SK하이닉스는 풀스택 AI 메모리 프로바이더(Full Stack AI Memory Provider)로 도약하기 위해 D램은 물론 낸드플래시(NAND flash, 이하 낸드) 영역에서도 지속적으로 혁신하며 경쟁력을 강화하고 있다. 낸드는 셀*을 얼마나 높게 쌓느냐에 따라 저장할 수 있는 데이터의 양이 달라지는데, 이 층수를 높이는 것이 곧 경쟁력의 핵심이다.

[ONE TEAM SPIRIT] 4편에서는 압도적 경쟁력으로 세계 최고층 ‘321단의 기적’[관련기사]을 이룬 SK하이닉스의 낸드 스토리를 살펴보고, 그 속에 담긴 ‘원팀 스피릿(One Team Spirit)’에 주목해 본다.

초고층·초고용량 321단 4D 낸드의 탄생

SK하이닉스 플래시 메모리의 시작은 약 25년 전으로 거슬러 올라간다. 1990년대 후반, 8Mb(메가비트) 노어플래시(NOR flash)* 제품 개발에 성공한 SK하이닉스는 2000년대 초반까지 이 분야의 기술 고도화를 위한 연구에 집중했다.

그러던 2002년 시장 트렌드가 대용량에 유리한 낸드로 기울자, SK하이닉스는 사업 방향을 과감히 전환한다. 뒤늦게 낸드 사업에 뛰어든 만큼 회사는 절치부심으로 연구에 매진해 2004년 512Mb 낸드로 시장에 첫발을 내딛고 3년 만에 글로벌 매출 3위에 오르는 성과를 달성하게 된다.

이후 SK하이닉스는 낸드 사업 확대에 더욱 속도를 내며 2007년 낸드 생산을 주력으로 하는 M11 팹(Fab)을 착공했고, 같은 해 ‘16Gb(기가비트) 낸드 기반 24단 멀티칩패키지(MCP)’, 이듬 해인 2008년 ‘32Gb 낸드’ 등을 차례로 개발하며 기술력과 내실을 다져나갔다.

2010년대 중반부터 회사는 셀을 빌딩처럼 높게 쌓아 올리는 3D, 4D 낸드 개발에 집중했다. 3D 낸드 기술은 셀을 평면에 빼곡히 배치하는 2D 기술 대비 용량, 속도, 안정성 측면에서 장점이 있었다. SK하이닉스는 이 분야 기술을 고도화하며 2017년 당시 업계 최고층인 ‘72단 3D 낸드’를 개발하고, 2018년 ‘96단 4D 낸드’를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

4D 낸드 기술은 주변부(Peri.) 회로를 셀 하단부에 배치해 사용 면적을 줄여주는 기술이다. 비유하자면, 아파트 옥외 주차장을 지하 주차장으로 변경해 공간 효율을 극대화한 것과 같다. 이 기술을 고도화하며 128단, 238단으로 적층 혁신을 이룬 SK하이닉스는 2023년 초고층·초고용량 ‘321단 1Tb(테라비트) 4D 낸드’를 선보이고 이듬해 양산을 본격화했다[관련기사]. 손톱 크기의 칩 안에 수천억 개의 셀을 빼곡히 담은 이 제품을 통해 SK하이닉스는 낸드 기술 경쟁에서 다시 한번 우위를 입증했다.

SLC부터 QLC까지, 낸드 라인업의 완성과 원팀 스피릿

SK하이닉스의 낸드 경쟁력은 셀 저장 기술 발전에서도 나타난다. 낸드의 용량을 키우는 방법은 크게 두 가지다. 셀을 높이 쌓는 것과 하나의 셀 안에 담는 정보(bit, 비트)를 늘리는 것이다. 다시 말해 단수가 낮더라도 셀 하나에 더 많은 데이터를 저장할 수 있다면, 고용량 제품 구현이 가능하다는 이야기다.

이에 SK하이닉스는 셀 하나에 최소 저장 단위인 1비트를 담는 SLC(Single Level Cell)부터 MLC(Multi Level Cell, 2비트), TLC(Triple Level Cell, 3비트), QLC(Quadruple Level Cell, 4비트) 등을 차례로 발전시키며 낸드 셀 내부 구조의 효율을 끌어올렸다.

2013년 출시한 ‘64Gb MLC 낸드’, 2017년 선보인 ‘256Gb TLC 3D 낸드’, 2019년 개발한 ‘1Tb QLC 4D 낸드’ 등이 주요 제품으로 꼽힌다. 이렇듯 회사는 속도가 우수한 SLC부터 저장 효율이 뛰어난 QLC까지 모두 성공적으로 개발해 다양한 고객 수요에 대응할 수 있는 라인업을 갖추게 된다.

이 모든 혁신을 성공적으로 완수한 배경에는 전 조직을 한마음 한뜻으로 움직이게 한 원팀 스피릿이 있었다. 셀 적층 기술과 셀 용량 확장 기술을 동시에 발전시키는 과정은 결코 쉽지 않은 도전이었다.

지난 수년에 걸쳐 연구개발 조직은 최적의 소자를 개발하고, 3D와 4D라는 새로운 구조를 설계하는 동시에 TLC/QLC 등의 셀 기술을 접목하며 기술 한계를 극복했다. 제조공정 조직은 수백 층의 셀 구조와 저장 능력이 높아진 셀이 안정적으로 생산되도록 정밀한 공정 기술을 개발했고, 후공정 조직은 새 제품에 적합한 패키징과 테스트 기술을 확보하며 최종 단계에서의 품질을 높였다. SK하이닉스가 321단 및 QLC 낸드를 구현해낸 기적은 이 같은 협업 속에서 꽃핀 결과물이었다.

낸드를 넘어, 설루션(Solution) 혁신과 원팀 스피릿

낸드는 단품으로도 판매되지만, 별도의 소프트웨어(SW)와 펌웨어(FW) 등을 결합한 설루션(Solution) 형태로도 공급된다. SK하이닉스는 독자적인 기술력을 바탕으로 AI 및 빅데이터 시대에 필요한 낸드 기반 설루션 제품인 UFS*, SSD 등을 개발하고 있다.

특히, SK하이닉스가 2024년 개발한 ‘ZUFS(Zoned UFS) 4.0’은 온디바이스 AI 환경에 최적화된 고성능 설루션으로, 존드(Zoned) 기술을 통해 유사한 특성의 데이터를 영역별로 저장·관리함으로써 처리 속도와 효율성을 높였다는 평가를 받는다.

SK하이닉스는 방대한 용량을 필요로 하는 AI 서버 및 데이터센터 시장에서도 존재감을 높이고 있다. 2024년 공개된 QLC 기반 61TB(테라바이트) 용량의 eSSD(기업용 SSD)인 ‘PS1012’에 이어, 321단 4D 낸드를 적용한 244TB 제품과 그 이상의 초대용량급 설루션 등이 개발되고 있는 중이다. 그 밖에도 2024년 공개된 AI PC용 cSSD(소비자용 SSD) ‘PCB01’ 등은 향후 온디바이스 AI의 학습과 추론을 가속하는 고성능 스토리지로 기대를 모으고 있다.

SK하이닉스는 서버, 데이터센터, 온디바이스 등을 아우르는 AI 메모리 설루션 라인업을 수년에 걸쳐 구축했다. 혁신의 원동력은 역시 원팀 스피릿이었다. 설루션 역량을 확보하기 위해서는 칩과 소프트웨어를 망라한 광범위한 개발 협력이 필수다. 저장 영역을 담당하는 낸드 개발 조직, 칩 제어를 위해 펌웨어와 소프트웨어를 개발하는 Solution 조직이 유기적으로 협력해야 하며, 최종 사용자 환경을 고려한 테스트 및 최적화 업무도 뒷받침돼야 한다. 자회사 솔리다임(Solidigm)과 합작하는 등 기업 간 협업도 회사가 한단계 더 도약하는 데 중요한 요소로 작용한다.

SK하이닉스의 기술력 진화를 향한 도전은 현재진행형이다. 원팀 스피릿을 통해 321단 4D 낸드와 이를 탑재한 스토리지 등 차별화된 선도력을 보여주고 있는 SK하이닉스는 풀스택 AI 메모리 프로바이더로서 미래 낸드 시장을 지속해서 개척해 나갈 것이다.