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데이터 폭증 시대…'메모리 벽' 허물 차세대 반도체 기술은?


VLSI 심포지엄서 F램·R램 등 주목…SK하이닉스 "새 기술 확보 박차"

[아이뉴스24 민혜정 기자] 데이터 폭증 시대에 접어들며 '메모리 벽(CPU와 CPU 칩 외부 메모리 사이 속도 차이)'을 허물 수 있는 차세대 반도체 기술로 강유전체 메모리(F램), 비휘발성 저항메모리(R램) 등이 주목받고 있다.

김중식 SK하이닉스 미래메모리연구팀 TL은 29일 뉴스룸을 통해 "엄청난 양의 데이터를 처리하기 위해서는 데이터 센터와 엣지 디바이스에서 컴퓨팅 성능, 전력, 비용 등이 끊임없이 개선돼야 한다"며 "데이터의 폭발적인 증가로 메모리 성능과 용량에 대한 수요가 급증하면 '메모리 벽'이 극에 달할 것"이라고 강조했다.

SK하이닉스의 신기술 발굴 및 개발을 주도하고 있는 RTC 나명희 담당이 ISC 2021 패널토론에서 발표한 바에 따르면 10년 내 메모리 대역폭 수요는 8배, 용량 수요는 5배 증가할 전망이다.

SK하이닉스 이천 공장  [사진=SK하이닉스]
SK하이닉스 이천 공장 [사진=SK하이닉스]

김중식 TL은 "최근 수십 년 동안 D램과 낸드를 대체할 수 있는 새로운 기술을 개발하기 위한 다양한 시도가 있었지만, 아직 이를 대체할 수 있는 기술은 등장하지 않았다"며 "앞으로는 메모리 반도체 용량과 성능에 대한 수요가 예측하기 어려울 정도로 증가할 전망이어서 메모리 반도체 기술을 더욱 발전시켜야만 새로운 기회를 창출할 수 있다"고 말했다.

이같은 측면에서 최근 몇 년 동안 새로운 메모리 반도체 재료 분야에 대한 기초 연구가 활발히 진행되고 있다.

김 TL은 최근 열린 VLSI 기술 심포지엄에서 발표된 세 가지 기술에 주목했다. 이는 ▲강유전체 메모리(Ferroelectric Memory, F램) ▲STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) ▲비휘발성 저항 메모리(Resistive RAM. R램)이다.

F램은 외부 전기장에 의해 전환될 수 있는 두 개의 안정적인 강유전체 쌍극자를 사용하는 메모리다. 강유전체 재료는 캐퍼시터(Capacitor), 결합된 산화물층으로 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-oxide Semiconductor, CMOS) 게이트 스택(Gate Stack)에 데이터를 저장하는 요소가 될 수 있다.

특히 산화하프늄(HfO2)이 강유전성을 갖고 있다는 것이 발견돼 큰 주목을 받았다. HfO2는 CMOS 게이트 산화막(Gate Oxide)에 널리 사용되는 재료로, 빠른 속도와 비휘발성, CMOS 기술과의 손쉬운 통합성 덕분에 새로운 부가가치를 창출할 메모리 반도체 후보로 널리 연구되고 있다.

두 가지 강유전체 메모리 작동원리 [사진=SK하이닉스 ]
두 가지 강유전체 메모리 작동원리 [사진=SK하이닉스 ]

STT-MRAM은 가장 주목받는 차세대 메모리 반도체 기술 중 하나다. 스핀-토크(Spin-Torque) 전달을 통해 전환 가능한 두 가지 안정적인 자화 상태(Magnetic State)를 사용하는 STT-MRAM은 차세대 메모리 반도체 후보군으로 고려되는 다른 신기술에 비해 처리 속도가 매우 빠르며 내구성도 좋다. 최근 STT-MRAM은 주로 사물인터넷(IoT) 엣지 디바이스용 내장 메모리 반도체로 연구되고 있다.

R램도 부상하는 기술이다. 컴퓨팅 프로세스를 메모리 어레이(Memory Array)로 가져오는 인메모리 컴퓨팅(In-Memory Computing)도 컴퓨팅 에너지와 성능을 향상하기 위한 좋은 메모리 반도체 솔루션이 될 것이다. 데이터가 메모리 반도체에서 컴퓨팅 프로세서(Computing Processor)로 전송될 때 주로 처리 시간이 지연되고 에너지가 소비되기 때문이다.

이같은 인메모리 컴퓨팅을 구현하기 위해 다양한 유형의 새로운 메모리 반도체에 대한 연구가 진행되고 있다. 그중 R램은 하나의 셀에 여러 층을 저장하는 데 더 적합하다. 이 기능은 인메모리 컴퓨팅 에너지와 비용의 효율성 측면에서 필수적인 만큼 다양한 후보군 중 R램도 높은 경쟁력을 가지고 있다.

김중식 TL은 "최근 여러 가지 새로운 메모리 반도체 기술이 각각의 독특한 장점으로 주목받기 시작했지만 아직 승자는 없다"며 "새로운 기회를 잡기까지는 많은 과제가 남아 있다"고 말했다.

이어 "SK하이닉스는 D램, 낸드의 성능을 향상하는 것뿐만 아니라 새로운 메모리 반도체 기술을 확보하는 데에도 많은 노력을 기울이고 있다"며 "이를 통해 인공지능(AI), 자율주행을 비롯해 우리의 삶과 사회를 향상할 다양한 미래 기술들이 지속적으로 발전하는 데 크게 이바지할 것"이라고 덧붙였다.

/민혜정 기자(hye555@inews24.com)






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