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“차세대 표준이 될 4D 낸드(4D NAND) 혁신 기술을 선보이고 왔습니다”

SK하이닉스 NAND개발 최정달 담당이 FMS 2022(Flash Memory Summit 2022) 참석 후 소회를 밝혔다. FMS 2022는 SK하이닉스가 메모리 반도체 기술을 선도하는 회사로서의 위상을 다시 한번 확인한 자리였다. 아울러 D램 · 낸드 양 날개를 주축으로 미래 ICT 기술의 근간이 되는 첨단 반도체 기술 경쟁력도 여실히 보여줬다는 평가다.

FMS 2022에서 기술력을 증명한 SK하이닉스는 이번 성과를 통해 향후 ICT 기술 발전을 이끌 것이라는 포부를 내비쳤다. 글로벌 일류 기술 기업으로의 도약과 1등 마인드를 앞세운 개발 인력들의 끊임없는 노력을 통해 현재 4D 낸드 기술이 업계 표준처럼 인식되게 한 것에 이어, 향후에도 4D 낸드 기술의 차세대 표준을 주도할 수 있도록 기술 혁신에 박차를 가한다는 계획이다.

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▲ 최정달 NAND개발 담당이 FMS 2022에서 기조연설을 진행하고 있다.

뉴스룸은 FMS 디브리핑(Debriefing) 자리를 마련하고 최정달 담당(NAND개발), 김점수 담당(238단 개발), 심재성 담당(NAND QLC), 정우표 담당(NAND설계), 노금환 담당(NAND PE C&R)을 만났다. 다섯 명의 임원들을 통해 ‘SK하이닉스의 근거 있는 자신감, 글로벌 혁신 낸드 기술력’에 대해 들어봤다.

Debriefing#1 “4D 낸드 핵심 경쟁력, 전 세계에 알려”

최정달 담당에 따르면 SK하이닉스는 FMS 2022 키 플레이어로 참석, ‘238단 512Gb(기가비트) TLC* 4D 낸드(이하 238단 낸드)’를 비롯해 다양한 제품과 신기술을 선보였다. 특히 SK하이닉스는 수직 적층의 한계를 극복한 4D2.0 기술로 더욱 많은 관심을 받았다.

* 낸드 플래시는 한 개의 셀(Cell)에 몇 개의 정보(비트 단위)를 저장하느냐에 따라 SLC(Single Level Cell, 1개)-MLC(Multi Level Cell, 2개)-TLC(Triple Level Cell, 3개)-QLC(Quadruple Level Cell, 4개)-PLC(Penta Level Cell, 5개) 등으로 규격이 나뉨. 정보 저장량이 늘어날수록 같은 면적에 더 많은 데이터를 저장할 수 있음.

이번 행사를 진두지휘한 최 담당은 “차별화된 낸드 기술로 SK하이닉스의 위상을 드높인 자리”라고 총평했다. 또한, “SK하이닉스의 기술 방향성과 ‘4D 낸드 핵심 경쟁력’을 전 세계에 알린 소중한 기회”였다며 참석 의미와 성과를 밝혔다.

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▲ 최정달 NAND개발 담당이 산하 조직 임원들과 함께 4D 낸드 핵심 경쟁력에 관해 이야기하고 있다.

Q. 4D 낸드 핵심 경쟁력은 무엇인지 궁금하다.

최정달 담당 낸드 핵심 경쟁력은 일정, 원가, 품질, 성능 면에서 업계 최고 수준을 보유하고, 차별화된 고유의 기술로 경쟁 우위의 제품을 구현하는 데 있다. 당사는 2018년 96단에서 업계 최초로 당사 고유의 4D 낸드 제품화에 성공해 업계 최고의 기술 수준을 달성했다. 또한 96단 낸드부터 쌓은 노하우를 바탕으로 업계 최초 128단 · 176단 · 238단 낸드를 개발해 경쟁 우위를 점하고 있다.

이런 결과를 이끈 4D 낸드의 핵심 기술은 크게 세 가지로 대표된다.

1) Sideway Source는 전자의 이동 통로인 Source를 수평으로 연결하는 기술이다. 이를 통해 수직 구조인 셀 적층과 Source간 정렬에 덜 구애받게 되고, 결과적으로 수율을 확보하기가 용이해진다.

2) All PUC(Peri. Under Cell)는 구동회로(Peri.) 전체를 셀 하부로 넣는 기술이다. 이를 통해 기존보다 칩 사이즈를 더 줄일 수 있고, 생산 효율을 극대화하는 효과를 얻을 수 있다.

3) Advanced CTF는 전하를 플로팅게이트(Floating Gate, 도체)가 아닌 CTF(Charge Trap Flash, 부도체)에 저장하는 기술이다. 플로팅게이트 저장 방식 대비 단위당 셀 면적을 줄이고 읽기 · 쓰기 성능을 향상할 수 있다.

PUC (Peri. Under Cell)

PUC

주변부(Peri.) 회로를 셀 회로 하단부에 배치해 생산효율을 극대화하는 기술

CTF (Charge Trap Flash)

CTF

전하를 도체(①)에 저장하는 플로팅 게이트(Floating Gate)와 달리 전하를 부도체(②)에 저장해 셀간 간섭 문제를 해결한 기술로, 플로팅게이트 기술보다 단위당 셀 면적을 줄이면서도 읽기, 쓰기 성능을 높일 수 있는 것이 특징

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Q. 참관객 반응도 궁금하다. 가장 많은 관심을 받은 제품 · 기술은 무엇인가?

최정달 담당 세계 최고층 · 최소 면적 238단 낸드에 높은 관심을 보였다. QLC와 더불어 플로팅게이트 기반의 PLC와 CXL(Compute Express Link)* 성능을 극대화할 수 있는 소프트웨어 솔루션에 대한 질문도 많았다. 고객 평가 1등 품질과 초고층 낸드 기반의 SSD 제품을 소개할 때도 많은 이목이 집중됐다. 아울러 당사는 셀 적층 한계를 극복하면서도 고용량 · 고성능을 구현하는 차세대 4D 낸드를 4D2.0 기술로 정의해 기술 혁신의 방향성을 제시하고 낸드 분야를 선도하는 모습을 보여줬다. SK하이닉스 기술과 제품이 주목받고 있다는 것을 몸소 느낄 수 있었다.

* CXL: 고성능 컴퓨팅 시스템을 효율적으로 활용하기 위한 차세대 인터페이스. 대역폭(Bandwidth)과 용량을 경제적으로 늘릴 수 있는 메모리 솔루션으로 SK하이닉스는 최근 DDR5 DRAM 기반 96GB CXL 메모리 샘플을 개발함.

최정달 담당 이러한 진보적이고 혁신적인 기술은 비즈니스 파트너와의 긴밀한 협업과 고객 만족을 이룰 때 달성할 수 있다. 무엇보다 중요한 것은 하이지니어(SK하이닉스 구성원)의 VWBE*한 주도성, 그리고 패기 있는 도전 정신에 기반한다고 본다. 지금까지 당사가 독자적인 기술을 개발하고, 빠르게 성장할 수 있었던 것은 모두 하이지니어의 집념과 열정으로 이뤄낸 결과다. 앞으로도 이에 만족하지 않고 지속적인 성장을 함께 이뤄나가겠다.

* VWBE: 자발적(Voluntarily)이고 의욕적(Willingly)인 두뇌활용(Brain Engagement)을 의미하는 것으로, SKMS(SK Management System, SK경영체계)에서 강조하는 구성원에게 필요한 덕목 중 하나

Debriefing#2 “238단 TLC 4D 낸드 깜짝 공개, 기술 우위 빛나”

최 담당의 언급대로 행사에서는 238단 낸드에 많은 눈길이 쏠렸다. 개발을 이끈 김점수 238단 개발 담당은 “칩 사이즈 30% 이상 감소, All PUC 구조 등 고난도 기술이 적용된 만큼 관심이 남달랐다”고 언급했다.

또, 김 담당은 셀 기록 속도(tPROG, the Programing Time), 입출력 속도(I/O Speed), 읽기 전력 효율, 비트 그로스(Bit Growth) 등에서 기술 우위에 있는 제품이라고 강조했다.

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▲ 김점수 238단 개발 담당이 세계 최고층 238단 낸드를 공개하며 이 제품의 기술 우위에 관해 설명 중이다.

Q. 238단 낸드의 특장점을 조금 더 상세히 설명해 달라.

김점수 담당 SSD 성능에서 가장 중요한 부분은 셀 기록 속도와 입출력 속도다. 이 제품의 셀 기록 속도는 이전 세대 대비 10% 향상됐고, 입출력 속도는 초당 2.4Gb로 50% 향상됐다. 읽기 전력 효율도 20% 개선됐다. 고객이 저전력 제품으로 눈길을 돌리는 상황에서 시장 수요에 대응하는 제품으로 볼 수 있다.

비트 그로스(Bit Growth)*도 우수하다. SK하이닉스는 칩 사이즈를 획기적으로 줄이면서 34% 비트 그로스를 기대할 수 있게 됐다.

* 비트 그로스: 비트(bit) 단위로 환산한 생산량 증가율. 예를 들어, 지난해 1Gb(기가비트) 반도체를 1개 생산했고 올해 4Gb 반도체를 1개 생산했다면 3Gb만큼 증가했으므로 연간 비트 그로스는 전년 1Gb 기준 대비 3배인 300%가 됨

Debriefing#3 “QLC · PLC 개발도 순항… 미래 낸드 시장 정조준”

SK하이닉스는 176단 QLC, 모바일향 238단 QLC, 플로팅게이트를 활용한 192단 QLC 등도 대거 공개하며 FMS를 뜨겁게 달궜다. 특히 176단 1Tb(테라비트) QLC는 96단 1Tb QLC 대비 입출력 속도(1.6Gbps)는 2배 증가했고, 읽기 · 쓰기 성능은 각각 42%, 18% 향상된 점이 돋보였다.  심재성 NAND QLC 담당은 “QLC 영역에서도 세계 최고 기록이 빛났다”며 행사에서 공개된 주요 제품에 관해 설명했다.

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▲ 심재성 NAND QLC 담당이 176단 1Tb QLC를 비롯해 FMS에서 공개한 주요 제품에 관해 설명하고 있다.

Q. 모바일향 238단 QLC, 192단 QLC 개발 현황은?

심재성 담당 QLC는 모바일을 중심으로 본격화할 전망이다. 이에 SK하이닉스는 모바일향 238단 QLC 낸드를 개발 중이다. TLC · QLC 등 멀티 비트(Multi-bit) 저장(Retention) 특성이 우수한 플로팅게이트 기술을 활용하여 cSSD(client SSD, 고객용 SSD) · eSSD(enterprise SSD, 기업용 SSD)향 192단 QLC도 개발하고 있다. QLC 대비 셀당 비트 집적도가 25% 증가한 PLC 역시 준비하고 있다.

Q. 적층수 및 비트 집적도를 높이기 위해 어떤 노력을 하고 있는지?

심재성 담당 SK하이닉스는 4D 낸드 기술을 선제적으로 개발하고, 멀티 로우(Multi-Row)* 기술을 적용하는 동시에 QLC · PLC 등 멀티 비트로 기술 방향을 빠르게 전환했다. 그 결과 셀 적층수와 비트 집적도를 업계 최고 수준으로 달성했다. 이는 품질 유지 공정과 더불어 설계 · 테스트 기술이 뒷받침되었기에 가능했다.

* 멀티 로우(Multi-row): 셀 적층 구조 여러 개를 연속적으로 배치하는 기술. 아파트 단지에 여러 동의 건물을 배치하는 것과 같은 개념

Debriefing#4 “4D2.0 기술 공개… 차세대 기술 표준 기대해”

심 담당의 설명에서 짐작할 수 있듯 SK하이닉스는 한계를 돌파하는 차세대 기술을 지속해서 개발 중이다. 같은 맥락에서 탄생한 것이 4D2.0이다.

4D1.0은 낸드 구동회로(Peri.)를 셀 영역 밑으로 넣어 칩 사이즈를 줄이는 기술을 말한다. 동일한 면적에 고용량을 구현할 수 있는 장점이 있지만, 칩 사이즈를 줄이는 만큼 셀 적층수를 올려야 하기 때문에 기술이 언젠가 한계에 다다를 수 있다. SK하이닉스는 셀 집적도를 수평적으로 증가시키는 데서 답을 찾았다. 이러한 개념을 반영한 기술이 바로 4D2.0이다. 정우표 NAND설계 담당에 따르면 차세대 표준으로 기대되는 기술이다.

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▲ 정우표 NAND설계 담당이 수평적 집적도 증가를 통해 적층 한계를 극복하는 4D2.0 기술에 관해 설명 중이다.

Q. 4D2.0의 핵심 기술이 궁금하다.

정우표 담당 기존 셀을 미세 공정을 통해 2개의 작은 셀(Small Size Cell)로 나누어 데이터를 저장하는 MSC(Multi Site Cell)가 핵심이다. 셀 집적도를 높이면서 적층수를 줄이는 효과가 있다. 예컨대 하나의 셀에 6bit의 데이터를 저장한다고 가정하자. 이는 0과 1이라는 2개의 신호를 26=64개의 서로 다른 State(전압 상태)로 조합해야 구현할 수 있다. 하지만 제한된 전압 구간에 64개의 State를 만들기는 매우 어렵다.

이를 극복하기 위해 셀 2개를 조합한 MSC 기술을 활용하면, 셀당 3bit 즉 23=8개의 State를 만드는 것으로 8x8=64개의 State 구현이 가능하다.

결과적으로 3bit의 MSC를 통해 단일 셀로는 구현하기 어려운 6bit 셀과 동일한 용량을 확보하게 되는 셈이다.

Q. 4D2.0이 만들 낸드 시장의 미래가 궁금하다

정우표 담당 수직 적층 및 사이즈 축소가 반복되면 셀 품질은 떨어질 수밖에 없다. 때문에 미래에는 적층 기술만으로는 데이터 용량을 증가시키기 어려워질 것이다. 수평적으로 집적도를 높이는 MSC를 핵심으로 하는 4D2.0은 이런 한계를 극복할 수 있다. 추후 업계 표준으로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대된다.

Debriefing#5 “기술 난이도 향상… 품질 확보도 최우선”

낸드 기술이 고도화됨에 따라 품질 확보에도 어려움이 예상된다. SK하이닉스 역시 개발 과정에서 여러 난제에 맞닥뜨렸고, 품질 향상에 더 많은 공을 들일 수밖에 없었다. 이에 노금환 NAND PE C&R 담당은 품질평가 1위 성과를 강조하며 “앞으로도 SK하이닉스의 높은 품질은 유지될 것”이라고 언급했다.

최근 주요 모바일 · SSD 업체의 품질평가에서 SK하이닉스 128단 · 176단 제품이 1위를 기록했다. 노 담당은 4D 낸드 개발 플랫폼 및 양산 안정화가 주효했다고 분석한다. 불량 건수도 현저히 감소했다. 현재 SK하이닉스는 안정화된 프로세스에 기반해 신제품을 개발 중이며, 다양한 품질 향상 기술과 솔루션을 도입할 예정이다.

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▲ 노금환 NAND PE C&R 담당이 낸드 품질 향상과 관련된 도전 과제를 밝히고 있다.

Q. 품질 관련 최대 현안과 앞으로의 도전 과제가 궁금하다.

노금환 담당 셀 적층수 증가와 더불어 셀 간 간격이 계속해서 좁아지고 있다. 때문에 셀 영역 내 불량이 증가할 우려가 높다. SK하이닉스는 이런 현안에 대응하고자 낸드의 DFM(Design For Manufacturing)*, Inline 관리 강화, AI 머신러닝(Machine Learning)을 활용한 원천 품질 고도화, 솔루션 알고리즘을 활용한 불량 제어 등 다양한 방안을 추진 중이다.

* DFM: 제조 상황을 고려해 설계하는 것. 신뢰성 높은 제품을 만들기 위한 설계 또는 생산성 설계도로 부른다.

 

이번 FMS 디브리핑에서는 SK하이닉스의 낸드 분야 최고 전문가인 임원 5인 인터뷰를 통해 회사 성장의 한 축을 담당하고 있는 낸드 기술 핵심 경쟁력과 더불어, 글로벌 일류 기술 기업으로서의 위상을 강화해나가는 낸드 혁신 기술과 미래 ICT 시장에 선제적으로 대응할 수 있는 전략 그리고 가능성을 엿볼 수 있었다.

SK하이닉스는 기술 방향성에 맞춰 제품을 고도화하는 한편, 내년 상반기 238단 낸드를 양산하고, 이를 응용한 모바일향 제품 및 cSSD와 eSSD를 차례로 출시한다는 계획이다. 고용량 수요에 대응하기 위해 238단 1Tb QLC 제품도 준비하고 있으며, QLC에서 PLC로 멀티 비트 저장 능력을 강화하는 것은 물론, 그간 주도해온 4D 기술을 고도화한 차세대 기술 4D2.0 시대를 예고하며 미래 수요에 대응해 나가고 있다.

최정달 담당은 디브리핑을 마치며 “최근 10년 이상의 ICT 업계를 돌아보면 자기만의 고유한 기술을 가진 기업만이 글로벌 일류 기술 기업으로의 위상을 확보할 수 있었다”며 “4D1.0 낸드 기술을 기반으로 성공적인 램프-업(Ramp-up, 수율 향상)을 통해 경쟁력을 유지하고, 우리만의 4D2.0 낸드로 기술 혁신을 이뤄나가겠다”고 밝혔다.

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