[인사이트세미콘 창간기획] 차세대 반도체, 미래 먹거리는 무엇?

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[인사이트세미콘 창간기획] 차세대 반도체, 미래 먹거리는 무엇?

디지털데일리 발행일 2017-04-24 11:15:53

이수환

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반도체 시장이 호황이라고 떠들썩하지만 미세공정 한계돌파라는 현실적 어려움도 커지고 있습니다. 이런 상황에서 반도체 업계는 4차 산업혁명을 바탕으로 자율주행차, 클라우드, 빅데이터 등에 집중하는 모양새입니다. 시장은 상승과 하락을 주기적으로 반복하지만 최근의 사이클은 분명히 예전과 맥락이 다릅니다. <인사이트세미콘>은 창간 2주년을 맞아 반도체 시장의 호황을 되짚어보고 4차 산업혁명 시대를 맞아 미세공정 한계를 극복하기 위해 어떤 노력이 이뤄지고 있는지 살펴봤습니다.<편집자 주>

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메모리 반도체를 대표하는 D램과 낸드플래시가 시장의 주류로 자리 잡은 이유는 효율 덕분이다. 속도와 용량을 끌어올리기가 손쉽고 무엇보다 미세공정 전환을 통해 빠르게 원가절감이 가능했다. 하지만 최근에 와서는 미세공정의 한계와 메모리 반도체의 적용분야가 다변화되면서 그동안 상대적으로 널리 쓰이지 못했던 ‘차세대 메모리’의 필요성이 커지고 있다.

차세대 메모리라고 언급되지만 기초적인 연구개발(R&D)은 어느 정도 진행된 상태이거나 일찍이 상용화됐으나 한동안 발전이 없던 경우가 있다. 흔히 유력 후보로 언급하는 스핀주입자화반전메모리(STT-M램), 저항변화메모리(Re램), 상변화메모리(P램), 강유전체메모리(F램)가 모두 엇비슷한 상황이다.

이 가운데 상용화 가능성이 가장 높은 STT-M램은 자성체에 전류를 가해 발생한 전자회전을 이용해 저항값의 크기에 따라 데이터를 기록하고 보존하는 원리다. 생산비용이 저렴하고 속도가 빠르며 기존의 D램 공정 장비를 최대한 활용할 수 있다는 것이 장점이다. 이미 상용화가 이뤄져 폭넓은 분야에서 사용되고 있는 F램의 경우 강유전성(Ferroelectric)을 가진 강유전체 재료를 바탕으로 외부에서 전기장이 가해지지 않아도 전기적 분극을 유지해 데이터를 저장한다.

어떤 차세대 반도체라도 D램과 낸드플래시의 장점을 충분히 흡수할 수 있어야 한다는 조건을 가진다. 가격은 본격적인 양산이 이뤄지면 충분히 낮아질 수 있지만 성능과 범용성, 특히 적용분야에 있어서 당장 피부로 체감할 수 있는 수준까지 도달해야 한다. P램의 일종으로 D램과 낸드플래시의 중간적 형태인 인텔 ‘3D 크로스(X)포인트(옵테인)’가 이런 경우에 해당한다.

3D X포인트는 D램보다는 느리지만 낸드플래시보다는 훨씬 빠르다. 내구성 측면에서도 분명한 강점을 가지고 있다. 문제는 가격이다. 16GB 용량에 44달러(약 5만원)에 달한다. 같은 용량의 낸드플래시는 이미 3000원 내외에서 구입할 수 있다. 용량이 두 배인 32GB라도 5000원 이면 충분하다. 3D X포인트의 경우 77달러(약 8만7000원)이다.

이 정도 용량으로는 당분간 보조저장장치 역할은 기대하기 어렵다. 당장 하드디스크드라이브(HDD)나 솔리드스테이트드라이브(SSD) 대체가 어렵다는 얘기다. 그럼에도 불구하고 비휘발성이면서 낸드플래시보다는 성능이 높기 때문에 ‘버퍼’로 충분히 활용이 가능하다. 용량을 조금 더 키워서 서버와 같은 엔터프라이즈 시장을 적극적으로 두드리는 이유도 여기에 있다. 기존 SSD 기반의 올플래시 스토리지를 대체한다기보다는 상대적으로 저렴한 가격에 시스템 성능을 향상시키는데 중점을 두고 있다.

◆차세대 반도체, 소재부터 설계까지 모두 도전=이처럼 뉴메모리는 등장한 것만으로도 기존 반도체 시장에 적지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 하지만 완전히 새로운 형태의 반도체라면 소재부터 설계까지 모든 요소를 바꿔야 한다. 유럽 최대 반도체 기술 연구소(IMEC) 룩 반덴호브 사장은 나노와이어, 극자외선(Extreme Ultra Violet, EUV) 노광, 신개념 패키징이 미세공정 한계 돌파를 위한 요소로 꼽았다.

첫 번째 후보는 나노와이어다. EUV 기술이 적용되는 미세공정은 7나노부터다. 이후 5나노를 넘어 3나노, 2.5나노, 1.8나노까지 가기 위해서는 나노와이어를 이용해 적층 구조의 개념을 바꿔야 한다. 핀펫(FinFET)으로 P-N 접합 구조의 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS)에서 큰 진보를 이룬 것처럼, 이번에는 CMOS를 나노 스핀트로닉스와 자성 재료로 대체할 필요가 있다. 가장 큰 수혜는 STT-M램이 될 것으로 보인다.

뇌를 모사한 뉴로모픽칩도 충분히 R&D가 가능하다. 반덴호브 사장은 “나노와이어, 핀펫과 같은 개선, 레이아웃 축소에 분산컴퓨팅을 더하면 사람의 뇌를 모방한 뉴로모픽 컴퓨팅이 가능하다”고 설명했다. SK하이닉스는 미국 스탠포드대학교와 강유전체 물질을 활용한 ‘인공신경망 반도체 소자 공동 연구개발’을 진행하고 있다.

신개념 패키징의 핵심은 ‘적층’이다. 중앙처리장치(CPU), 메모리, 컨트롤러, 각종 입출력(I/O)가 하나의 칩에 적층되면 지금보다 훨씬 빠르면서도 저렴하게 칩을 만들 수 있다. 각 칩을 아파트처럼 쌓아올려 여러 개의 코어를 하나로 통합하고 메모리는 위쪽에, I/O를 아래쪽에 배치해 3D로 적층하는 방법이다.

따지고 보면 반도체 업계는 이제껏 통합을 적극적으로 접목했다. 초기 PC는 CPU, 캐시 메모리, 메모리 컨트롤러, 그래픽처리장치(GPU) 등을 모두 개별적으로 장착해야 했으나 지금은 모두 단일 칩 안에서 구현되고 있다.

<이수환 기자>shulee@ddaily.co.kr