코로나19 규제가 완화되며 일상이 회복되고 있지만, 팬데믹이 가져온 변화 중 일부는 여전히 우리 삶에 영향을 주고 있다. 우리는 언제 어디서든 세상과 연결할 수 있는 다양한 기술에 점점 더 의존하게 되었고, 이러한 변화는 전례 없는 방대한 양의 데이터를 생성하고 있다. 그뿐만 아니라 챗GPT, 메타버스 등 데이터 중심의 기술들은 우리 일상에 더욱 깊이 자리 잡고 있다.

이러한 기술의 핵심은 반도체로, 반도체 기업들은 증가하는 기술 요구 사항을 충족하기 위해 제품을 발전시켜야 하는 과제에 직면했다. 그러나 이를 통해 PPAC* 측면에서 더욱 빠르고 효율적인 반도체 기술을 개발할 기회도 함께 열렸다.

* PPAC: 성능(Performance), 전력(Power), 칩 크기(Area), 비용(Cost)

반도체 기업들의 메모리 혁신은 데이터 폭발 시대의 문제를 해결할 핵심 솔루션 중 하나로 여겨지고 있다. 이에 따라 메모리 기술에서는 고성능 · 저전력 · 저비용 · 고용량 등을 표준 사양으로 제공하는 것이 중요해졌다. 아울러 메모리 월(Memory Wall)*에 따른 문제를 효과적으로 제거할 수 있는 보다 스마트한 솔루션도 요구되고 있다.

* 메모리 월(Memory Wall) : 프로세서의 속도 향상 추세는 메모리 속도보다 빠르기에 두 구성 요소 간 성능 차이가 발생하여 시스템 병목 현상의 주요 원인이 됨

한편, 방대한 데이터 및 미세화 기술에 대한 과제는 메모리가 메모리 중심 컴퓨팅(Memory-Centric Computing)은 물론 시스템 아키텍처(System Architecture)에 더욱 밀접하게 관여할 기회를 제공하고 있기도 하다.

이 글에서는 SK하이닉스와 같은 반도체 기업이 오늘날 첨단 기술에 쓰이는 이머징 메모리(Emerging Memory) 솔루션을 어떻게 바라보고 있는지 살펴보고자 한다. 

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이머징 메모리의 진화 : PCM에서 SOM까지

차세대 컴퓨팅을 위한 메모리 혁신은 여러 단계를 거쳐 이뤄진다. 이 혁신은 새로운 애플리케이션을 지원하는 기술 개발로 시작해, 궁극적으로 저장과 연산의 경계를 허무는 단계로 이어지고 있다. 예컨대 CXL(Compute Express Link)*과 같은 새로운 인터페이스의 도입이다. 메모리뿐만 아니라 GPU, AI 가속기 등 다양한 솔루션을 효율적으로 통합 활용할 수 있도록 만들어진 CXL은 새로운 메모리에 더 많은 기회를 제공하고 있다.

3D XPoint(크로스포인트) PCM(Phase-Change Memory)*과 같이 이전 솔루션을 뛰어넘어 프로세스가 단순화되며 더 나은 성능을 제공하는 칼코제나이드(Chalcogenide)* 기반 메모리를 포함한 다양한 연구가 혁신의 출발점이다.

* CXL(Compute Express Link) : 고성능 컴퓨팅 시스템을 효율적으로 구축하기 위한 PCIe 기반 차세대 인터커넥트 프로토콜
* PCM(Phase-Change Memory) : 특정 물질의 상(Phase) 변화를 이용해 데이터를 저장하는 방식의 메모리 반도체(상변화 메모리). 전원을 꺼도 정보가 지워지지 않는 플래시 메모리(Flash Memory)의 장점과 처리 속도가 빠른 DRAM의 장점을 모두 갖고 있음

* 칼코제나이드(Chalcogenide) : 최소한 하나의 16족(칼코젠) 원소와 하나 이상의 양전성 원소로 구성된 화합물

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3DXP 제품은 여러 시스템 솔루션에서 구현된 바 있다. 그러나 PCM은 기본적인 장치 특성상 쓰기 속도가 느리고 내구성에 문제가 있었다. 최근 몇 년간 속도 및 내구성 문제를 해결하기 위해 상당한 노력을 이어왔으나, 여러 한계로 인해 시스템 애플리케이션에서 몇 가지 문제를 보였다. 크로스포인트 상변화 메모리(Cross-Point Phase-Change RAM) 셀의 고종횡비(High Aspect Ratio)*는 기술 확장성에서 주요한 걸림돌이 되어왔다.

* 고종횡비(High Aspect Ratio) : 가로 대비 세로 비율이 높음 

이에 SK하이닉스 미래기술연구원 Revolutionary Technology Center(이하 RTC) SOM(Selector Only Memory)과 같은 칼코제나이드 기반 메모리 솔루션을 연구해 성능을 높이고 프로세스를 간소화했다. 이 연구의 결과는 2022IEDM*에서 공유되었다. 짧게 설명하자면, 새로운 SOM은 양방향 작동에서 메모리와 셀럭터 역할을 모두 수행하는 이중 기능성 소재를 사용하기에, 이전에 사용되었던 PCM과는 구조가 다르다. 또한, SOMPCM이 널리 채택되지 못한 문제점을 해소했으며, 이미 존재하는 칼코제나이드 제조 시스템을 활용하기에 신소재가 직면하는 여러 장애물에도 영향을 받지 않는다는 이점이 있다.

* IEDM (국제전자소자학회, International Electron Device Meeting) : 반도체 및 전자 장치 기술, 설계, 제조, 물리 및 모델링 분야의 기술 혁신을 보고하기 위한 국제 포럼 

SOM은 아래 그림과 같이 통계적으로 유의미한 분포에서 20나노초(ns)의 쓰기 속도와 최대 1,000만 회 쓰기 사이클(Write Cycles)을 보여주었다. 이렇듯 SOM은 잠재력이 높지만, 한편으론 CXL 메모리 솔루션과 관련하여 양방향 작동 및 내구성 향상과 같은 몇 가지 기술적 과제를 해결해야 한다.

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VSOM: SOM 개발의 다음 단계

SK하이닉스는 현재 칼코제나이드 기반 CXL 메모리 구조(Architecture) VSOM(Vertical SOM)으로 발전시킬 수 있다고 확신하며 개발을 지속하고 있다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, VSOMSOM 재료를 활용하여 3D NAND와 유사한 구조를 가진 초고집적도 메모리 솔루션을 개발할 수 있는 이점을 갖는다. SK하이닉스는 2022 IEEE* 국제메모리워크숍(IEEE International Memory Workshop, IEEE IMW)에서 VSOM의 실현 가능성 연구를 발표한 바 있다. 그러나 VSOM은 아직 초기 연구 단계이고, 칼코제나이드 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정 등 중요한 소재 혁신도 필요하다. SK하이닉스는 이 분야에서 큰 발전을 이루기 위하여 향후 몇 년간 소재 부문 솔루션 파트너와 협업을 이어 나갈 계획이다.

* IEEE(전기전자공학자협회, Institute of Electrical and Electronics Engineers) : 1884년 설립된 미국전기공학자협회(American Institute of Electrical Engineers, AIEE)와 1912년 설립된 통신협회(Institute of Radio Engineers, IRE)가 1963년 합병해 만들어진 전기, 전자, 전산 분야의 국제기구이자 학회이다. 전기, 전자공학, 컴퓨터공학 계열에서는 세계에서 가장 영향력 있는 학회로 평가받고 있으며, 해당 분야에서 수없이 많은 표준을 만들어 내고 있다. 

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이머징 메모리는 수많은 기회와 장점을 제공하지만, 각 재료의 물리적 특성이 달라 모든 애플리케이션에 이상적이지는 않다. 아래의 표는 이머징 메모리 간의 비교로 이 지점을 설명한 것이다.

이에 로직(logic) 기술*에서의 PPAC 트레이드 오프(PPAC trade-off)* 와 유사한 방식을 통해 타깃(Target) 애플리케이션에 대한 비용, 내구성 및 지연 시간 등을 신중히 검토해야 한다.

* 로직(logic) 기술 : IDM 및 파운드리에서 생산되는 로직 칩을 제조하는 데 사용되는 CMOS 기술
* PPAC trade-off : 소비전력, 성능, 면적 및 비용 요소 사이의 균형

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비욘드 메모리(Beyond Memory) 시대를 실현하는 ACiM

궁극적으로 이머징 메모리 솔루션은 연산과 저장의 경계를 허물어 비욘드 메모리 시대를 실현하는 중요한 역할을 할 것이다. ACiM(Analog-Compute in Memory)*은 비휘발성 메모리의 특성으로 동시 연산 및 저장의 가능성이 있으며, 이러한 점에서 최근 몇 년 동안 학계와 산업계에서 차세대 컴퓨팅을 위한 에너지 효율적인 AI 가속기로서 큰 관심을 받고 있다.

* ACiM(Analog-Compute in Memory) : 컴퓨팅과 메모리 사이의 경계를 없앤 차세대 AI 반도체를 위한 기술

RTCACiM의 셀이 일반 메모리 셀과 공통점이 많은 동시에 고유한 선형 최적화도 제공하기 때문에 그 가능성을 평가하고 있다. RTC CMOS 기술에 내장된 저항성 RAM 기반 시냅스 셀 성능을 16레벨 가능성에 대해 시연하며 우수한 set/reset 특성을 확인했다. 이 연구 결과는 향후 발표될 예정이다. 

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이머징 메모리의 미래를 위해 필수적인 R&D 생태계

이머징 메모리 기술은 차세대 컴퓨팅에 많은 기회를 제공해 줄 수 있다. 특히 이종집적(Heterogeneous integration) 제품을 이용한 다양한 방법의 시스템 통합(System integration)은 이머징 메모리에 많은 기회를 열어 줄 수 있다. 그러나 이를 도입하기 위해선 완전히 새로운 메모리 생태계를 구축해야 한다는 것 또한 피할 수 없는 사실이다. 이머징 메모리의 도입은 CXL 메모리나 비욘드 메모리 솔루션, 어느 쪽을 택하든지 STCO(System technology co-optimization)*의 테스트 케이스가 된다. 이를 실현하기 위해 R&D 생태계를 다시 구축하고 생태계 전반에 걸쳐 협업하는 것이, 차세대 컴퓨팅으로 나아가며 현재의 폰-노이만 컴퓨팅 구조의 메모리 월 문제를 극복하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

* STCO(System technology co-optimization) : 메모리, 프로세서, 혼합 신호 IP 및 센서를 단일 패키지로 결합하는 프로세스 

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그러므로 메모리 혁신의 여정은 메모리 생태계의 일부인 모든 기업과 학계가 협력하여 컴퓨팅의 다양한 문제를 해결해야만 가능하다.

“한 아이를 키우려면 온 마을이 나서서 힘을 합쳐야 한다.”

힐러리 클린턴이 언급했던 문구처럼 R&D 생태계는 차세대 컴퓨팅 시스템을 위해 모든 단계에서 함께 일을 해야 함을 일깨워 준다. 이제 반도체 분야의 사람들이 모여 새로운 메모리의 미래를 실현할 때가 왔다고 믿는다.

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