를 극복할 수 있는 기반 기술을 확보했다.

또 업계에서 유일하게 한 번에 100단 이상을 쌓고 십억개가 넘는 구멍을 뚫을 수 있는 싱글스택 에칭 기술력을 갖췄다. 즉 작은 셀 크기와 압도적인 싱글스택 에칭 기술력을 기반으로, 향후 수백단 이상의 초고단 V낸드를 한발 앞서 구현할 수 있는 기술력을 확보하고 있다.

 

하반기 7세대 V낸드··· 200단 넘는 8세대 동작칩도 확보

업계 최소 셀 사이즈의 7세대 V낸드가 적용된 소비자용 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 제품이 올해 하반기에 첫 출시가 될 계획이다. 최대 2.0Gbps 입출력(I/O) 성능의 7세대 V낸드는 4세대 PCIe 인터페이스(PCIe Gen 4) 뿐만 아니라, 향후 5세대(PCIe Gen 5)까지 성능 요구를 만족시킬 것으로 기대된다. 또 6세대 대비 한층 강화된 성능으로 3D 모델링, 영상편집 등 대용량 워크로드의 작업을 동시에 처리하는, 멀티태스킹 환경에 최적의 솔루션을 제공할 계획이다.

뿐만 아니라 데이터센터용 SSD에도 7세대 V낸드를 빠르게 확대 적용하려고 한다. 또 저전력 솔루션을 기반으로 이전 세대 대비 전력효율을 16% 끌어올려, 데이터센터를 운영하는 기업들이 전력을 줄이는 동시에 지구환경에 기여할 수 있도록 한다는 방침이다.

또 이미 200단이 넘는 8세대 V낸드 동작 칩을 확보한 상황으로, 시장 상황과 고객들의 요구에 따라 적기에 제품을 선보일 수 있도록 만반의 준비를 하고 있다.

미세한 기술력의 우위가 결국 고객에게 차별화된 가치를 제공하고 시장은 이를 통해 역시 삼성전자임을 인정할 것으로 믿고 있다.

 

삼성전자 V낸드의 미래, 1000단 이상을 바라본다

반도체산업에서 우연은 없다. 미지의 기술을 세계 최초로 얻어내기 위해서는 시간은 물론, 엄청난 자본과 투자가 필요하다. 오늘의 삼성전자가 인고의 시간을 겪고 세계 1등이 된 것은, 어제보다 행복한 일상을 가능하게 하겠다는 열정과 혼, 사명감이 있었기 때문이다.

평면의 한계를 극복하기 위해 10년 이상의 오랜 연구 끝에 2013년 첫 V낸드를 선보였듯이 우리는 3차원 스케일링 기술을 통해 언젠가 마주하게 될 높이의 한계를 가장 먼저 극복할 것이다.

미래 1,000단 V낸드 시대에도 삼성전자의 V낸드는 혁신적인 기술력을 기반으로 업계 최고의 신뢰성을 갖는 제품으로 계속 진화해 나갈 것이다.

 

확장 현실의 새로운 패러다임, 반도체 역할 더욱 커질 것

세상은 기술의 발달로 ‘확장 현실(XR, eXtended Reality)’의 새로운 패러다임으로 가고 있는 가운데 코로나19로 인해 확장 현실이 일상이 될 시기는 점점 당겨지고 있다. 현실과 가상의 구분이 모호해지거나 겹쳐져, 생활방식 자체가 바뀌는 시대에 접어든 것이다. 앞으로 IT 기기와 기술은 지금까지와 전혀 다른 차원의 새로운 접근 방식을 필요로 할 것이다. 이를 위한 반도체의 역할은 그 어느 때보다 중요해진다는 이야기가 된다.

미래 반도체 경쟁에서 확실한 기술 우위를 바탕으로 혁신적인 제품을 시장에 선보임으로써, 행복한 사회를 구현하기 위해 부단히 노력할 것이다.

by 송재혁

메모리사업부 Flash개발실장(부사장)

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