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[반도Chat Ep.12] 손톱만 한 크기에 초고성능, 보안 능력까지 갖춘 알짜배기 메모리 ‘UFS’

스마트폰, 노트북, 컴퓨터 등의 전자 기기를 구매할 때 중요한 요소 중 하나는 용량이다. 128GB, 512GB, 1TB 등의 숫자는 메모리의 용량을 의미한다.

최근 전자 기기가 고성능화, 경량화됨에 따라 메모리 반도체 역시 고용량은 물론이고 소형화, 저전력 기술을 요구받고 있다. 이번 에피소드에서는 이러한 메모리 트렌드를 대표하는 솔루션, ‘UFS’를 소개한다.

UFS를 자세히 이해하려면 먼저 플래시 메모리에 대해 알아야 한다. 플래시 메모리란, 비휘발성 메모리로, 전원이 꺼지면 정보를 모두 잃어버리는 D램이나 S램과 달리 전원이 끊겨도 데이터를 전기적으로 보존하는 것이 특징이다. 플래시 메모리는 반도체 칩 내부의 전자회로 형태에 따라 직렬로 연결된 낸드(NAND) 플래시와 병렬로 연결된 노어(NOR) 플래시로 구분된다.

낸드 플래시와 노어 플래시는 각 특성에 따라 다양한 반도체와 결합되어 서버, 모바일 기기, PC, 자동차 등에서 고성능 스토리지(저장 장치)로 활용된다.

그렇다면 플래시 메모리를 활용한 스토리지(저장 장치) 솔루션에는 어떤 것이 있을까? 먼저, 모터와 같은 기계적인 장치 없이 낸드 플래시에 데이터를 저장하는 SSD(Solid State Drive)가 있다. SSD는 빠른 데이터 접근 속도와 내구성으로 서버, 데이터센터, PC, 자동차 등에서 활용된다. 또한 고속 컨트롤러와 고성능 낸드 플래시를 결합해 작은 크기와 저전력을 갖춘 UFS(Universal Flash Storage)와 eMMC(embedded Multi Media Card)는 모바일, 웨어러블, 자동차 등에서 주로 사용된다. 더불어 스마트폰, 카메라, PC 등 여러 장치에서 고사양 콘텐츠의 원활한 작업을 돕는 SD카드와 마이크로 SD카드도 있다.

eMMC와 UFS 모두 고속 컨트롤러와 낸드 플래시를 결합한 솔루션이지만, 작동 원리에 차이가 있다. eMMC는 두 장치 간 데이터를 교대로 교환하는 ‘병렬식 통신’을 사용한다. 데이터를 한 번에 하나씩 읽거나 쓰는 방식이다. 반면, UFS는 데이터를 동시에 읽고 쓰면서 양방향으로 소통할 수 있는 ‘직렬식 통신’을 사용한다. eMMC는 단방향 도로, UFS는 양방향 도로에 비유할 수 있다.

eMMC는 병렬식 인터페이스로 만약 많은 양의 데이터를 더 빠르게 보내야 한다면 선 개수를 늘려야 하고, 선 하나라도 문제가 생기면 신호 노이즈가 생겨 전체 데이터를 주고받는 데 영향을 미칠 수 있다. 반면, UFS는 읽기와 쓰기 작업에 별도의 전용 경로가 있는 LVDS(Low-Voltage Differential Signaling) 직렬 인터페이스를 사용하기에, 동시에 읽고 쓰는 멀티태스킹이 가능하다. 이에 따라 eMMC보다 더 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다.

2015년, 삼성전자는 세계 최초로 스마트폰용 128GB UFS를 양산하며 초고속 UFS 시대를 열었다. 뒤이어, 2017년에는 업계 최초로 512GB UFS를 출시했다. 256GB UFS보다 용량을 2배 늘리면서, 손톱만 한 패키지의 크기(11.5 X 13 X 1.0mm)는 그대로 유지한 것이 특징이다. 이에 더하여 2022년에는 무려 1TB의 용량을 지닌 UFS 4.0 구현에 이르렀다.

UFS 4.0 메모리는 차세대 UFS 4.0 규격에 맞춰 더욱 대역폭이 향상된 솔루션이다. 가장 큰 장점은 연속 읽기/쓰기 속도다. 업계 최고 수준의 연속 읽기 속도 4,200MB/s, 연속 쓰기 속도 2,800MB/s를 제공하며, 데이터 전송 대역폭은 이전 세대(모바일용 UFS 3.1)의 2배인 23.2Gbps에 달한다.

이를 통해 대량의 고화질 사진을 한 번에 빠르게 확인하거나, 초고해상도 디스플레이에서 다양하고 복잡한 작업을 동시에 실행하더라도 빠르고 원활하게 처리할 수 있다. 이 모든 기능을 11 x 13 x 1.0mm의 작은 크기에 담았으며, 무려 1TB에 달하는 대용량을 지원한다. 또한 이전 세대 대비 약 45% 이상 개선된 전력 효율로 제공한다. 여기에 삼성전자는 세계 최초로 ‘UFS 4.0용 인터페이스 IP’ 기술을 개발해 UFS 4.0 규격을 지원하는 컨트롤러 칩에 적용했다. 해당 기술을 통해 고속 데이터 전송 시에도 오류가 발생하지 않는 에러 프리(error-free) 전송을 보장해 사용자의 모바일 경험을 더욱 향상시켰다.

* 인터페이스 IP: 효율적인 고속 네트워크 통신을 통해 원활한 데이터 이동을 돕는 기술

모바일 기기에선 보안 기능 역시 무척 중요하다. 많은 사용자들이 편리한 일상을 위해 모바일 기기에 은행 정보나 생체 인증 정보를 저장하여 사용하기 때문이다.

이에 따라 삼성전자 UFS에는 사용자 개인 정보와 중요 데이터를 보호하는 보안 기술이 포함되어 있다. 바로, RPMB(Replay Protected Memory Block)이다. RPMB는 중요한 데이터를 메모리의 특정 블록에 안전하게 저장하여 보호한다. UFS 4.0에는 Advanced RPMB 기술이 적용되어 이전 세대 대비 보안 데이터에 대해 약 1.8배 빠른 읽기, 쓰기가 가능하다.

이렇게 초소형, 저전력, 대용량, 높은 보안 기능까지 고루 갖춘 UFS 4.0은 스마트폰 등 모바일 기기뿐 아니라 AR·VR 기기, 자동차 등 광범위하게 확산될 것으로 예상된다.

플래시 메모리는 모바일뿐 아니라 자동차에서도 필수적이다. 음악, 비디오, 내비게이션 등의 인포테인먼트 데이터를 저장하고, 차량 제어 시스템의 효율적인 운영 등에 사용되기 때문이다. 따라서 자동차에서 사용자 경험이 향상될수록 차량용 UFS의 성능 역시 중요해진다.

삼성전자는 2017년 업계 최초로 차량용 128GB UFS를 선보였으며, 2023년에는 업계 최저 소비 전력을 자랑하는 차량 인포테인먼트용 UFS 3.1 메모리를 양산했다. 해당 솔루션은 128GB, 256GB, 512GB 등의 다양한 제품군을 갖추었다. 특히 256GB 제품은 이전 세대보다 소비전력이 약 33% 개선되었으며, 연속 읽기 속도 2,000MB/s, 연속 쓰기 속도 700MB/s를 자랑한다. 이를 통해 자동차 배터리 전력을 효율적으로 운용할 수 있다.

차량용 반도체 시장에서는 제품의 성능뿐 아니라 안정성과 신뢰성도 중요하다. 삼성전자의 차량용 UFS 3.1은 영하 40℃에서 영상 105℃까지 폭넓은 온도 범위에서 안정적인 성능을 보장함으로써 차량용 반도체 품질 기준인 *AEC-Q100 Grade2를 달성한 바 있다. UFS 3.1은 차세대 자동차 시장 트렌드에 걸맞은 최적의 솔루션으로 기대를 모으고 있다.

* AEC-Q100(Automotive Electronic Council): 자동차 부품 협회에서 자동차 전자 부품에 대한 신뢰성 평가 절차 및 기준을 규정한 것으로, 전 세계에서 통용되는 기준. Auto Grade는 온도 기준에 따라 0~3단계로 나뉜다

ChatGPT와 같은 생성형 AI는 사용자의 요구에 따라 텍스트, 이미지, 동영상, 음악 등의 콘텐츠를 생성하는 데 많은 데이터를 필요로 한다. AI의 급격한 성장은 급진적인 메모리 발전을 요구하고 있으며, 이를 위해서는 DDR6, HBM4, GDDR7, UFS 5.0 등의 차세대 고대역폭, 저전력 메모리와 새로운 인터페이스, 첨단 패키지 등의 기술이 필요하다.

삼성전자는 이러한 요구를 반영하기 위해 미래 솔루션과 신사업 발굴을 지속 진행하고 있으며, 이를 통해 우리 일상 속 다양한 기기에서 더욱 편리하고 풍부한 사용자 경험을 제공할 예정이다.

모바일, 자동차 어디든 OK! 손바닥만 한 전자 기기에도 쏙 들어가는 작은 몸집으로 초고성능, 대용량을 지원하는 UFS에 대해 더 알아보고 싶다면 삼교시 탐구생활 ‘UFS’ 편을 참고해 보자.

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