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.

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 4D^2.0 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.

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

▲ 최정달 NAND개발 담당

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.

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 4D^2.0 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.

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.

▲ 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 “4D^2.0 기술 공개… 차세대 기술 표준 기대해”

심 담당의 설명에서 짐작할 수 있듯 SK하이닉스는 한계를 돌파하는 차세대 기술을 지속해서 개발 중이다. 같은 맥락에서 탄생한 것이 4D^2.0이다.

4D^1.0은 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 4D^2.0이다. 정우표 NAND설계 담당에 따르면 차세대 표준으로 기대되는 기술이다.

▲ 정우표 NAND설계 담당이 수평적 집적도 증가를 통해 적층 한계를 극복하는 4D^2.0 기술에 관해 설명 중이다.

Q. 4D^2.0의 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 8×8=64개의 State 구현이 가능하다.

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

Q. 4D^2.0이 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 4D^2.0은 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.

▲ 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 4D^2.0 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 “4D^1.0 낸드 기술을 기반으로 성공적인 램프-업(Ramp-up, 수율 향상)을 통해 경쟁력을 유지하고, 우리만의 4D^2.0 낸드로 기술 혁신을 이뤄나가겠다”고 밝혔다.

요즘 반도체 시장이 호황이라는 말이 자주 나옵니다. CPU나 AP, MPU 등 다양한 반도체들이 상승세에 있지만, 전세계 반도체 시장에서 메모리반도체가 차지하는 비중이 상당하기 때문에 반도체 시장의 호황을 이끌고 있는 주역은 메모리반도체라고 할 수 있습니다. 특히나 최근 데이터 저장량이 늘어남에 따라 낸드플래시가 주목을 받고 있는데요. 점점 진화하고 있는 낸드플래시의 발전 가능성을 알아보겠습니다.

슈퍼사이클의 주역 중 하나, 낸드플래시

최근 반도체 슈퍼사이클 호황을 살펴보면 D램, 낸드플래시의 성장세가 단연 돋보입니다. 시장조사업체 IC인사이츠에 따르면 반도체 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 D램은 올해 642억달러(약 72조1900억원)로 2위인 마이크로프로세서유닛(MPU, 171억달러)의 3배 이상을 나타낼 것으로 예상됩니다. 특히 낸드플래시는 워낙 시장 수요가 강합니다. 과거 50% 이상을 기록했던 비트그로스(Bit Growth, 비트 단위로 환산한 생산량 증가율)가 20%대로 하락해 안정적인 가격을 유지할 수 있을 전망이죠.

조금 바꿔서 생각해보면 낸드플래시의 용도가 D램과 다르다는 것을 발견할 수 있습니다. 두 제품은 모두 메모리반도체이지만 쓰임새가 다릅니다. 데이터를 담아두는 역할은 같으나 D램은 주메모리, 낸드플래시는 보조저장장치로 사용되죠. 어떤 차이냐고요? 한 마디로 PC나 스마트폰 전원이 꺼져도 데이터를 저장하는 용도로 낸드플래시가 더 많이 사용된다는 뜻입니다.

데이터 폭증, 낸드플래시로 다 저장

각종 기기가 인터넷에 연결되는 이른바 ‘커넥티드’ 세상으로 접어들면서 이들이 뿜어내는 데이터의 양이 커졌습니다. ‘데이터 폭증’이라 부르는 현상인데요. 데이터는 일단 만들어지면 어딘가에 저장해야 합니다. 그것이 클라우드이든 USB 메모리이든 말이죠. 그렇지 않으면 곧바로 사라지죠. 그런데 주메모리로 쓰이는 D램은 낸드플래시와 달리 용량을 무조건 늘린다고 해서 좋은 건 아닙니다.

둘 다 운영체제(OS)나 시스템의 영향을 받지만 일반적으로 주메모리는 보조저장장치보다 용량이 작습니다. 현재 주력으로 판매되는 PC의 D램 용량이 8GB 이상으로 좀처럼 늘어나지 않는 이유가 여기에 있습니다. 16GB를 장착해도 전체 성능에 끼치는 영향이 제한적이죠. 물론 어디까지나 일반적인 사용자 환경에서 그렇다는 이야기입니다. 서버와 같은 엔터프라이즈는 상황이 다릅니다.

어딘가에 데이터를 저장해야 하는 이상 낸드플래시는 지금보다 더 많이 사용될 가능성이 높습니다. 흔히 보조저장장치하면 CD나 DVD와 같은 광디스크나 하드디스크드라이브(HDD)를 떠올리기 쉬운데요. 이전에는 훨씬 더 다양한 보조저장장치가 쓰였습니다. MD나 PD와 같은 광자기디스크, 테이프 드라이브, 그리고 플로피디스크나 집드라이브의 기초가 되는 자기필름판 등이 있었습니다. 현재 테이프 드라이브를 제외하고는 거의 명맥이 끊긴 상태죠. HDD가 그만큼 저렴해서인데, 낸드플래시가 대중화되면 자연스럽게 바통 터치가 될 것으로 보입니다. 솔리드스테이트드라이브(SSD)가 대중화되고 HDD는 백업용으로 쓰일 수 있다는 얘깁니다.

따라서 낸드플래시는 지금보다 더 저렴하면서도 용량을 크게 높아야 하는 숙명을 가지고 있습니다. 이제껏 등장한 보조저장장치의 목적이 이겁니다. 처음에는 수 메가바이트(MB)에 불과하지만 지금은 기가바이트(GB), 일부 제품은 테라바이트(TB)까지 나오고 있습니다. 지금까지 매우 성공적으로 시장에 진입했다고 해도 과언이 아니나 앞으로 과제가 없는 것은 아닙니다.

비트 늘어날수록 용량↑ 성능↓

낸드플래시는 어떻게 데이터를 저장할까요? 기본적으로 데이터를 저장하는 최소 단위인 셀(Cell)을 몇 비트(Bit) 저장하느냐에 따라 싱글레벨셀(SLC·1비트), 멀티레벨셀(MLC·2비트), 트리플레벨셀(TLC·3비트)로 구분합니다. 셀은 전류가 흐르는 비트라인(BL)과 데이터를 읽고 쓰는 워드라인(WL)의 각 교차점(크로스포인트)에 위치해 있습니다. 그리고 이 셀 내부에는 플로팅게이트(FG)에 전자를 채우고 비우는 방식으로 ‘0’과 ‘1’을 인식합니다. 그래야 디지털 방식으로 데이터를 저장하겠죠.

▲ 비트 수가 늘어날수록 복잡성도 커지지만 같은 공정에서 용량이 늘어나는 장점도 있다

FG는 절연체인 산화막으로 둘러쳐져 있습니다. 이 상태로 컨트롤게이트(CG)에서 높은 ‘+’ 전압을 걸어주면 ‘-’ 전자가 산화막을 통과해 FG로 들어갑니다. 그러면 데이터가 자연스럽게 기록되고, 기록된 데이터를 지우려면(산화막에 갇혀 있는 전자를 빼내려면) 반대로 기판에서 높은 ‘+’ 전압을 보내면 됩니다. 그러면 FG는 텅 비워지겠죠. SLC부터 TLC까지 모두 FG에 전자를 저장하는 원리는 같습니다. 다만 전자를 어떻게 구별하느냐가 관건입니다. 가령 2비트 MLC라면 ‘전자가 없다(00)’, ‘조금 있다(01)’, ‘중간쯤 있다(10)’, ‘많이 있다(11)’의 4단계로 구별할 수 있습니다. TLC는 8단계가 필요합니다.

수명도 마찬가지입니다. 산화막은 기본적으로 닫혀 있지만 CG에서 전압이 계속해서 들어오면 전자가 들락날락하면서 손상이 생깁니다. 같은 용량의 데이터를 1년 동안 썼을 때 전자가 상대적으로 덜 오고 가는 SLC는 오랫동안 셀을 유지할 수 있으나 MLC나 TLC는 상대적으로 수명이 짧아집니다. 결국 FG에 전자를 담아둘 때 어떤 상태인지 구분하는 경우의 수가 많고 전압의 세기를 촘촘하게 조절해야 하는 등 복잡성이 늘어나는 방식을 벗어날 수가 없습니다. TLC부터 오류 확인&수정(Error Check&Correct, ECC) 코드가 들어가는 이유입니다. 따라서 용량은 비트 수가 늘어날수록 증가하니 같은 공정이라면 성능은 ‘SLC>MLC>TLC’, 용량은 ‘TLC>MLC>SLC’라고 보면 됩니다. 비트 수가 늘어날수록 같은 공정에서 더 많은 용량을 집적할 수 있지만 읽고 쓰기와 같은 성능은 물론 안정성이 떨어집니다.

대중화에 접어든 TLC, 원동력은 컨트롤러

용량을 늘리기 위해 발생하는 문제를 해결하기 위해 반도체 업체는 컨트롤러와 펌웨어와 같은 소프트웨어 기술을 적극적으로 도입합니다. SSD에서 컨트롤러가 중요한 이유죠. 같은 업체의 낸드플래시를 사용하더라도 어떤 컨트롤러냐에 따라 성능에 큰 차이가 나타날 수 있습니다. 마치 자동차 엔진처럼 말입니다.

이 분야에서도 엔진컨트롤유닛(ECU)에 담겨 있는 소프트웨어 따라 엔진의 성능이 달라집니다. 이를 거꾸로 이용해 맵핑이라는 작업을 하면 엔진의 숨겨진 능력을 100% 발휘할 수도 있습니다. 그만큼 두뇌가 중요하다는 뜻이죠. 그래서인지 SSD 컨트롤러는 전·후방 업체를 가리지 않고 원천기술 확보에 혈안이 되어 있습니다. SK하이닉스도 LAMD, 아이디어플래시, 이노스터 컨트롤러 사업부, 소프텍 등을 인수합병(M&A)한 바 있습니다.

▲ SK하이닉스는 자체 컨트롤러 기술을 갖추고 있다

낸드플래시는 이제 TLC를 넘어 쿼드레벨셀(QLC·4비트)까지 진화한 상태입니다. 몇몇 업체가 이미 QLC 도입을 발표했으며 관련 제품을 공개하기까지 했습니다. 당연히 단위면적당 용량을 늘리기 위해서입니다. 최근 4차 산업혁명 선제투자 성격으로 같은 데이터센터에서 서버의 수 보다는 서버 1대에 탑재되는 메모리반도체 용량을 높이려는 추세를 적극적으로 반영했다고 봐야 합니다. 당초 업계에서는 TLC가 2014년 대규모로 도입됐을 때 안정성에 의구심을 가졌으나 올플래시 스토리지 등 기업용 시장에서 성과가 나타나면서 MLC를 밀어낸 상태입니다. QLC도 초기에는 소비자용 제품인 클라이언트 SSD에 도입되고 이후에 엔터프라이즈 SSD로 전파될 것으로 보입니다.

가격 대비 용량, HDD 대체하는 SSD

QLC로의 진입은 3D와 같은 적층과 함께 맞물릴 것으로 예상됩니다. 일단 72단 이하에서 일부 저가형 모델에서 QLC를 적용한 이후 100단 이하에서 본격적인 대중화가 이뤄질 수 있습니다. 경쟁사보다 한시라도 빨리 유리한 가격 대비 용량을 구축해야 이 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있기 때문입니다. SK하이닉스만 하더라도 72단 3D 낸드는 TLC가 우선적으로 개발됐을 정도죠. 그러니 이후에는 TLC가 기본이고 QLC를 옵션으로 염두에 두지 않을 수 없습니다.

▲ HDD→SSD 시대로의 진입은 기정사실이지만 가격 대비 용량의 벽을 크게 넘어서야 한다

불과 몇 년 전까지만 하더라도 ‘SLC=고급형’, ‘MLC=중급형’, ‘TLC=보급형’이라는 인식이 있었죠. 하다못해 같은 스마트폰에서 MLC, TLC에 따라 성능차이가 난다면서 불만을 터뜨리는 소비자가 있었을 정도입니다. 이론적으로 MLC가 TLC보다 성능과 안정성에 더 좋을 수 있지만 지금은 큰 의미가 없게 됐습니다. 무엇보다 용량에 있어서 MLC는 TLC의 상대가 되지 못합니다. 이런 불만을 잠재운 것은 결국 3D와 컨트롤러 기술 덕분이고요. 앞으로 QLC 시대에서도 마찬가지 상황이 나타날 것으로 예측됩니다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

최근에는 스마트폰이나 태블릿 PC와 같은 스마트 기기를 구매할 때 저장장치 용량 때문에 고민하게 되는 일이 많은데요. FULL HD 이미지와 고용량 데이터 파일의 저장 및 이동이 빈번해지면서 휴대기기 용량부족의 대안인 고용량 USB, 마이크로 SD카드 등 메모리의 수요도 늘고 있습니다. 메모리를 구입할 때 용량뿐만 아니라 저장장치의 형식에 대해서도 주의 깊게 봐야 한다는데요! 그 이유는 바로 저장장치의 속도와 안정성, 수명에 직접적으로 연결되기 때문입니다. 작년에는 아이폰6가 발매되고 MLC와 TLC 혼용 논란에 휩싸이기도 했죠. 과연 SLC, MLC, TLC가 무엇이기에 구입자들이 민감하게 반응했던 것인지 지금부터 SK하이닉스 영하이라이터가 쉽게 설명해드리겠습니다~!

▲ 메모리 칩

휴대기기와 SD카드, USB 등에는 NAND FLASH(낸드 플래시)라는 메모리가 쓰입니다. 일반적으로 컴퓨터에 쓰이는 D램 메모리가 전원이 꺼지면 메모리에 있는 데이터가 사라지는 휘발성 저장장치인 반면, 낸드 플래시는 전원공급이 중단되어도 데이터가 사라지지 않는 비휘발성 메모리라는 것이 가장 큰 특징입니다. 또한 제조 비용이 저렴하고 고용량 설계가 상대적으로 쉬워 지금과 같이 널리 쓰이게 되었습니다. 바로 이 낸드 플래시의 저장방식을 크게 SLC, MLC, TLC 세 종류로 나눌 수 있습니다.

하나. 플래시 메모리 저장방식

플래시 메모리는 셀이라는 공간에 데이터를 저장하게 됩니다. 먼저 SLC(Single level cell)는 하나의 셀에 1bit의 데이터인 0과 1, 2개만 쓸 수 있습니다. MLC(Multi level cell)은 하나의 셀에 2bit의 데이터인 00, 01, 10, 11의 4개를 쓸 수 있습니다. 마지막으로 TLC(Triple level cell)은 하나의 셀에 3bit의 데이터인 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 총 8개를 쓸 수 있습니다.

메모리 반도체는 이 셀에 전하를 채우고 비우고 하는 과정을 통해 데이터 쓰고 지우기를 반복하게 되는데요. SLC메모리의 경우 셀을 가득 쓰면 1, 전부 지우면 0입니다. MLC메모리는 가득 채우면 3, 하나를 지우면 2, 또 하나를 지우면 1, 모두 지우면 0입니다. TLC메모리는 가득 채우면 7, 하나씩 지워가면 6,5,4,3,2,1 그리고 모두 지우면 0이 됩니다.

셀에 데이터를 쓰고 지우는 반복하는 것이 바로 우리가 사진이나 문서파일 등의 데이터를 저장하는 방법인데요. 셀을 빈 방이라고 생각하시면 이해가 쉽습니다. 빈 방의 크기에 따라 용량이 결정되고 빈방을 채우는 방식에 따라 각 방식의 차이가 나뉜다고 생각하시면 됩니다.

예를 들어 다음과 같은 크기의 3개의 방이 있다고 하겠습니다.

먼저 SLC는 방을 혼자 쓴다고 생각하시면 됩니다. 혼자 사용하기 때문에 자유롭고 빠르게 출입이 가능합니다. MLC는 빈 방을 2명이 같이 써서 비용을 2명이 나누어 내니 지출은 절반으로 줄지만 혼자 방을 쓰는 SLC보다 복잡하다고 생각하시면 됩니다. TLC는 3명이 한 방을 같이 쓰는 것입니다. 당연히 MLC보다 비용은 줄지만 출입이 더욱 복잡하다는 것을 쉽게 이해하실 수 있을 겁니다. 따라서 TLC는 생산 단가가 저렴하고 고용량 생산이 쉽기 때문에 널리 쓰입니다. 하지만 자주 쓰고 지우다 보면 오류가 발생할 확률이 당연히 높겠죠? 게다가 공간을 여러 개로 분할 하여 쓰고 지우는 방식이 더욱 복잡하다는 걸 쉽게 아실 수 있을 겁니다.

둘. 각 메모리의 장단점 알아보기

★ SLC메모리

SLC메모리는 MLC메모리와 TLC메모리보다 빠른 속도(0~100K Endurance Cycle)로 데이터를 쓰고 지울 수 있습니다. MLC 메모리나 TLC 메모리는 셀 하나에 많은 데이터를 저장할 수 있는 반면 SLC메모리는 오직 1bit만을 저장할 수 있어 오류가 발생할 확률이 적습니다. 하지만 용량대비 가격이 매우 비싸다는 단점을 가지고 있습니다. 즉, 빠르지만 상대적으로 같은 용량의 MLC 메모리나 TLC 메모리에 비해 고가이기에 선뜻 구매하기 쉽지 않은 타입입니다.

★ MLC메모리

다음으로 MLC 메모리는 SLC 메모리에 비해 느린 속도(5~10K Endurance Cycle)로 데이터를 쓰고 지우게 되어 SLC 메모리와 같은 셀이라면 2배의 용량을 저장할 수 있다는 장점이 있습니다. 빠르고 안정적이어야 하는 작업에는 SLC 메모리를 사용하지만, 시중의 SSD나 USB메모리 그리고 SD카드에서는 가격대비 용량과 적당한 성능이 장점인 MLC 메모리를 주로 씁니다.

★ TLC메모리

마지막으로 TLC 메모리는 SLC, MLC 메모리에 비해 느린 속도(1~3K Endurance Cycle)로 데이터를 쓰고 지우기 때문에 느리다는 단점을 가지지만, 하나의 셀에 3 bit를 저장할 수 있어 고 용량 설계가 쉽다는 장점이 있습니다. 고 용량 설계가 쉬워 제조사들이 많이 선호하며 단가가 저렴하기 때문에 고 용량의 메모리를 합리적인 가격으로 구입할 수 있다는 것이 또 다른 장점입니다. 그러나 많은 데이터를 하나의 셀에 쓰고 지우기 때문에 오류가 발생할 확률이 높고 메모리 수명이 짧습니다.

▲ 각종 메모리 사용 제품들

USB 메모리나 SD카드의 경우, 일상적인 데이터 이동에 주로 쓰여 TLC 메모리를 써도 크게 무리 없습니다. 하지만 최근 대부분의 자동차에 장착되고 있는 블랙박스처럼 지속적으로 쓰고 지우는 반복 작업 용도로는 TLC 메모리는 적절하지 않습니다. 위에서 설명드렸 듯이 TLC 메모리는 수명이 짧기 때문에 읽고 쓰기를 자주 반복하면 금방 고장이 날 수 있습니다. 사고가 난 중요한 상황에 데이터가 기록되지 않았거나 모두 지워져 버려서 매우 당황했다는 이야기를 한 번쯤 들어보셨을 텐데요. 그래서 보통 블랙박스에는 MLC 메모리를 사용하는 편이며, 스마트폰이나 디지털카메라의 메모리카드는 TLC 메모리를 많이 사용합니다. 중요한 데이터를 저장하셔야 하는 업종의 분들이나 전문적으로 DSLR 카메라를 다루시는 분들은 안정성이 높은 SLC 메모리나 MLC 메모리를 선호하죠.

▲ SSD(Solid State Drive)

최근 컴퓨터에 쓰이는 HDD(하드디스크)를 대체할 SSD(Solid State Drive)가 주목을 많이 받고 있습니다. SSD에는 주로 MLC메모리와 TLC메모리가 쓰이고 있어서 일반 HDD에 비해 3~4배 정도 빠른 속도를 보여줍니다. SSD는 요즘 출시되는 PC에 HDD 대신 탑재되고 있는 경향이며 기존의 HDD를 제거하고 SSD로 업그레이드하여 사용하는 유저들이 점점 늘고 있습니다. SK하이닉스도 이런 시장의 흐름에 발맞추어 SSD를 출시하였으며, SK하이닉스 SSD의 경우 MLC메모리로 생산되어 속도와 안정성 두 마리 토끼를 모두 잡은 안정적인 제품이라고 볼 수 있습니다. SSD를 구매하실 때에도 가격과 용량뿐 만 아니라 메모리 방식도 반드시 살펴보시고 구입하시기 바랍니다.

정리를 해보면 SLC메모리는 특수한 경우에 쓰이는 고가의 메모리, MLC 메모리는 적당한 속도와 안정성으로 일반적으로 많이 선호하는 메모리, TLC 메모리는 저렴한 탓에 가격 대비 용량이 커서 저가의 SD카드와 USB메모리로 가장 많이 사용되는 메모리로 생각하시면 될 것 같습니다.

‘ChipGenius’란 프로그램을 이용하시면 사용하고 계신 USB 메모리나 SD카드의 메모리 방식을 쉽게 알 수 있습니다. 컴퓨터에 사용하는 USB 메모리나 SD카드를 꽂고 프로그램을 실행하면 위와 같이 메모리 제조사 정보과 메모리 방식에 대해 한눈에 볼 수 있습니다. Device Vendor는 기기 제조사를 뜻하고 밑에 Chip Vendor는 메모리 칩 제조사를 지칭합니다. 제일 중요한 메모리 방식은 Flash ID Code에서 찾아볼 수 있답니다.

▲ ChipGenius 실행 화면

시중에서 판매하는 메모리카드를 보면 용량만 크게 표기되어 있고 메모리 방식은 표기되지 않은 경우가 대부분입니다. 그 이유는 대부분의 제품이 상대적으로 저렴한 TLC 메모리를 쓰기 때문인데요. 그렇기 때문에 SLC나 MLC 메모리는 TLC 메모리에 비해 고가이기에 메모리 자체에 표기되어 출시됩니다. 하지만 그렇다고 TLC 메모리가 좋지 않은 제품은 아닙니다. 사실 사용빈도가 많지 않은 일반인의 경우 TLC 메모리로도 불편함 없이 사용이 가능하고, 메모리 제조사에 따라 성능이 우수한 TLC 메모리가 있으므로 SK하이닉스와 같이 믿음직스러운 제조사의 제품을 구입하신다면 걱정하지 않으셔도 됩니다.

▲ 아이폰6 메모리 타입 체크 어플 화면

위 사진은 아이폰 6의 탑재된 메모리가 MLC 인지 TLC 인지 알아보는 어플의 화면을 캡처한 것입니다. 이제 왜 아이폰 6 구매자들이 사이에 탑재된 메모리에 대해 논란이 있었는지 이해가 되실 텐데요. 같은 제품을 같은 가격에 구매했는데 어떤 제품은 안정성이 더 높은 MLC를 탑재하고, 어떤 제품은 MLC 메모리보다 저렴한 TLC 메모리를 탑재했으니 선택권 없었던 구매자 입장에서는 속은 느낌이 들 수밖에 없었을 테지요. 하지만 TLC 메모리가 가장 최근 개발된 방식이고 SLC, MLC 메모리에 비해 상대적으로 안정성이 약하다는 것 일뿐, 일반적인 용도로 사용해도 전혀 문제가 없습니다. 최근에는 TLC 메모리도 수명과 성능 문제를 해결해 나가면서 가격경쟁력을 바탕으로 시장점유율을 높여가고 있습니다.