[인더스트리뉴스 이주야 기자] 4차산업혁명 시대가 가속화되면서 폭발적으로 증가하는 데이터 처리를 위한 차세대 메모리 기술에 대한 요구가 거세지고 있다.

오늘날 주류 메모리인 DRAM, 플래시 및 SRAM은 수십 년을 거쳐 성숙했고 지속적으로 진화하고 있다. 하지만 이 메모리는 무엇보다 성능, 전력, 비용 측면에서 스케일링이 더욱 어려워지고 있다. 컴퓨팅은 지속적으로 확장하고 있다. 많은 사람이 수백억 개 저가 컴퓨터가 모든 산업·소비자 제품에 내장되어 IoT를 형성하고, 퍼블릭·프라이빗 클라우드 데이터센터에 저장되는 데이터가 폭발적으로 증가하는 세상을 상상한다.

이 상상을 현실화시키는 MRAM(Magnetic RAM), PCRAM(Phase Change RAM), ReRAM(Resistive RAM) 등 새로운 메모리가 수십 년 연구 끝에 상용화 단계로 접어들면서 반도체와 컴퓨팅 산업에 호재가 되고 있다. 이 3종의 메모리는 새로운 소재(재료)로 이용 가능하고 공정 기술 및 제조 분야 혁신을 필요로 한다.

재료공학 솔루션 분야 글로벌 선도 기업 어플라이드머티어리얼즈코리아(대표 이상원, 이하 어플라이드)가 사물인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅에 사용되는 차세대 메모리 양산을 위한 혁신적인 대량생산 솔루션을 7월 17일 그랜드 인터컨티넨탈 서울 파르나스에서 공개했다.

DRAM, SRAM, NAND 플래시 등의 메모리 기술은 수십 년 전 개발돼 오늘날 디지털 기기와 시스템에 널리 사용되고 있다. MRAM, PCRAM, ReRAM과 같은 차세대 메모리는 기존 메모리에 비해 차별화된 장점을 가지고 있지만 대량생산이 어려운 신소재에 기반을 둬 상용화에 어려움을 겪고 있다.

어플라이드는 차세대 메모리에 사용되는 핵심 물질인 새로운 금속 물질들을 원자층 단위의 정밀도로 증착할 수 있는 새로운 대량 생산 시스템을 출시했다. 어플라이드는 차별화된 차세대 메모리를 상업적이고 안정적으로 생산하기 위해 개발된 회사 역사상 가장 발전된 시스템을 제공한다고 밝혔다.

IoT에 적합한 MRAM 생산을 지원하는 어플라이드의 새로운 ‘Endura Clover MRAM PVD’ 플랫폼은 고청정·고진공 상태를 유지한 상태로 조합된 최대 9개의 독특한 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다. 이 플랫폼은 각각의 챔버당 최대 5개 개별 물질 박막을 증착할 수 있는 업계 최초의 대량 생산용 300mm MRAM 시스템이다.

PCRAM과 ReRAM을 위한 어플라이드 ‘Endura Impulse PVD’ 플랫폼은 차세대 메모리에 사용되는 다성분계 소재의 정밀한 증착과 통제가 가능하게 해주는 내장형 계측기(On-Board Metrology·OBM)와 함께 최대 9개 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다.

어플라이드의 프라부 라자(Prabu Raja) 반도체 제품 그룹 부사장 겸 총괄 매니저는 “새로 출시한 Endura Clover MRAM PVD 플랫폼은 어플라이드가 지금까지 개발한 반도체칩 생산용 시스템 가운데 가장 정교한 시스템이다. 우리가 보유한 광범위한 포트폴리오는 내장형 계측기와 함께 다양한 신소재공학 기술을 통합해 지금까지 현실에서 구현할 수 없었던 새로운 박막과 구조를 만들 수 있게 해주었다”며, “우리의 통합된 플랫폼으로 만들어진 이와 같은 것들은 컴퓨팅 산업에서 요구하는 성능 향상과 함께 소모전력 비용의 감소를 동시에 충족시킬 수 있는 완전히 새로운 방법이 될 수 있다”고 밝혔다.

SK하이닉스의 진성곤 첨단 박막 기술 담당은 “데이터센터의 효율 개선은 클라우드 서비스를 제공하는 사업자와 고객 기업들이 가장 우선시하는 사안 중 하나”라며, “SK하이닉스는 기존 DRAM, NAND 플래시 관련 기술을 지속적으로 혁신하는 한편, 데이터 센터의 성능을 대폭 향상시키고 동시에 소비전력을 낮추는데 도움을 줄 수 있는 차세대 메모리의 개발을 주도하고 있다. 유망 차세대 메모리를 위해 SK하이닉스와 협업하며 신소재 및 대량 생산 기술 개발 속도를 높이고 있는 머티어리얼즈 성과에 대해서도 높이 평가한다”고 전했다.

IBM리서치의 무케시 카레(Mukesh Khare) 반도체·Al 하드웨어·시스템 부사장은 “IBM은 오랫동안 차세대 메모리의 연구 개발을 선도해 왔다. 우리는 Al 시대의 요구를 충족시키기 위해 반도체 칩 성능과 전력 효율을 동시에 개선하는 기술 수요가 증가하고 있음을 알고 있다. 새로운 물질과 소자는 IoT, 클라우드, AI 제품이 요구하는 고성능·저전력 내장형 메모리 구현에 중요한 역할을 할 수 있다. 어플라이드의 대량 생산 솔루션은 차세대 메모리의 현실화를 산업 전반에 걸쳐 빠르게 가속화하는 것에 도움이 될 수 있다”고 말했다.

웨스턴디지털(Western Digital)의 리차드 뉴(Richard New) 리서치 부사장은 “AI, 머신러닝, IoT 분야에서의 진보가 복잡하고 데이터 집약적인 워크로드를 증가시킴에 따라 메모리 기술에서 새로운 혁신은 효과적으로 이를 해결해야 한다”며, “어플라이드는 MRAM, ReRAM, PCRAM과 같은 새롭고 유망한 메모리의 상용화를 가속화하는 중요한 기술을 제공한다”고 밝혔다.

IoT를 위한 MRAM

컴퓨터 산업은 센서와 컴퓨터, 정보통신 기능 등이 통합되어 주변 환경을 모니터링하고 의사 결정을 내리며 그 결과를 클라우드 데이터센터에 전달하는 수백억 기기들로 이루어진 사물인터넷(IoT) 시스템을 구축하고 있다. MRAM은 IoT 기기의 소프트웨어, 인공지능(AI) 알고리즘을 저장하는 용도에 가장 적합한 메모리 후보 중 하나다.

MRAM은 일반적으로 하드디스크 드라이브에서 사용되는 고감도 자성 소재들을 포함하고 있다. MRAM은 본질적으로 비휘발성과 빠른 속도라는 특성을 지닌다. 따라서 전원이 제거되었을 때에도 소프트웨어와 데이터를 유지할 수 있고, 빠른 속도와 높은 반복 기록 횟수로 지금까지 레벨3 캐시에 사용되는 SRAM을 대체할 수 있을 것이다. MRAM은 IoT 칩의 BEOL(Back-End-Of-Line) 층 사이에 위치할 수 있어 MRAM을 위한 추가적인 다이(Die) 면적을 최소화할 수 있기 때문에 다이(Die) 소형화와 비용 절감이 가능하다.

어플라이드의 새로운 Endura Clover MRAM PVD 플랫폼은 고청정·고진공 상태를 유지한 상태로 조합된 최대 9개의 독특한 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다. 이 플랫폼은 각각의 챔버당 최대 5개 개별 물질 박막을 증착할 수 있는 업계 최초의 대량 생산용 300mm MRAM 시스템이다.

MRAM은 진공을 유지한 상태로 최소 30층 이상의 정밀한 박막의 연속 증착이 요구된다. 그 중 일부는 사람의 머리카락보다 50만배 얇은 것도 있다. 또한 원자 지름 정도의 작은 두께 변화가 전체 메모리 소자의 성능과 신뢰도에 중대한 영향을 미칠 수 있다. Endura Clover MRAM PVD 플랫폼은 증착한 박막들의 두께를 외부 대기에 노출될 위험 없이 1옹스트롬(1Å=0.1nm) 이하의 정밀도로 측정 및 모니터링해 원자 수준의 박막 균일도를 보장하는 내장형 계측기를 탑재하고 있다.

스핀메모리(Spin Memory)의 탐 스파크맨(Tom Sparkman) 최고경영자(CEO)는 “매우 빠른 속도와 높은 반복 기록 횟수를 지닌 비휘발성 메모리로서 MRAM은 IoT, AI 분야에서 기존 내장형 메모리에 사용되는 플래시와 레벨3 캐시에 쓰이는 SRAM을 대체할 것으로 전망된다. 어플라이드의 대량 생산 시스템은 산업 생태계의 큰 힘이 될 것이다. MRAM 솔루션을 공급하고 도입을 가속화하기 위해 어플라이드와 협업하고 있어 매우 기쁘다”고 말했다.

클라우드에 활용되는 ReRAM·PCRAM

데이터 양이 기하급수적으로 늘어남에 따라 클라우드 데이터센터는 서버와 저장 시스템 사이에 연결된 데이터 경로의 속도, 저장 시스템의 전력 소모를 수십 배 수준으로 개선해야 한다. ReRAM과 PCRAM은 서버용 DRAM과 저장장치 사이의 가성비 측면에서 그 격차를 채워줄 수 있는 일명 ’스토리지급 메모리(Storage Class Memory)’로 사용될 수 있다. 다시 말해 고속, 비휘발성, 저전력, 고밀도의 메모리다.

ReRAM은 퓨즈(Fuse)와 유사한 기능을 하는 신소재를 사용한다. 수십억 개 스토리지 셀 중에서 원하는 각각의 셀에 선택적으로 필라멘트를 형성시키고 그로 인한 전기 전도도의 차이를 발생시켜 데이터를 저장한다. 반면 PCRAM은 DVD 디스크에 이미 사용되는 상변화 소재를 이용한다. PCRAM은 이 소재를 비결정질(Amorphous)과 결정질(Crystalline) 등으로 가역적으로 상변화시키고 그로 인해 발생된 상변화 소재의 저항 차이를 이용하여 정보를 저장한다.

ReRAM과 PCRAM은 3D NAND 플래시와 유사하게 3D 구조로 배열할 수 있어 메모리 제조사는 각 제품의 세대별로 메모리 레이어를 계속 추가하는 방식으로 메모리 용량을 지속적으로 증가시키고 제조비용을 절감할 수 있다. 또한 ReRAM과 PCRAM도 각각 한 셀 안에서 전기 전도도와 저항을 여러 단계로 변화시킬 수 있어 NAND 플래시처럼 각 메모리 셀에 여러 비트의 데이터를 저장하게 할 수 있다.

ReRAM과 PCRAM 모두 NAND 플래시 메모리와 하드디스크보다는 현저히 빠른 읽기 성능과 함께 DRAM 보다 훨씬 저렴한 가격을 보장한다. ReRAM은 컴퓨팅 소자와 메모리 소자를 하나의 칩에 통합해 Al 컴퓨팅과 관련된 데이터 흐름의 병목현상을 극복할 수 있는 미래의 인메모리(in-memory) 컴퓨팅 아키텍처 분야에서 가장 유력한 차세대 주자다.

PCRAM과 ReRAM을 위한 어플라이드 Endura Impulse PVD 플랫폼은 차세대 메모리에 사용되는 다성분계 소재의 정밀한 증착과 통제가 가능하게 해주는 내장형 계측기와 함께 최대 9개 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다.

크로스바(Crossbar)의 조지 미나시안(George Minassian) CEO 겸 공동창업자는 “ReRAM 메모리에 사용된 신소재들의 균일한 증착은 소자의 성능과 신뢰성, 반복 기록 횟수를 실현가능한 최대치로 끌어올리는데 있어 결정적인 요소다. 우리는 메모리와 로직 고객들과의 ReRAM 기술 협력을 위해 내장형 계측기를 탑재한 어플라이드 Endura Impulse PVD 시스템을 채택했다. 왜냐하면 이 시스템은 앞서 언급한 중요 업무들에 획기적 성과를 실현 가능하게 해줄 수 있기 때문”이라고 말했다.

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