혁신에 혁신을 거듭하다, 96단 1Tb QLC 4D 낸드플래시 개발TF

지난해 말 SK하이닉스는 세계 최초로 '96단 512Gbit TLC 4D 낸드플래시' 개발에 성공했습니다. 그리고 1년이 채 지나지 않아 여기서 한 차원 진보된 기술이 적용된 제품인 '96단 1Tb 4D 낸드플래시' 개발 성공 소식이 들려왔습니다. 업계에서 후발주자로 출발했음에도 불구하고 짧은 시간 내에 기술혁신을 이룰 수 있었던 이유, 궁금하지 않으세요? 네 명의 개발자를 만나 그 뒷이야기를 함께 들어봅니다.

96단 1Tb QLC 4D 낸드플래시 개발 주역을 만나다

▲ (왼쪽부터) 강정규 PL, 장윤수 PL, 허황 PL, 강태훈 TL

Q. 안녕하세요, 만나 뵙게 되어 반갑습니다. SK하이닉스 블로그 독자들께 인사 부탁드립니다.

장윤수 PL 안녕하세요, 낸드 PI 그룹 장윤수 PL입니다. Chip Analysis 분야를 맡고 있으며 공정, 소자와 관련된 모든 불량 분석을 담당하고 있습니다.

허황 PL 안녕하세요, NAND 설계 그룹의 허황 PL입니다. NAND를 구동하는 회로 설계를 맡고 있습니다.

강정규 PL 안녕하세요, QLC PI 팀의 강정규 PL입니다. 저희 팀은 QLC 제품의 Process Integration을 포함, 프로젝트의 전체적인 컨트롤타워 역할을 맡고 있습니다. 제품의 기획부터 마지막 양산까지 모든 업무에 관여합니다.

강태훈 TL 안녕하세요, NAND 제품 담당 강태훈 TL입니다. 제품의 품질, 신뢰성, 디자인, 특성, 성능, 수율, 양산성 등 전반적인 면을 점검하고, 유관 부서와 협업하여 고객의 요구 수준에 부합할 수 있도록 제품의 완성도를 확보하는 업무를 담당하고 있습니다.

Q. 지난해 말 96단 512Gbit TLC 4D 낸드플래시 개발에 이어, 여기서 더 진보된 기술이 적용된 1Tb QLC 낸드플래시 개발에 성공했습니다. 이번 제품에 대해 간략한 소개 부탁드립니다.

허황 PL 데이터를 저장하는 최소 단위인 셀 하나에 SLC(Single Level Cell)는 1bit, MLC(Multi Level Cell)는 2bit, TLC(Triple Level Cell)는 3bit를 저장하는데요. QLC(Quadruple Level Cell)는 4bit를 저장할 수 있는 기술입니다. 현재 양산 중인 세계 최초 96단 CTF(Charge Trap Flash) 기반 4D 낸드 기술에 이 QLC 설계 기술을 적용한 제품이 바로 이번 1Tb QLC 낸드입니다.

강정규 PL TLC 4D NAND는 한 개의 저장소에 3bit를 저장했지만, QLC 4D NAND 제품은 특성 개선을 통해 4bit을 저장할 수 있게 되었습니다. TLC 대비 동일한 면적에 집적도를 높일 수 있어 칩 사이즈는 줄어들고, 원가 경쟁력은 더욱 높아졌습니다.

손톱만 한 반도체가 탄생하기까지, 멈추지 않는 Deep Change

Q. 새로운 기술을 적용한다고 했을 때, 고려해야 할 부분이 많았을 것 같은데요. 어느 부분에 가장 심혈을 기울이셨는지 궁금합니다.

장윤수 PL TLC 제품은 1개의 셀에 3가지 정보를 담기 위해 8 레벨(Level) 분포를 만들어야 합니다. 그에 비해 QLC 제품은 1개 셀에 4가지 정보를 담아야 하므로 16 레벨을 만들어야 합니다. 따라서 셀 특성의 기본 특성을 확보하는 것이 중요했는데요. 이를 위해 설계, 소자, 제품 등 모든 팀이 알고리즘 개발 및 소자 특성 개선을 위해 설계 단계부터 집중했습니다.

허황 PL 설계 관점에서 16 레벨을 만들기 위해서는 회로 특성 향상이 필요합니다. 특히 아날로그 회로 특성 개선이 요구된다고 판단해 이 부분에 가장 심혈을 기울였습니다.

강태훈 TL MLC에서 TLC로 넘어갈 때도 마찬가지였는데요. TLC에서 QLC로 전환되면서 변화되는 인자를 점검하였고, 이를 통해 예상되는 문제점 등을 사전에 도출해 대비했습니다. TLC와 동등한 수준의 품질을 확보하는 동시에 양산을 고려한 경쟁력 있는 Test Base-Line을 구축하기 위해 노력했습니다.

강정규 PL ‘목표에 대한 결과를 문제없이 지속적으로 보여줄 수 있는가’를 가장 중요하게 생각했습니다. 저희가 개발한 기술이 양산으로 이어졌을 때, 관리 가능한 수준에서 품질이나 수율 등의 문제가 없는 프로세스를 확보하는 것이 우선이었습니다.

Q. 프로젝트를 진행하면서 숱한 시행착오를 겪으셨을 텐데요. 개발 과정에서 어려운 점은 없었는지, 또 이를 극복할 수 있었던 비결은 무엇이었는지 궁금합니다.

허황 PL 사전에 준비를 많이 한 만큼 시행착오가 많지는 않았습니다. 저희는 제품 설계 전부터 다양한 팀과 함께 성능 목표를 달성할 방안들을 고민해왔는데요. 먼저 소자, 제품, 설계 구성원들이 협업하여 아이디어를 발굴하면 이를 구체화하기 위한 실험과 논의를 진행했습니다. 이를 통해 약점을 도출하고 개선하는 방안을 제시하여 양산 가능한 수준의 알고리즘을 구현하는 방식으로 준비했습니다.

장윤수 PL 허황 PL님 말씀대로 시행착오가 없었던 이유는 구성원들의 사전준비가 철저했기 때문입니다. 그리고 이 자리를 빌려 미래기술연구원 구성원들의 도움에 감사의 인사를 전하고 싶습니다. 미래기술연구원에서는 Test Vehicle을 통해 QLC의 가능성을 확인해주었고, 소자 특성 개선을 위해 지속적으로 실험하고 개선 항목들을 피드백해 주었습니다.

강정규 PL 목표에 대한 구성원들 간의 신뢰를 바탕으로 서로 의지하며 이겨낼 수 있었던 것 같습니다. 아직도 많은 문제들이 있지만 같은 긴박감과 열정으로 동료들과 함께 해결해나가고 있습니다.

강태훈 TL 다양한 Technology를 개발해오면서 경험한 것이 있습니다. ‘협업하면 문제는 반드시 해결된다’입니다. 제품, 설계, 소자, 공정 등 유관 부서 간의 유기적인 협업과 동료들에 대한 믿음으로 극복할 수 있었던 것 같습니다.

Q. 새로운 프로젝트를 수행하면서 업무 방식에 어떠한 변화가 있었나요?

강정규 PL 불필요한 보고 형식의 회의를 없애고, 함께 일하는 구성원들에게 프로젝트의 진행 상황과 중요 안건에 대해 매주 공유하는 시간을 갖고 있습니다. 이로 인해 구성원들이 업무의 중요도를 이해하고 자발적으로 문제를 해결할 수 있는 동기 부여가 되는 것 같습니다.

강태훈 TL 프로젝트에서 중요한 의사 결정을 할 때 탑다운(Top-Down) 형식이 아닌 바텀업(Bottom-Up) 형식으로 진행합니다. 이를 통해 구성원들이 자신의 의견을 적극적으로 낼 수 있는 QLC만의 문화가 형성된 것 같습니다. 실제 구성원들끼리 데일리 미팅을 하고 있는데, 문제 해결을 위해 자발적으로 의견을 개진하고 격의 없이 소통하고 있습니다.

장윤수 PL 저는 유연근무제를 꼽고 싶습니다. 팀마다 다르겠지만, 저희 팀의 경우 업무에 집중해야 할 시간이 필요한데요. 유연근무제를 통해 시간을 탄력적으로 관리할 수 있다 보니 업무에 더 열중할 수 있었던 것 같습니다.

자체 QLC 설계 기술로 용량은 Up, 가격은 Down!

Q. 이번 제품에 적용된 기술에 대한 아이디어는 어떻게 얻으셨나요?

허황 PL 기존의 4D 낸드플래시 역시 원가 경쟁력을 갖춘 좋은 플랫폼입니다. 안정성이 검증된 선행 플랫폼에 QLC 기술을 적용하면 원가 경쟁력을 더 효과적으로 확보할 수 있겠다는 생각이 들었습니다. 또 이전 제품에서의 시행착오와 노하우를 전수 받아 많이 참고했습니다.

강정규 PL BM이나 학계의 논문 등을 참고하는 경우도 일부 있었습니다.

Q. 이번 제품의 핵심 기술이라고 할 수 있는 QLC 기술에 대해 독자분들이 이해하기 쉽게 자세한 설명 부탁드립니다.

강태훈 TL 낸드플래시의 최소 저장단위를 셀이라고 하는데, 하나의 셀에 저장되는 비트 수에 따라 SLC부터 MLC, TLC, QLC까지 구분됩니다. 초기에는 셀 하나에 1bit를 저장하는 SLC로 시작해 MLC, TLC를 거쳐 4bit를 저장하는 QLC에 이르게 되었는데요. 동일 칩 사이즈 내에서 TLC와 QLC를 구현한다고 했을 때, TLC 대비 QLC가 33%의 용량을 확보할 수 있기 때문에 가격 경쟁력을 갖출 수 있습니다.

강정규 PL QLC 기술 개발 과정을 이런 식으로 비유할 수 있을 것 같습니다. 1개의 방에 1명이 쾌적하게 살고 있는데, 4명으로 늘어난다면 방을 사용하는 효율은 4배로 늘어납니다. (SLC→QLC) 하지만 방을 쓰는 인원이 1명에서 4명이 되므로 서로 불편하고, 다툼도 생기는 등 혼자일 때와 다르게 각자에게 영향을 많이 끼치게 됩니다. 그래서 이 4명의 성격을 무던하게 하든지, 각자의 몸집을 서로 영향이 받지 않을 정도로 작게 만들거나, 그것도 안되면 방의 면적을 키워주는 등의 해결 과정들을 QLC 기술 개발 과정이라고 이해하면 좋을 것 같습니다.

Q. 그렇다면 이번에 개발된 QLC 낸드는 어느 분야에서 활용될까요?

강태훈 TL QLC 낸드의 장점은 가격이 저렴하고 고용량을 확보할 수 있다는 것입니다. 이러한 강점을 내세워 대응하고 있는 분야는 서버나 데이터센터에 들어가는 고용량 기업용 SSD 시장입니다. 향후 낸드플래시 시장에서 QLC의 비중은 점점 확대될 예정이며, 기업용 SSD는 HDD를 빠르게 대체할 전망이므로 QLC 낸드의 수요는 점점 높아질 것으로 예상됩니다.

Q. 최근 SSD용 컨트롤러와 낸드 스토리지 디바이스를 개발•판매하는 업체에 샘플을 출하했는데요. 내부 평가와 클라이언트의 반응은 어땠나요?

강태훈 TL 컨트롤러 업체들의 평가 결과를 봤을 때, 경쟁사 두 곳도 함께 있었는데요. 자사 개발 목표의 70% 수준으로 제공된 샘플임에도 불구하고 퍼포먼스 측면에서 긍정적인 피드백을 받았습니다.

반도체 위기론을 돌파할 단 하나의 길, 기술혁신

Q. SSD는 수년 전까지만 해도 고급 부품으로 여겨져 가격이 매우 비쌌는데요. 기술이 빠르게 발전하고 생산성이 높아지면서 최근에는 점점 SSD가 HDD를 빠르게 대체하고 있는 추세입니다. 이번 제품이 메모리 시장에서 갖는 의미도 클 것 같습니다.

강태훈 TL SSD가 HDD에 비해 작고 가벼우며 처리 속도도 빠르다는 건 누구나 아는 사실일 겁니다. 하지만 쉽게 채택하지 못하는 이유가 바로 ‘가격’ 때문이거든요. 그 가격을 낮출 수 있는 기술이 바로 QLC이기에 시장에서 갖는 의미는 크다고 볼 수 있습니다.

강정규 PL 저비용•고용량의 대표적인 NAND 저장 기술은 현재의 QLC 제품입니다. 이를 통해 HDD 시장은 더욱더 빠르게 SSD로 전환될 전망입니다.

Q. 이번 기술 개발은 SK하이닉스에서 어떤 의미를 가질까요?

강정규 PL 선도적 기술력을 확보해 개발 우위를 미리 선점했다는 데 의의가 있을 것 같습니다. 대내외적인 어려운 환경 속에서도 기술혁신을 이뤄내는 SK하이닉스만의 집념과 저력을 다시 한번 보여준 게 아닐까 싶습니다.

허황 PL 기존에 SK하이닉스에서는 QLC 기술이 없었습니다. 경쟁사는 이미 기술을 양산하고 제품을 만들고 있는 상황이었고요. 어려운 상황임에도 불구하고 세계 최고 수준의 QLC 기술을 개발해 경쟁사와 동등 수준으로 나아가고 있다는 데 의미가 있는 것 같습니다.

강태훈 TL 자사에서 처음 개발하는 신제품임에도 불구하고 단기간 내 개발 목표를 달성해가는 모습을 통해 SK하이닉스 구성원들에게 ‘성공 자신감 DNA’를 심어준 게 아닐까 싶습니다.

Q. 최근 글로벌 메모리 반도체 시장의 다운턴(downturn)이 이어지고 있습니다. 이러한 반도체 위기론을 극복할 수 있는 돌파구는 결국 ‘기술혁신’이라는 생각이 드는데요. 이에 대한 개발자분들의 생각은 어떤지 궁금합니다.

강정규 PL 어려운 상황에서 더욱 빛을 내는 것이 기술력이라고 생각합니다. 기술혁신은 단기간에 이뤄지는 것이 아니기에, 항상 넓은 안목으로 멀리 보며 미래를 준비해야 합니다. 더불어 구성원 서로 간의 존중을 바탕으로 자유롭게 소통할 수 있는 문화 역시 기술혁신과 함께 만들어가야 한다고 생각합니다.

강태훈 TL 반도체 위기를 극복하기 위해서는 원가경쟁력을 확보해야 하며, 원가 경쟁력을 확보하기 위해서는 더 작은 면적에 더 많은 저장용량을 확보하는 기술혁신이 필요합니다. 개발자들에게 기술혁신은 반드시 해내야만 하는 숙명이기에 일상에서 작은 변화부터 끊임없이 실행하고 있습니다.

허황 PL 우리가 하는 업무 중에는 늘 혁신적인 아이템이 숨어있습니다. 그런 아이템들을 아이디어로 발전시켜 여러 사람과 논의하고, 그것을 구체화하는 과정에서 자연스레 기술혁신으로 이어지는 것 같아요. 이번 QLC 제품도 그랬고요.

장윤수 PL 지금까지 우리는 새로운 테크놀로지를 위해 정신없이 달려왔습니다. 하지만 그 과정에서 놓치고 지나치는 모르고 지나치는 부분들이 꽤 있습니다. 그런 부분들을 도출하여 문제의 근본 원인을 찾아내고, 그에 맞는 알고리즘을 만들어낸다면 그게 진짜 혁신이 아닐까요?

Q. 기술혁신을 이루기 위해 SK하이닉스의 기업문화가 크게 작용하는 것 같습니다.

강정규 PL 기술혁신이 하드웨어의 영역이라면, 기업문화는 소프트웨어라고 생각할 수 있어요. 소프트웨어가 제대로 갖춰지지 않으면 하드웨어가 아무리 좋아도 퍼포먼스가 발휘되지 않으니까요. 이와 함께 리더가 구성원들의 심리적 안정감을 심어주면서 시너지를 낼 수 있도록 하는 것, 그런 모습이 기술혁신의 큰 요소로 작용하는 것 같습니다.

장윤수 PL 기술혁신을 위해서는 충분한 시간이 주어져야 합니다. 프로젝트를 정신없이 끌고 가기만 한다면 아이디어가 나오기 힘들거든요. 자발적으로 아이디어를 떠올릴 수 있도록 고민할 시간을 주는 것도 중요하다고 생각합니다.

허황 PL 팀의 공동 목표를 자신의 목표로 내재화하면 모티베이션이 됩니다. 하지만 이것을 외부에서 하도록 강요하면 스트레스가 되거든요. 모티베이션이 많은 사람이 있고 적은 사람이 있지만, 팀 내 모티베이션이 많은 사람이 두 명만 있어도 나머지 팀원들에게 동기부여가 될 수 있어요. 이번 프로젝트에서도 역시 각 파트장님들이 높은 모티베이션을 가지고 팀을 이끌어 결국 기술혁신에 이르게 된 것 같습니다.

강태훈 TL 기업문화가 아무리 좋아도 구성원들에게 직접 전달되기가 쉽지 않습니다. 그래서 중간다리 역할이 매우 중요한데요. 여기 계신 PL님들을 비롯해 리더분들께서 구성원들의 눈높이에서 기업문화를 설명해주시고, 이를 실천할 수 있도록 동기부여를 많이 해주셨습니다.

Q. 반도체 위기론 속에서도 끊임없이 혁신을 거듭하는 SK하이닉스의 다음 목표는 무엇인지 궁금해집니다. 앞으로의 계획에 대해 한 말씀 부탁드립니다. 

강정규 PL 현재 개발 중인 QLC 기술력을 바탕으로 현재 진행 중인 3D NAND 개발 Node에 접목하여 경쟁사들보다 절대적 우위에 있는 Cost 경쟁력을 확보하는 것입니다.

장윤수 PL 이번 Technology에 적용되지 못한 기술들을 다음 스텝에서 적용하고, TLC를 대체할 수 있는 기술을 개발하는 것입니다. 허황 PL 현재 개발된 기술을 발전시키고, 추가 개선 기술을 개발하여 세계 최고 수준의 QLC를 개발하고자 합니다.

강태훈 TL 고객이 만족하는 제품에서 한 단계 더 발전시켜 고객에게 감동을 주는 제품 개발을 목표로 하고 있습니다. ‘품질 최우선’의 회사 문화에 입각하여 품질에 기반을 둔 제품 개발에 정진할 예정입니다.