초거대 AI 시대의 랜드마크, 삼성전자 V낸드

2024/05/21
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삼성전자는 지난달 업계 최초로 ‘1Tb(테라비트) TLC(Triple Level Cell)[1] 9세대 V낸드’ 양산을 시작하며 낸드플래시 시장에서 리더십을 공고히 했다. ‘9세대 V낸드’는 업계 최소 크기의 셀(Cell)과 최소 몰드(Mold)[2] 두께가 구현되어 이전 세대보다 약 1.5배 높은 비트 밀도(Bit Density)[3]를 자랑한다. 셀 간섭 회피 기술, 셀 수명 연장 기술을 적용해 간섭 현상[4]을 제어하고, 제품 속도와 소비 전력, 품질과 신뢰성을 높인 것이 특징이다.

오늘 뉴스룸은 ‘9세대 V낸드’ 기획과 개발을 담당한 삼성전자 상품기획실 현재웅 상무, Flash개발실 홍승완 부사장, 김은경 상무, 조지호 상무를 만났다. 이들과 함께 AI 시대의 새로운 가능성을 창조해 가는 삼성전자 V낸드 공간으로 입장해 보자.

삼성전자 V낸드, 스토리지 가능성을 확장하다

낸드플래시 기술은 손톱보다 작은 공간에 수천억 개의 데이터 셀을 수직으로 쌓아 올리는 것에서부터 시작한다. 삼성전자는 세상에서 가장 작은 도시를 만든다는 생각을 바탕으로, 데이터 저장의 새로운 스마트 시티를 건축해 왔다. 실제로 모래 알갱이만큼 미세한 조각품을 제작하여 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 DS 브랜드 필름, <Micro Miracles>에서 그 노력을 생생하게 확인할 수 있다.

1. 세계 최초 ‘2차원 CTF 구조’ 개발: 2002년부터 낸드플래시 시장에서 1위 자리를 지키고 있는 삼성전자는 최고 수준의 성능과 품질을 갖춘 제품으로 업계를 주도해 나가고 있다. 2006년 삼성전자가 세계 최초로 개발한 ‘2차원 CTF(Charge Trap Flash) 구조’는 전류가 흐르지 않는 부도체에 전하를 저장하는 방식으로, 기존 ‘플로팅 게이트(Floating Gate)* 구조’의 한계를 획기적으로 극복했다. *플로팅 게이트(Floating Gate): 도체에 전하를 저장하는 방식의 초창기 낸드 기술 2. 삼성전자의 독자적인 ‘3차원 집적 기술’ 이러한 ‘2차원 CTF 구조'가 적용된 평면 낸드는 시간이 지나면서 다시 한번 미세화의 한계에 봉착했다. 이에 2013년 8월 삼성전자는 세계 최초로 3차원 메모리 반도체 시대를 열고, 많은 연구 끝에 수직 구조의 V낸드 양산에 성공했다. ‘3차원 집적 기술’은 마치 SF 영화 속 한 장면처럼 평면의 데이터 공간 구조를 입체 세계로 변형시키는 기술이다. 삼성이 가져온 낸드의 구조적 혁신은 당시 미지의 영역이었던 1Tb(테라비트) 이상의 고용량 낸드플래시 기술 개발을 위한 토대가 되었다.

2013년 1세대 V낸드 양산, 2014년 2세대 V낸드 양산, 2015년 3세대 V낸드 양산, 2016년 4세대 V낸드 양산, 2018년 5세대 V낸드 양산, 2019년 6세대 V낸드 양산, 2021년 7세대 V낸드 양산, 2022년 8세대 V낸드 양산, 2024년 9세대 V낸드 양산

평면 낸드가 좁은 공간에 셀을 넓게 펼친 수평적 2차원 방식으로 만들어졌다면, 삼성전자의 V낸드는 초고층 빌딩 시공 기술에 비견될 확장적 3차원 기술로 탄생했다고 설명할 수 있다. 단층으로 배열된 셀을 3차원 수직으로 적층함으로써 기존 셀 간 간섭 문제를 획기적으로 해결했다. 삼성전자는 3차원 스케일링 기술을 통해 셀의 면적과 높이를 모두 감소시켜 나노 단위의 V낸드 공간 안에서 정교하고 튼튼한 초고층 데이터 빌딩들을 구현했다. 또한 압도적인 ‘채널 홀 에칭’ 공정 기술력으로 9세대 V낸드도 더블 스택(Double Stack) 구조로 구현하며, 초격차 기술 리더십을 강화하고 있다.

글로벌 No.1 메모리의 압도적 기술력

Q. 초거대 AI 시대에서 삼성전자의 낸드플래시는 어떤 역할을 하나요? 현재웅 상무: AI 시대에는 언어 모델 데이터 학습을 위해 초고속 병렬 연산을 지원하는 고대역폭 메모리 ‘HBM(High Bandwidth Memory)’ 이외에도 다양한 솔루션이 요구됩니다. 학습의 재료가 되는 대규모 데이터를 담을 공간이 있어야 하고, 추론 단계에서 알고리즘이 빠르게 동작하기 위한 고성능 스토리지도 필요합니다. 삼성전자 낸드플래시는 바로 이러한 핵심 요소를 구현하는 데 있어 중추적인 역할을 담당합니다. 삼성전자 V낸드는 고성능 스토리지로서 정확하고 빠른 AI 서비스 실현에 기여할 것으로 기대되고 있습니다.

Q. '1Tb TLC 9세대 V낸드' 제품의 특징을 소개해 주세요 홍승완 부사장: ‘9세대 V낸드’는 2013년 삼성전자가 세계 최초로 양산한 3차원 수직 구조의 1세대 V낸드 이후 9번째로 단수를 높인 낸드플래시 제품입니다. 이전 8세대 대비 저장 공간 밀도를 1.5배 이상 늘림으로써, 약 1조 비트의 셀을 단일 칩 안에서 구현했습니다. 최신 설계 기술을 적용해 이전 제품보다 33% 향상된 최대 3.2Gbps의 데이터 입출력 속도와 10% 이상 개선된 소비 전력을 자랑하죠. 또한 ‘더블 스택’ 구조의 업계 최고 단수 제품입니다. 현재웅 상무: ‘9세대 V낸드’는 고성능의 TLC(Triple Level Cell) 응용부터 고용량의 QLC(Quadruple Level Cell)* 응용까지 전체 라인업을 한 세대에서 안정적으로 공급할 수 있는 빅 노드(Big Node)라고 할 수 있겠습니다. 또한 삼성전자의 TAT(Turn Around Time)* 경쟁력을 시장에 증명하는 기회이기도 했는데요. 국내외 생산 거점을 통해 수요 회복세를 만족시키고 시장 지배력을 높이기 위해 선보인 솔루션인 만큼, 9세대 V낸드는 삼성전자의 기술 리더십을 강화하고, 고객의 니즈를 만족시킬 것으로 예상합니다. * QLC(Quadruple Level Cell): 하나의 셀에 4bit 데이터를 기록할 수 있는 구조 * TAT(Turn Around Time): 제조 및 개발 시간

Q. ‘9세대 V낸드’는 업계 최소 크기 셀, 최소 몰드 두께, 더블 스택, 채널 홀 에칭 등의 기술로 많은 주목을 받았는데요. 여기에는 삼성전자의 어떤 기술적 노하우가 적용되었나요? 홍승완 부사장: 삼성전자는 업계 최소 스택으로 최대 단수를 쌓을 수 있는 공정 설계(Integration) 기술과 소자 미세화 기술, 최소 면적 내 최대 종횡비(Aspect Ratio)*를 가지는 컨택 식각(Contact Etching)* 기술 등을 개발하고 적용해 왔습니다. * 종횡비(Aspect Ratio): 가로 대 세로의 비율을 뜻함. 동일한 면적에서 더 높이 쌓을수록 종횡비가 올라감 * 컨택 식각(Contact Etching): 적층된 전도층들을 연결시키기 위해 절연물에 구멍을 뚫는 공정 용어들이 익숙하지 않으실 수도 있는데요. ‘9세대 V낸드’와 가까워지기 위해서는 V낸드에 대한 이해가 필요합니다. 일반적으로 V낸드는 '옥사이드'와 '나이트라이드'라는 화학물질로 만든 얇은 막을 교차 적층하는 방식으로 셀을 쌓고 있고, 이후 '나이트라이드'를 금속 물질로 바꿔 셀 게이트 워드 라인(Cell Gate Word Line)을 만듭니다. 이때 교차로 쌓은 옥사이드와 나이트라이드를 묶은 단위를 '페어'라고 하는데, 이 페어가 한 개의 '단'이라고 볼 수 있습니다. 이러한 페어가 층층이 많이 쌓일수록 낸드의 단수는 올라가는 것이죠. 페어가 묶인 구조체, 즉 ‘몰드’는 한 번에 식각할 수 있는 전체 높이가 있기 때문에 페어 한 단을 얇게 만드는 것이 중요합니다. 그런데 페어가 얇아지면 셀 간의 간섭 현상이 심해지기 때문에 제어하는 기술이 또 필요하게 되죠. 여기서 삼성전자의 솔루션이 활약합니다. 삼성전자는 업계 최소 두께의 '셀 게이트 워드 라인 형성 공정 기술'을 통해 페어 한 단을 얇게 만들고, 그로 인해 발생하는 셀 간 간섭을 제어하는 설계 기술을 적용했습니다. 또한 'HARC(High Aspect Ratio Contact) 식각* 공정'을 고도화해 최상단부터 최하단까지 균일한 채널 홀을 형성할 수 있었습니다. 이러한 공정 혁신을 통해 업계 최대 단수를 최소 몰드 두께로 구현할 수 있었던 것이죠. * HARC(High Aspect Ratio Contact) 식각: 높은 종횡비(Aspect Ratio)를 가질 수 있도록 동일한 바닥 면적에서 더 높이 뚫을 수 있는 기술

Q. 9세대 V낸드는 높은 품질을 자랑하는데요. 그 비결은 무엇일까요? 제품 양산을 조기에 성공할 수 있었던 노하우도 궁금합니다 김은경 상무: 그간 삼성전자는 여러 제품의 취약한 부분을 파악하고 보완할 수 있는 많은 검증·평가·방어 시스템을 도입하고, 자체적인 개발을 진행하면서 다양한 역량과 노하우를 축적해 왔습니다. 9세대 V낸드 양산이 조기에 성공할 수 있었던 핵심은 개발 초기 겹겹이 쌓인 문제를 완전히 드러내는 데 엔지니어들이 전 역량을 집중한 것에 있습니다. 문제를 정확하게 파고들기 위한 여러 기술적 시도와 조직 내 업무 조정 외에도 예상 시나리오별로 대안을 철저하게 준비했습니다. 각각의 문제에 대해 근원부터 후속 상품화 단계에서 나타나는 현상과 수준, 속성이 모두 대조될 때까지 철저하게 분석하고 예측하는 과정을 집요하게 진행했고, 이 과정에서 제품과 공정 엔지니어들이 함께 밀접하게 협력해 모든 정보를 객관화했습니다. 이를 토대로 팹 공정 단계와 전기적 테스트 단계에서 품질 제어력을 확보하는 데 성공할 수 있었습니다. 물론 이 과정에서 개발실의 기술적 전략을 충분히 이해하고 함께 실행한 품질실의 협력이 큰 힘이 되었습니다.

Q. 8세대에서 9세대 V낸드로 넘어감에 있어 어떤 혁신이 이루어졌나요? 홍승완 부사장: 기존에는 몰드가 무너지지 않도록 지지하는 보조 기둥이 칩 면적 감소에 따라 상호 간 붙어버리는 난제가 있었습니다. 또한 식각 가스가 셀 게이트 워드 라인의 최상단부터 최하단까지 독립적으로 도달하며 수직 접합하는 식각 정밀도의 한계도 존재했죠. 이전 세대에서 발생한 난제의 근본적인 해결을 위해 9세대에서는 ‘관통형 수평 접합(TCMC, Through Cell Metal Contact)’ 기술을 세계 최초로 적용했습니다. 이 기술은 셀 게이트 워드 라인의 최상단부터 최하단까지 '관통형'으로 뚫어 선택된 워드 라인만 구동될 수 있도록 구현한 기술입니다. 또한 서로 다른 종류의 컨택(Contact)*들을 한 번의 식각 공정으로 뚫어(HARC Etch Merge) 하나의 컨택으로 두 가지 종류의 역할을 수행할 수 있는 구조 혁신에도 성공했습니다. 이는 불가능에 가까운 일을 가능하게 만드는 세계 최초의 시도였기에 제품 개발부터 양산까지 수많은 도전과 시행착오, 엔지니어의 노력, 협업, 혁신적인 아이디어가 필요한 일이었습니다. * 컨택(Contact): 소자와 금속 배선의 접합 부분을 의미 더불어, 더미 채널 홀(Dummy Channel Hole)*을 제거하면서도 워드 라인을 나누는 혁신적인 공정 설계 기술을 적용해 동일 면적 내 비트 밀도 또한 크게 높였습니다. * 더미 채널 홀(Dummy Channel Hole): 셀 영역에서 워드 라인을 구분하지만, 셀 동작은 수행하지 않는 채널 홀 조지호 상무: 최근 AI 시대로 인해 CPU, GPU의 성능 요구가 급증하고 이에 따라 고성능, 고용량 메모리에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 고성능 구현을 위해 필요한 소비 전력은 급증하지만, 응용 제품별 허용 가능한 전력 제약으로 인해 고성능 구현이 더 어려워지고 있습니다. 이에 9세대에서는 '저전력 설계 기술'에 초점을 맞췄습니다. 낸드 셀을 구동하는 외/내부 인가 전압(EVC/IVC), 입출력 외/내부 인가 전압(VCCQ/IOIVC)의 동작 전압을 낮춰 전력 소모를 최소화할 수 있도록 설계했습니다. 더불어, 입출력 내부 데이터의 이동 거리를 최소화하고, 부하를 감축시킬 수 있는 혁신적인 회로 배치 기술도 적용했습니다. 또한 '워드 라인 충방전 효율화 기술'과 '선택적 비트 라인 전압 충전 기술'도 말씀드리고 싶은데요. 먼저 '워드 라인 충방전 효율화 기술'은 워드 라인의 충방전 횟수를 감소시켜 충전된 전력을 효율적으로 사용하는 기술입니다. 전하를 움직이는 게 전력이기 때문에 충방전 동작 자체가 전력 소모로 이어지는데요. 전하가 적게 움직이면 그만큼 전력 소모도 줄어드는 것이죠. '선택적 비트 라인 전압 충전 기술'을 통해 셀의 읽기 동작에 소모되는 전력을 감소시킨 것도 중요한 포인트입니다. 9세대에서는 필요한 비트 라인(Bit Line)*에만 충전 및 센싱을 할 수 있는 근본적인 혁신이 이뤄졌습니다. 이러한 혁신적인 설계 기술이 적용된 9세대에서는 이전 제품 대비 소비 전력을 10% 이상 개선하는 성과를 달성했습니다. * 비트 라인(Bit Line): 데이터 쓰기·읽기 역할을 담당하는 배선. 워드 라인과 함께 셀 어레이를 이룸 9세대 V낸드 셀의 크기가 업계 최소 수준이라는 사실을 아실 텐데요. 일반적으로 최소화된 셀은 신뢰성 열화*와 간섭 문제로부터 자유로워지기 어렵습니다. 셀의 크기가 작아진 만큼 셀이 전하를 보유할 수 있는 힘도 약해지기 때문입니다. 또 좁은 공간에 고집적된 셀 간의 간섭 현상이 발생됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 9세대 V낸드에서는 셀 쓰기·읽기 횟수와 보존 시간에 따라 최적의 읽기 지점(Read Level)을 자동으로 추적하는 기술을 낸드 칩 내부에 구현했습니다. 즉, 셀의 열화 수준을 자동으로 판단하는 설계 기술을 칩 안에 구현한 것이죠. * 신뢰성 열화: 셀이 작아져서 전하를 오래 저장하지 못하는 상태 김은경 상무: 9세대 V낸드에서는 전기적 테스트 단계에서 수명이 짧은 칩을 통계적으로 정확하게 선별하고, 머신러닝을 위한 양질의 입력 데이터를 확보하는 데 모든 엔지니어링의 초점을 맞춰 목표한 품질을 빠르게 확보했습니다. 불량별 정확한 속성 추적을 위해 자극 인자와 테스트 항목을 전 세대 대비 세분화해 재설계했습니다. 발생하는 모든 불량 유형을 통계적으로 분류해 100% 분절화하는 동시에 웨이퍼별로 팹 공정 단계와 전기적 테스트 단계 사이의 연계성을 명확하게 만들었습니다. 또한 후속 품질 평가를 통해 불량의 변화 추이, 속성을 추적했습니다. 특히 9세대에서는 전기적 평가를 해석하는 방법으로 머신러닝에 삼성전자만의 반도체 전문 기술을 결합한 데이터 마이닝(Data Mining)* 기술이 큰 역할을 해냈는데요. 미래 불특정한 시점에 웨이퍼, 칩, 블록 내 불량이 발생될 가능성을 예측하기 위해 그동안 많은 기술들이 축적되었고, 9세대에서는 이 예측의 정확도가 정말 경이로운 수준이었습니다. * 데이터 마이닝(Data Mining): 대규모 데이터 안에서 유용하고 가치 있는 정보를 찾아내는 프로세스

Q. 하반기 발표 예정인 QLC를 포함해 고용량 낸드플래시에 중점을 두고 있는 이유는 무엇인가요? 현재웅 상무: AI용 고용량 스토리지 서버에 관심이 높아진 이유는 세 가지 정도로 정리할 수 있습니다. 첫째, AI용 데이터센터의 전력 비용에 제한이 있어 단일 스토리지 서버당 고용량 메모리를 필요로 하기 때문입니다. 둘째, 체크포인트(Checkpoint)* 유지의 중요성 증가로 인한 고성능·고내구성 스토리지 수요 증가입니다. 마지막으로 멀티모달 AI 모델(Multimodal AI Model)* 확산에 따른 고성능 스토리지 요구입니다. 이러한 흐름에 의해 현재 고용량 낸드에 대한 시장의 관심이 높아진 상태이며, 삼성전자는 QLC 기반 제품을 개발해 AI용 고용량 스토리지 시장에 대응할 예정입니다. * 체크포인트(Checkpoint): 모델 학습 과정 중 모델의 현재 상태를 저장하는 특정 지점 * 멀티모달 AI 모델(Multimodal AI Model): 여러 가지 형태의 정보를 동시에 처리하고 출력하는 AI

Q. 향후 낸드플래시 시장의 흐름을 어떻게 전망하나요? 그에 대응할 삼성전자의 전략이 궁금합니다 현재웅 상무: 낸드플래시 시장은 MP3 플레이어, 스마트폰, 클라우드, AI 서비스 같은 킬러앱의 등장 및 데이터 전송 기술의 발전과 함께 성장해 왔습니다. 향후에는 생성형 AI를 넘어 스스로 학습하는 머신의 데이터를 처리할 더 많은 스토리지 공간이 필요하게 될 것입니다. 따라서 중장기 관점에서 낸드플래시 시장의 성장은 견조한 흐름을 보일 것으로 예상합니다. 삼성전자의 목표는 시장의 흐름을 읽고 고객의 요구사항을 만족할 수 있는 제품을 개발해 적기에 제공하는 것입니다. AI 서버용 제품을 중심으로 포트폴리오 구성을 강화하고 있으며, 중장기적으로는 중요한 차세대 응용처가 될 것으로 예상되는 온디바이스 AI(On-Device AI), 오토용 제품, 엣지 디바이스 등 차세대 응용 제품의 포트폴리오를 확대해 가고 있습니다. 한편 또 다른 목표는 반도체 기술의 발전을 통해 인류의 삶이 윤택해지고 지속적인 성장이 가능하도록 공헌하는 것입니다. 고용량, 저전력 에코 기술(탄소 저감 기술) 개발을 위해 끊임없이 노력하겠습니다.

Q. 삼성전자 반도체 뉴스룸 독자들을 위해 전하고 싶은 말이 있다면요? 홍승완 부사장: 9세대 V낸드를 세계 최초로 양산할 수 있었던 주된 이유는 사업부, 연구소 각 팀에서 모인 원팀(One Team) 구성원 모두의 역량이 융합되어 시너지를 극대화했기 때문이라고 자부합니다. 혁신 공정 구현을 위한 다양하고 끊임없는 아이디어 발굴과 평가를 이어 가며 마주한 불량들을 하나씩 해결해 나갔고, 마침내 세상에 없는 공정을 완전히 새롭게 만들었습니다. 낸드플래시는 고객의 고용량, 고성능 요구에 부합하는 방향으로 기술이 발전되고 있습니다. 이를 구현하기 위해 삼성전자는 향후 스택당 'HARC 식각 공정' 수를 최소화하는 기술, 고성능 소자 제조를 위한 '하이케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate) 공정' 기술, 다양한 조합의 '멀티 본딩(Multi-Bonding)' 기술 등을 통해 혁신을 이어가겠습니다. 조지호 상무: 저는 1998년도 입사 이후, 현재까지 중요한 변곡점에 있는 플래시 메모리 설계를 담당해 왔습니다. 2세대와 4세대, 7세대 V낸드가 특히나 기억에 남는데요. 이번 ‘9세대 V낸드'에서는 ‘세계 최초’라는 타이틀이 어떤 의미인지 되새기는 계기가 되어 뿌듯함을 감출 수 없습니다. 더불어 올해 하반기에는 ‘QLC 9세대 V낸드’ 제품을 준비하고 있는데요. 향후 개발될 차세대 제품에서도 최고의 성능과 높은 신뢰성 그리고 저전력 효율을 제고하여, 업계 리더십을 공고히 해 나가겠습니다. 김은경 상무: 9세대 V낸드를 성공적으로 양산할 수 있도록 함께 노력해 준 팀원들에게 먼저 감사의 말씀을 전합니다. 압도적인 성능, 특성, 품질을 자랑하는 9세대 제품이 시장에서 중추적인 역할을 할 것으로 기대합니다. 향후 추가로 개발될 다른 9세대 제품도 이번 양산 경험을 살려서 조기에 개발하고, 모든 경쟁력 측면에서 최고의 제품으로 만들 수 있도록 노력하겠습니다.

삼성전자는 2002년 낸드플래시 메모리 분야에서 세계1위에 오른 뒤, 시장을 선도하며 초격차 기술을 선보이고 있다. 긴 여정의 결실이라고 할 수 있는 9세대 V낸드에 이어, 삼성전자는 앞으로도 끊임없는 혁신과 첨단 메모리 기술 개발을 통해 정교한 미래를 설계해 나갈 예정이다.

[1]TLC(Triple Level Cell): 하나의 셀에 3bit 데이터를 기록할 수 있는 구조

[2]몰드(Mold): 셀을 동작시키는 워드 라인(트랜지스터의 on/off를 담당하는 배선)의 층

[3]비트 밀도(Bit Density): 단위 면적당 저장되는 비트의 수

[4]간섭 현상: 셀 간 간격이 좁아져 전자가 누설되거나 인접 셀이 영향을 받는 현상

같이 나누고 함께 성장하는 것이 세계 최고를 향한 길입니다.

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