DRAM이나 낸드 플래시가 현재 메모리 반도체 시장의 주류를 이루고 있지만, 향후 뉴메모리는 미래의 반도체시장에 새로운 동력이 될 전망이다. 최근 인텔, IBM, 삼성전자, SK하이닉스 등 국내외 굴지의 반도체 기업들이 뉴메모리 기술개발에 열중하고 있는 이유도 이 때문이다.
글｜이규택(한국산업기술평가관리원 임베디드SW PD실 PD)
김효원(한국산업기술평가관리원 전자전기팀 전임)
원유집 단장·이성진 박사(차세대 메모리 기반의 스마트 디바이스용 임베디드 시스템 소프트웨어 사업단)
뉴메모리는 현재 전 세계적인 연구개발 투자에 힘입어 상용화가 가시권에 있는 상황이다. 뉴메모리로 통칭되는 STT-MRAM(Spin-Transfer Torque Magnetoresistive RAM), ReRAM(Resistive RAM) 등의 메모리 소자는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 낸드 플래시의 미세화, 집적화 한계(DRAM은 15나노, 플래시는 10나노)를 극복하는 ‘고(高)집적화, 고속, 저전력 메모리’를 구현할 미래 꿈의 소자로 전망되고 있다.
뉴메모리의 비휘발성 나노 저장 소자는 DRAM과 동일한 접근 속도와 바이트 단위의 접근 특성을 가지므로 주기억장치로 사용이 가능하며, 동시에 비휘발성과 대용량화를 통해 보조기억장치의 역할도 수행 가능하다. 또한 주기억장치와 보조기억장치의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 특히 DRAM과는 달리 리프레시가 필요하지 않으므로 전력 소모가 낮은 것이 특징이다.
즉, 뉴메모리가 주기억장치와 보조기억장치의 역할을 동시에 수행함으로써 현재 주기억장치와 보조기억장치로 구성된 현대의 정보기기(스마트폰, 스마트 TV, 스마트 패드, 노트북, PC, 서버 등)의 HW적 구성에 변혁이 예상된다. 또한 시스템의 구조가 현재의 계층적 구조에서 메모리와 스토리지가 융합된 단일수준 구조로 변혁될 것으로 예측된다.


뉴메모리 소자의 특성
STT-MRAM은 바이트 단위의 고속 접근성을 가지며, 비휘발성을 갖는 차세대 메모리 기술로, DRAM보다 빠른 속도와 DRAM에 근접하는 용량을 가진다. 또한 전력 소모도 DRAM이나 플래시 메모리보다 훨씬 적으며, 누설전류가 없다. 또한 DRAM과 비슷하거나 더 간단한 공정으로 생산 단가가 DRAM과 필적하거나 그보다 낮을 것으로 전망된다.
이미 에버스핀(Everspin)에서 개발한 비휘발성을 갖는 차세대 4 MB MRAM 칩이 BMW의 S-1000RR 슈퍼바이크에 채용됐으며, 16 MB MRAM 칩을 판매 중이다.
 
한편 삼성전자는 자기적 성질을 이용해 정보를 저장하는 차세대 반도체 ‘MRAM’의 원천특허를 보유한 미국의 그란디스(Grandis)를 인수(2011.08)했으며, 하이닉스와 도시바(Toshiba)는 STT-MRAM 개발을 위한 협력 연구(Toshiba Semiconductor, 하이닉스 반도체, 2011.07.13)를 시작했다. 그리고 지식경제부(현 산업통상자원부)는 2015년 30 nm 공정 STT-MRAM 양산을 목표로 4,000만 달러를 연구개발에 투자(주관: 한양대학교, 기업: 삼성전자, 하이닉스, 세계시장 점유율 45% 목표)한 바 있다.
PRAM(Phase change RAM)은 DRAM에 비해 읽기는 2~5배(20 nsec), 쓰기는 10~20배(100 nsec)가 느린데, 현재 50 nm PRAM이 양산(2009년 삼성 60 nm 512 GB PRAM 양산)되고 있다. 하지만 PRAM은 프로세스의 주소 공간(DRAM)의 대체가 어려워, 고속/모바일 ‘스토리지’로서 시장을 모색 중인 상황이다.
뉴메모리 기반의 임베디드 이슈
뉴메모리가 본격적으로 적용되게 되면 임베디드 시스템, 디바이스 그리고 킬러 앱 측면에서 새로운 변화가 나타날 것으로 보인다.
먼저 임베디드 시스템 측면에서 보자. 현대의 운영체제는 메모리와 저장장치의 접근 속도차이를 극복하고 시스템의 성능을 향상시키기 위해 메모리와 저장장치를 근본적으로 다른 시각에서 접근, 관리하고 있다. 그러나 주기억장치와 보조기억장치의 요구조건을 모두 만족시키는 STT-MRAM의 등장은 기억장치간의 경계를 없애게 되므로, 궁극적으로 주기억장치(메모리)와 보조기억장치(저장장치)를 융합시킬 것으로 예상된다.
이를 효과적으로 활용하기 위해서는 임베디드 운영체제(OS), 킬러 앱, 프로그램 개발환경(링커, 로더, 컴파일러), 그리고 현존 메모리와 뉴메모리를 효과적으로 결합하는 새로운 형태의 HW 구조가 개발돼야 한다. 이렇게 개발된 원천기술은 스마트폰, 스마트 TV, STB와 PC, 서버, 노트북 등의 다양한 정보기기에 탑재될 수 있을 것이다.


뉴메모리 기술, 어디까지 왔나
뉴메모리와 관련한 기술개발은 국내외를 막론하고 진행되고 있다.
먼저 국내 상황을 보면, SK하이닉스의 경우 PRAM 등 차세대 메모리 반도체를 새로운 성장동력으로 키우기 위한 전략을 세웠다. 차세대 반도체인 뉴메모리 디바이스를 PRAM, STT-MRAM 그리고 ReRAM 세 가지로 정립하고 IBM, Toshiba, HP 등과 개발 및 제휴를 맺은 상태다.
또한 HP와 ReRAM을 공동개발하고 있으며(Hynix Press Release 2010.09.01), 도시바와 STT-MRAM 공동개발 및 공동생산 제휴를 맺으면서 뉴메모리 연구를 적극적으로 추진하고 있다(매일경제 2011.07.27). 하이닉스의 경우 2010년에 64 MB STT-MRAM 프로토타입을 내놓기도 했다.
특히 지난 3월 8일, ‘반도체·디스플레이 기술 로드맵 세미나’에서 피승호 SK하이닉스 미래기술원 연구개발 개발실장(상무)는 “고대역폭 메모리 개발과 함께 당장 뉴메모리가 시장을 주도하는 것은 아니나, 미래를 대비하지 않으면 위험요소가 될 수 있어 STT-MRAM, ReRAM 등 뉴메모리를 준비하고 있다”고 밝혔다.
삼성전자의 경우, 마이크론(Micron), HMC(Hybrid Memory Cubic)와 공동개발 제휴를 맺는 한편, STT-MRAM 장비회사인 그란디스(Grandis)를 인수하는 등 차세대 메모리 시장 선점에 역량을 집중하고 있다.
 
삼성전자의 8 GB PRAM은 2012년 기준으로 DRAM의 최대 용량이 4 GB인 것과 비교하면 PRAM을 통해 DRAM보다 대량의 메모리 구현이 가능함을 보여 줬다(ISSCC, 2012). 또한 읽기 성능은 대역폭 측면에서 LPDDR2 DRAM(800 Mbps/pin)의 성능을 이미 제공하고 있으며, 쓰기 성능은 최대 133 MB/s가 가능하다. PRAM의 경우 공정크기가 축소되면 읽기 성능이 더욱 개선되는 특징을 가지므로 읽기 성능은 20 nm 초반 및 sub-20 nm에서 추가 개선될 것으로 기대된다.
현재 상용화되고 있는 PRAM 및 MRAM의 경우 대부분 기존의 메모리 인터페이스를 그대로 사용하고 있다. 뉴모닉스(Numonyx, 현재의 마이크론)가 2010년 ISSCC에서 발표한 1 GB PRAM은 NOR 인터페이스 사용하고, 에버스핀의 MRAM은 SRAM 인터페이스를 사용했다. 삼성전자에서 2011년과 2012년 ISSCC에 발표한 1 GB, 8 GB PRAM은 LPDDR2-N 인터페이스 사용했다.
개발 추이에 따라 STT-MRAM은 Cell Size 측면에서 2015~2016년에 DRAM Cell Size인 6을 달성하고 그 후 추가 크기 감소가 가능해 DRAM 보다 낮은 비용의 메모리 구현이 가능할 것으로 예측된다.
 
해외의 뉴메모리 HW 플랫폼 동향을 보면, 지난 2015년 7월, 인텔-마이크론(Micron)은 새로운 스토리지용 메모리 기술인 ‘3D Xpoint’를 공개, 메모리 칩 생산을 시작했다. PCM으로 추정되는 메모리를 활용해 비휘발성을 확보하면서 낸드 플래시보다 1000배 빠른 성능을 갖고 있다.
이외에 뉴메모리 소자 개발을 위해 미국은 DARPA(미국 국방 고등 연구 계획국)의 사업으로 2008년 10월부터 4년간 스핀트로닉스를 활용하는 수평형 STT-MRAM의 재료, 소자, 회로 기술을 개발하는 프로젝트 지원하고 있다(그란디스, 1,500만 달러/4년), NSF 사업으로 연간 1,820만 달러를 지원함으로써 지역별 대학연구 센터를 두고 6개의 반도체 기업 인텔, IBM, TI, AMD, Freescale, Micron이 참여해 테라급 차세대 메모리 원천기술을 연구 개발 중이다.
EU는 2010년 이후 메모리 소자 연구 개발을 대부분 EU-FP7(Frame Program 7)과 같은 국제 협력 사업의 일환으로 메모리 소자 연구 개발을 지원하고 있다. 벨기에 IMEC과 프랑스 CEA-LETI 등의 연구소에서도 많은 연구 개발이 진행되고 있으며, 차세대 뉴메모리로 ReRAM 및 STT-MRAM과 유기메모리, 임베디드 SOI MOSFETs 등에 대한 R&D 연구개발도 활발히 진행 중이다.
일본은 NEDO(New Energy Development Organization)와 문부 과학성에서 2006년부터 주춤하고 있는 자국의 반도체 기술 경쟁력 강화를 위해 산학연 공동 STT-MRAM 원천 기술 연구 개발을 국가 정책 사업으로 지원하고 있다. 또한 일본의 과학기술정책국은 STT-MRAM 양산 기술 개발을 위해 2010년 3월부터 ‘The leading-edge R&D support project’를 착수했다.
또한 2009년 6월에 개최된 ‘Sym-posium on VLSI Circuits’에서 히타치가 32 Mbit의 대용량 STT-MRAM의 시제품을 선보였고, 도시바는 2010년
2월에 개최된 ISSCC 학회에서 64 Mbit급의 대용량 MRAM 시험 제작 결과를 발표하기도 했다.
뉴메모리 소자 개발 분야에서는 PCM, STT-MRAM, ReRAM 등 다양한 소자에 대한 연구가 진행되고 있지만, 현재 용량적 측면에서 경제성을 가지며 상용화 수준에 도달한 뉴메모리 소자는 현재까지는 PCM뿐이다. 이로 인해, 뉴메모리 소자용 컨트롤러 기술은 PCM 메모리용 컨트롤러 기술에 집중되고 있다. PCM은 속도와 수명의 측면에서 한계를 가지고 있기 때문에 이를 해결하기 위해 웨어레벨링, 캐싱, 쓰기 횟수 절감 등의 기술들이 연구되고 있다.


뉴메모리 시장 현황 및 전망
뉴메모리는 아직 연구 초기 단계이기 때문에 산업계에서 사용되는 사례는 극히 일부다. 그러나 활발한 연구가 진행되고 있고, 향후 큰 시장 규모를 가지게 될 것으로 예측되고 있다. 국내에서는 2015년부터 30 nm 공정 STT-MRAM 양산을 목표로 한 연구개발이 진행 중이며, 2015년 530억 달러로 전망되는 STT-MRAM 시장에서 국내업계는 45%(239억 달러)의 점유율을 차지할 것으로 예측된다.
Yole Development는 ‘New Emerging-Memory Market’ 리포트에서 2018년에 DRAM 기술을 대체할 가장 적합한 기술이 STT-MRAM이라고 전망했다.
 
마이크론과 파나소닉이 지원하고 있는 ReRAM 기술도 각광받고 있다. 임베디드 MCU, 웨어러블과 스마트카드 그리고 기업형 스토리지 클래스 메모리와 같은 시장에서 ReRAM과 STT-MRAM이 2015~2016년에 경쟁할 것으로 전망된다.
마이크론과 A*STAR가 2011년 체결한 STT-MRAM 관련 공동 개발 프로젝트를 2014년 12월에 3년간 더 연장한다고 발표하기도 했다.
코플린 연합에서 발표한 보고에 따르면, 2013년에 1억 9,000달러 규모의 MRAM 시장이 2019년에는 20억 달러 시장으로 성장할 것으로 내다보았다.
앞으로 몇 년 내에 MRAM과 STT-MRAM이 SRAM과 DRAM을 대체할 것인데, ReRAM이 플래시 메모리를 대체하는 것보다 빠르게 진행될 것으로 본 것이다. 또한 MRAM과 STT-MRAM의 연간 수송 용량이 2013년의 80 TB에서 2019년에는 16.5 PB으로 증가할 것으로 예상했다.
한편 메리츠증권은 DRAM 미세화 기술은 20 nm 이하부터는 한계에 부딪히게 되지만, QPT(Quadruple Patterning Technology)와 STT-MRAM 신규 도입을 통해 극복될 것으로 예상했다. 그란디스는 STT-MRAM이 본격 양산이 되면 2016년에는 18 nm, 2020년에는 10 nm까지 개발될 것으로 전망하고 있으며 유럽 최대 나노 및 반도체기술 연구소인 IMEC은 2017~2018년 STT-RAM의 양산을 예상하고 있다.


뉴메모리의 세 가지 파급 효과
뉴메모리의 파급효과는 크게 기술, 산업, 경제적 측면에서 살펴볼 수 있다.
기술적 파급효과
우선 기술적 파급 효과가 발생할 수 있다. 첫째, 컴퓨터 SW 핵심 기술을 선점할 수 있다. 뉴메모리 전용 모바일 브라우저, 사회연결망 SW, 멀티미디어 SW 등 다양한 킬러 앱을 개발하고, 뉴메모리 신수요를 창출해 SW 기술 주도권을 확보할 수 있다. 새로운 운영체제의 기본 구조를 정립하고, 운영체제 개발을 위한 핵심 기술을 조기에 도출함으로써 새로운 운영체제 개발에 있어 기술적 선점 효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 그에 바탕을 둔 응용 SW의 개발 기술 확보도 기대할 수 있다. 특히 고도의 신뢰성 확보, 시스템 성능 개선, 영속성 지원, 고속 부팅, 메모리-스토리지 전환, 에러 복구 등의 기본 기술 선점이 가능하다.
둘째, 컴퓨터 HW 핵심 기술을 선점할 수 있다. 비휘발성을 지원하는 뉴메모리로 인해 메모리와 스토리지가 융합되게 되면, 이를 효율적으로 지원하는 HW 기술이 필요하며 이를 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 객체의 원자적인 쓰기를 성능 저하를 최소화하면서 지원하기 위한 HW 기술 확보 및 선점하고, 새로운 대용량 메모리의 효율적인 지원을 위한 설계 기술 확보 기대해 볼 수 있다(MMU 기술 등).


산업적 파급 효과
산업적 파급 효과로는 첫째, SW 산업의 경쟁력을 강화할 수 있다. 뉴메모리 소자를 위한 HW 설계와 그에 따른 운영체제 기술을 포함한 새로운 플랫폼을 선도적으로 제시함으로써, 향후 뉴메모리 소자용 플랫폼 시장을 선점할 수 있다. 응용 SW는 운영체제에 크게 의존하므로, 운영체제 핵심 기술의 선점은 세계시장에서의 국내 SW 산업 경쟁력을 크게 신장시킬 수 있을 것으로 예상된다.
둘째, 핵심 SW의 수입 대체 효과를 거둘 수 있다. 컴퓨터 SW의 핵심인 운영체제는 현재 국산이 전무하며, 모두 외국 제품을 수입하거나 공개(무료) SW를 사용하는 상황이다. 하지만 공개 SW의 경우에도 핵심 기술의 노출 및 사용을 줄이고 있다(구글의 안드로이드). 따라서 공개 SW의 부분 상용화가 언제 발생할지 모르는 상태이며 이때에 핵심 기술 확보를 통한 크로스 라이선스가 비용 절감에 필수적이다. 또한 고신뢰성 차세대 메모리 애플리케이션 확보로 2017년에 포스트 DRAM 상용화 가속화될 것으로 보인다.
경제적 파급효과
마지막으로 경제적 파급 효과에 대해 알아보자.
첫째, 킬러 앱 개발을 통한 반도체 신규 수요 창출이 가능하다. 뉴메모리 소자를 컴퓨터 시스템의 주기억장치로 활용하는 시스템 구조, 운영체제, 그리고 킬러 앱을 제시함으로써, 뉴메모리 소자의 활용 범위가 넓어지게 되고, 그에 따라 신규 수익을 창출할 수 있다.
또한 극저전력 NV-FPGA, NV-Logic, 신개념 MOS 트랜지스터, 차세대 NV-Logic 회로 설계 기술 개발로 2018년 세계 FPGA 및 초저전력 메모리 로직 시장의 155억 6,200만 달러 점유 기대된다. 킬러 앱 개발을 통한 극초저전력 고신뢰성 임베디드 차세대 메모리 및 시스템 반도체 구현이 활성화되면 대기전력 off에 의한 전력/속도비 향상(1/20)칩 개발이 수월해지므로 저탄소 사회 구현도 가능해질 것이다.
둘째, 시스템 SW 개발 인력을 양성할 수 있다. 세계 IT 산업 경쟁력의 원천 변화에 따라 SW 중심의 IT 인력 양성 구조로 전환 시급하다. 따라서 현재 심각하게 부족한 고급 임베디드SW, SoC 분야의 석박사급 인력 양성 필요(석박사급 고급인력은 SW분야에 1만 명 부족, 한국직업능력개발원, 2014년)하다.
시사점 및 발전방향
전 세계적으로 차세대 메모리 분야는 저용량 문제와 더불어 높은 가격과 낮은 신뢰도를 갖고 있다는 문제를 갖고 있기 때문에 DRAM과 NAND가 아직은 우세하다. 하지만 곧 STT-MRAM 등의 차세대 뉴메모리 시장을 선점을 위한 전쟁을 치룰 것으로 예상된다.
따라서 앞으로 우리 반도체 기업은 산업에 기반을 둔 기술 발전을 위해 메모리 소자와 관련한 공정 기술에 대한 연구를 지원해 생산성 향상시키고, 연구 프로젝트에 대한 투자의 비중을 높이면서 시장에 선보일 수 있는 프로토타입을 개발을 통한 시장 경쟁력 확보해야 한다.
또한 뉴메모리를 사용하는 임베디드 시스템 기반 기술 확보, 비휘발성에 대응할 수 있는 SW 시스템 기술 확보, 차세대 메모리를 활용할 수 있는 컴파일러와 같은 플랫폼 기술 확보 등 뉴메모리 소자 용처의 확보가 필요하다.
한편, MRAM과 PRAM 등이 기존 메모리 시장을 대체하는 시장 환경에 대해 적극적으로 대처할 필요가 있겠다. 기존에 한국이 잘하고 시장의 선두주자의 자리를 지켰던 DRAM과 플래시 메모리 시장의 지위를 유지하기 위해서는 차세대 메모리 사업에 발 빠르게 진입해야 한다. 외국에는 이미 관련 기술로 기존 메모리를 대체하기 위한 공정부터 SW 기술에 대한 연구와 사업이 활발히 진행 중이며 대기업뿐만 아니라 벤처와 스타트업이 기술 경쟁을 벌이고 있다.