같은 면적인데 더 높은 효율과 성능을 갖춘, 데이터들의 드림하우스가 있다? 분양사무소 V9이 비좁고 답답한 데이터 사용 환경에 시달린 사용자들의 새 보금자리를 위해 나섰다. 나노 단위 세계 속의 고용량 스토리지 하우스, 삼성전자 ‘9세대 V낸드’가 그 주인공. 손톱보다 작은 공간에 수천억 개의 데이터 셀을 수직으로 쌓아 올린 9세대 V낸드에는 엄청난 비밀이 숨겨져 있다는데. 초고층 하이낸드 라이프를 꿈꾸는 테크 유튜버 주연을 따라 지금 바로 입장해 보자!

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오늘 뉴스룸은 ‘9세대 V낸드’ 기획과 개발을 담당한 삼성전자 상품기획실 현재웅 상무, Flash개발실 홍승완 부사장, 김은경 상무, 조지호 상무를 만났다. 이들과 함께 AI 시대의 새로운 가능성을 창조해 가는 삼성전자 V낸드 공간으로 입장해 보자.

* TLC(Triple Level Cell): 하나의 셀에 3bit 데이터를 기록할 수 있는 구조
* 몰드(Mold): 셀을 동작시키는 워드 라인(트랜지스터의 on/off를 담당하는 배선)의 층
* 비트 밀도(Bit Density): 단위 면적당 저장되는 비트의 수
* 간섭 현상: 셀 간 간격이 좁아져 전자가 누설되거나 인접 셀이 영향을 받는 현상

삼성전자는 2002년 낸드플래시 메모리 분야에서 세계 1위에 오른 뒤, 시장을 선도하며 초격차 기술을 선보이고 있다. 긴 여정의 결실이라고 할 수 있는 9세대 V낸드에 이어, 삼성전자는 앞으로도 끊임없는 혁신과 첨단 메모리 기술 개발을 통해 정교한 미래를 설계해 나갈 예정이다.

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어려운 반도체 용어를 알기 쉽게 소개해 주는 반도Chat의 네 번째 이야기! 오늘은 기나긴 디지털 여정을 획기적으로 단축해 주는 SSD에 대해 알아볼 시간이다.

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Map 1. HDD에서 SSD로! 저장매체 패러다임의 변화

‘HDD(Hard Disk Drive)’는 비휘발성 데이터 저장소 중 가장 오랜 시간 대중의 사랑을 받았다. 1950년대에 출시된 이후 지속적인 개발을 거쳐, 1990년대에는 개인용 컴퓨터의 핵심 부품으로 자리 잡기도 했다. 그러나 오늘날 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 등 대부분의 전자기기에는 ‘SSD(Solid State Drive)’가 사용되고 있다. 이렇듯 시대별 보조 기억장치의 대표 주자로 자리했던 HDD와 SSD의 차이점은 과연 무엇일까?

1990년대 이후 대부분의 PC는 HDD라는 저장장치를 활용했다. HDD는 금속이나 유리로 만들어진 원형 판 ‘플래터(Platter)’와 바늘 모양의 ‘헤드(Head)’로 구성된 기계식 저장장치다.

HDD의 데이터 처리 방식은 LP판에 비유해 볼 수 있다. 턴테이블에 올려 회전시킨 LP판이 바늘로 홈을 읽어 음악을 재생하는 것처럼, HDD는 회전하는 플래터의 데이터를 ‘헤드’라는 바늘을 통해 읽고 쓸 수 있다. 이때 플래터의 회전 속도(RPM)가 빠를수록 데이터를 읽고 쓰는 속도가 함께 빨라져 HDD의 성능은 향상된다.

하지만 이는 곧 HDD의 성능 한계로 이어졌다. 물리적으로 돌아가는 모터 방식은 전력 소비와 발열, 소음 문제를 수반했고, 플래터 회전 속도의 한계 때문에 SSD 대비 데이터 처리 성능이 느렸다.

이 문제를 해결한 것이 바로 SSD다. SSD는 데이터를 반도체에 저장한다. HDD처럼 모터 방식의 구동 장치가 필요하지 않아 작동 시 열과 소음이 발생하지 않고 외부 충격으로부터 안전한 동시에 데이터 처리 속도가 획기적이다. 이러한 이유에서 스토리지 트렌드는 HDD에서 SSD로 변화했다.

HDD에서 SSD로 전환하는 데는 오랜 시간과 연구가 필요했다. SSD 기술 개발은 1970년대부터 시작되었지만, 높은 비용과 커다란 사이즈 문제 때문에 수년간 상용화에 어려움이 있었다.

이에 삼성전자는 2006년 32GB SSD를 장착한 PC를 선보였다. 그 당시 업계는 비용 및 개발 난항 등의 문제로 인해 일반 PC에도 플래시 메모리를 적용하지 못했다. 때문에 삼성전자가 출시한 노트 PC(SENS Q30 PLUS)와 울트라 모바일 PC(SENS Q1) 제품은 HDD가 없는 디지털 PC라는 새로운 시장을 여는 신호탄이 되었다.

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Map 2. SSD로 확장된 초고속 세상

SSD를 좀 더 이해하기 위해서는 플래시 메모리에 대한 이해가 필요하다. 플래시 메모리는 셀(cell)이라는 작은 단위로 데이터를 저장하는 기억장치이다. 이러한 플래시 메모리는 크게 낸드(NAND) 타입과 노어(NOR) 타입으로 구분된다.

노어 타입은 셀을 병렬로 배열하여 한 번에 여러 개의 비트를 읽을 수 있다. 각 셀의 주소를 반드시 기억하는 과정을 거쳐야 하기에 쓰기 속도가 느리지만, 데이터를 빨리 찾을 수 있어 읽기 속도가 빠르다.

반면 낸드 타입은 데이터 저장 단위인 셀을 직렬로 배열하여 한 번에 하나의 비트만 읽거나 쓸 수 있다. 한 블록 전체를 기록하기 때문에 쓰기 속도가 빠르지만, 직렬로 배열되어 읽기 속도가 느리다.

낸드 타입은 노어 타입과 비교했을 때 쓰기 속도가 빠르고 비용 측면에서 합리적이라는 장점이 있다. 더불어 기술 발달에 따라 낸드 타입의 읽기와 쓰기 속도 격차가 가파르게 좁혀졌다. SSD는 바로 이 낸드 타입 플래시 메모리를 사용한 디지털 방식의 데이터 저장장치다.

SSD는 어떻게 이런 성능을 갖출 수 있었을까? 쉽게 이해하기 위해 SSD의 구조를 면밀히 살펴보자. PC가 CPU, 메모리, 기억장치로 이루어진 것처럼, SSD 역시 CPU처럼 외부에서 들어온 명령어를 해석하고 처리하는 역할을 수행하는 컨트롤러, 데이터 저장을 위한 낸드플래시, 캐시메모리 역할을 하는 D램으로 구성되어 있다.

이때 낸드플래시는 데이터 집적도를 높여 용량을 늘려 주고, 컨트롤러는 인터페이스와 메모리 사이에서 데이터 이동을 제어하며 읽고 쓰는 순서를 정해 성능을 향상시킨다.

다시 말해, 하나의 PC 안에서 또 다른 컴퓨팅 시스템이 동작하여, 메모리를 더욱 빠르고 효율적으로 처리하는 셈이다.

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Map 3. SSD 초격차, 그 비결은?

이러한 초고속 고용량 SSD가 탄생하기 위해서는 낸드플래시에 수많은 데이터를 촘촘하게 담는 것이 핵심이다. 즉 동일한 공간에서 얼마나 조밀하게 많은 데이터를 저장할 수 있는지가 중요한데, 그 척도를 ‘집적도’라고 한다. 집적도는 용량과 직결되는 문제이기에 V낸드의 집적도를 높이기 위한 반도체 업계의 노력은 꾸준히 진행되었다.

플로팅 게이트(Floating Gate)와 CTF(Charged Trap Flash) 기술은 낸드플래시의 집적도를 높이기 위한 방향으로 활용되어 왔다. 그중 도체에 전하를 저장하는 플로팅 게이트는 2D 낸드플래시에 적용되었는데, 전기 회로가 미세화될수록 셀간 간섭이 심해지는 한계가 있었다. 이런 이유로 3D 낸드플래시에는 도체가 아닌 부도체에 전하를 저장하는 방식인 ‘CTF 기술’을 적용하고 있다.

삼성전자 반도체에서 개발한 ‘V낸드(Vertical Nand)’는 2D(평면) 낸드플래시의 한계에 봉착한 업계를 확장적 세계로 이끈 3D(수직) 낸드플래시 기술이다. V낸드에 대해서는 데이터를 ‘인구’, 데이터 저장소인 셀을 ‘집’으로 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.

예를 들어 단독 주택이더라도 근방에 집과 인구가 많지 않다면 이웃과의 충돌이 거의 발생하지 않는다. 하지만 인구 밀도가 늘어나게 되면, 집들 간의 간격이 좁아지고 소음 등의 간섭 현상이 발생하게 된다.

3D V낸드는 이러한 간섭을 극복하고자 개발한 기술이다. 단독 주택을 아파트와 같이 수직으로 쌓아 올림으로써, 더 많은 인구가 상호 간에 간섭을 일으키지 않고 머무를 수 있게 되는 것이다.

여기서 데이터 간섭 현상을 대폭 감소하기 위해 삼성전자 반도체는 수직으로 쌓아 올린 층에 고속 엘리베이터 역할을 하는 통로, ‘채널 홀’을 뚫어 데이터 용량을 확보하면서도 처리 속도를 향상시키는 기술적 발전을 이뤄 냈다.

삼성전자의 V낸드 기술은 2013년 1세대(24단) V낸드를 시작으로 2014년 2세대(32단), 2015년 3세대(48단), 2016년 4세대(64단), 2018년 5세대(9x단), 2019년 6세대(1xx단), 2021년 7세대(176단), 2022년 8세대(200단 이상) 등 끊임없이 성장하며 대용량 초고속 SSD 시대를 여는 발판이 되었다.

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Map 4. 다양한 분야에서 활용되는 SSD

V낸드 기술이 적용된 SSD는 필요한 상황이나 기능에 따라 다양한 종류로 분류된다.

우선 사용처에 따라 보안 및 외부 충격을 대비한 ‘포터블 SSD’와 작고 가볍고 빠른 성능의 ‘PC&랩탑용 SSD’, 대용량의 데이터와 보안을 요하는 ‘기업용 SSD’로 나뉜다.

최근 삼성전자는 한 뼘 크기에 8TB 용량을 담은 포터블 SSD, ‘T5 EVO’를 출시했다. 이 제품은 외장 HDD 대비 3.8배 빠른 데이터 전송 속도와 최대 460MB/s 연속 읽기∙쓰기 성능을 제공한다. 특히 3.5MB 크기 사진 약 2백만 장 또는 50GB 크기 4K UHD 영화 160 편 이상을 저장할 수 있는 큰 용량은 대용량 파일, 고해상도 동영상, 사진, 게임 등 다양한 라이프 스타일에 맞게 자유자재로 활용 가능하다.

이외에도 풀HD급 4GB(기가바이트) 영화 1 편을 2초 만에 저장할 수 있는 초고속 포터블 SSD(Solid State Drive) ‘T9’을 출시하여 소비자용 SSD 시장을 선도해 나가고 있다.

SSD의 기능 측면에서는, 저장은 물론 연산까지 가능한 ‘Smart SSD’와 연속 쓰기가 많은 응용에 최적화된 ‘ZNS SSD’, 응답 속도가 10배 이상 빠른 ‘Z-SSD’로 나눌 수 있다.

다양한 종류처럼, 자유자재로 활용되는 SSD! SSD는 모바일 기기, 랩톱 컴퓨터&PC, 자율주행 자동차, 데이터 센터 외에도 게임, 영상 편집, 컴퓨터 그래픽 등 빠른 속도와 고용량을 요구하는 상황에서 사용되고 있다.

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Map 5. 내일을 향한 혁신, 삼성전자 반도체가 여는 메모리의 미래

지난 10월, 삼성전자 반도체는 ‘삼성 메모리 테크 데이 2023’에서 ‘Detachable AutoSSD(탈부착 가능한 차량용 SSD)’를 공개했다. 이 제품은 스토리지 가상화로 하나의 SSD를 분할해 여러 개의 SoC(System on Chip)가 사용할 수 있는데, 최대 6,500MB/s의 연속 읽기 속도와 4TB 용량을 제공한다. 탈부착이 가능한 차량용 폼팩터로 구현돼 성능도 손쉽게 업그레이드할 수 있다.

또한 서버 스토리지에서도 응용처에 따라 용량을 변화시키고, 페타바이트(Petabyte)급으로 확장할 수 있는 SSD를 곧 선보일 예정이다.

2020년 출하 기준 전 세계 서버용 HDD를 삼성전자의 최신 SSD로 바꾸면, 3TWh의 전력을 절감할 수 있다. 이는 21년 기준 서울 송파구 구민이 1년간 사용한 전력 사용량(약 2.85TWh)보다 많은 양이다.

최고 성능의 SSD를 개발하는 것에서 더 나아가, 지속가능한 미래를 위해 노력하고 있는 삼성전자 반도체! SSD 초고용량 경신을 통한 낸드 활로 개척 등 삼성전자가 주도한 스토리지 패러다임의 변화는 지금까지도 계속되고 있다.

우리 생활에 또 다른 가치를 부여하는 차세대 저장장치, SSD에 대해 보다 자세하게 알고 싶다면 인생맛칩 ‘SSD’ 편을 참고하길 바란다.

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그렇다면, 3차원 수직구조 낸드플래시 메모리는 무엇일까요? 오늘은 영상을 통해 3차원 수직구조 낸드플래시 메모리의 원리와 구조를 함께 알아보겠습니다.

■ 기존 낸드플래시, 미세화 기술 한계에 봉착

플래시 메모리는 전원이 끊겨도 데이터를 보존하는 특성을 가진 반도체로, 크게 낸드플래시와 노어플래시로 구분됩니다. 낸드플래시는 스마트폰 스토리지 메모리나 SSD와 같이 대용량 데이터 저장용으로  사용되고, 노어플래시는 피쳐폰에서 구동 소프트웨어를 저장하는 저용량 스토리지 메모리로 사용됩니다.

좁은 면적에 더 많은 셀을 만들어 소형화, 대용량화된 낸드플래시는 다양한 모바일 기기 및 전자제품의 대표적인 메모리 저장장치로 사용되고 있습니다. 특히 낸드플래시는 우리 생활의 필수품으로 자리잡은 스마트폰에서 음악, 사진, 영상 등을 저장하는 역할과 HDD를 대체하는 SSD에 탑재되고 있습니다.

하지만 최첨단 10나노급 공정을 도입한 128기가비트(Gb) 낸드플래시가 개발된 이래, 공정이 미세화되면서 셀이 점점 작아지고 이웃한 셀과의 간격이 좁아지게 되었습니다. 이로 인해 전자가 누설되는 간섭 현상이 심화된 것입니다.

메모리 셀을 집에 비유하자면, 면적이 넓은 곳에 몇 개의 집만 지을 때는 건물도 크게 지을 수 있고, 이웃한 집 사이의 거리가 넓어 편하게 지낼 수 있습니다. 하지만 같은 면적에 많은 집을 지어야 한다면, 집도 작아지고 이웃한 집 사이의 거리도 가까워져 소음 문제 등 간섭 현상이 발생하는 것입니다.

극심한 간섭 현상으로 저장된 데이터를 판독할 수 없는 등 미세화 기술이 물리적 한계에 도달한 것이죠.  이렇게 물리적인 한계 극복이 어려워지면서 두 배 큰 용량인 256Gb 낸드플래시 개발 기간이 길어지고,  새로운 물질 개발 등으로 많은 개발 비용이 소요되면서 메모리 산업에 위기 상황이 나타났습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 단층구조의 집을 수십 층 아파트와 같이 수직으로 쌓아 올린 것이 ‘3차원 수직구조 낸드플래시’입니다. 층간 거리를 높여 이웃집 사이의 소음을 해결하고, 동일한 칩 면적 안에서 더 많은 집을 쌓을 수 있어 지속적으로 더 큰 집 지을 수 있습니다. 즉 간섭 효과 제거뿐 아니라 작은 집을 짓기 위한 기존의 미세화 기술로 경제적인 혁신 기술이 개발된 것입니다.

이렇게 기존의 물리적 한계를 극복한 ‘3차원 수직구조 낸드플래시’가 탄생하기까지, 획기적인 “구조 혁신”과 “공정 혁신”의 2가지 기술 혁신이 있었는데요. 먼저 낸드플래시 메모리의 구조 혁신에 대해 살펴볼까요?

■ 3D V-NAND 플래시 메모리의 ‘구조 혁신’

이전의 낸드플래시 메모리는 도체인 플로팅 게이트에 전하를 저장하는 ‘플로팅 게이트(Floating Gate) 구조’가 적용됐었습니다. 하지만 플로팅 게이트 방식은 10나노 이하 미세 회로에서 셀간 간섭이 심해지는 한계가 있었는데요. 2006년 삼성전자가 셀간 간섭 현상을 획기적으로 줄이기 위해 세계 최초로 부도체에 전하를 저장하는 ‘2차원 CTF(Charge Trap Flash) 구조’를 개발하면서 낸드플래시의 혁신이 시작됐습니다.

컨트롤 게이트(Control Gate) 하나로 구성된 2차원 CTF 구조는 플로팅 게이트처럼 높은 두께를 가진 것이 아니라, 부도체인 얇은 막에 전하를 보관하기 때문에 셀 높이가 대폭 낮아지고, 셀간 간섭이 작아 상대적으로 미세화가 더 용이합니다. 대용량화를 위해 이 2차원 CTF 구조를 입체 기술로 발전시킨 것이 바로 ‘3차원 원통형 CTF 셀 구조’입니다.

특히 ‘3차원 원통형 CTF 셀 구조’는 기존의 컨트롤 게이트를 직사각형이 아닌 원통형으로 만들어 셀 당 보유 전자 수를 극대화하고, 셀 간의 공간을 확보해 데이터 간섭현상을 대폭 감소시켰습니다.

컨트롤 게이트에 저장하는 전하를 더욱 빠르고 안정적으로 관리할 수 있게 된 것인데요, 단층으로 배열된 3차원 셀을 수직 수십 단으로 적층하면서도 데이터를 기록할 때, 기존 MLC 낸드플래시보다 소비 전력을 절반으로 줄였습니다. 또한 2배 더 빠른 속도를 구현하고 셀의 내구성을 10배나 높이는 등 독보적인 3가지 강점을 갖게 된 것입니다.

■ 3D V-NAND 플래시 메모리의 ‘공정 혁신’

3차원 수직구조 낸드플래시 탄생에는 획기적인 셀 구조 혁신인 ‘3차원 원통형 CTF 셀 구조’외에도 수직 적층 기술인 ‘3차원 수직적층 공정 혁신’이 있었기에 가능했는데요,

‘3차원 수직적층 공정’은 높은 단에서 낮은 단으로 한 번에 구멍을 뚫어 각 층마다 전극을 연결하는 ‘에칭(Etching)’ 기술과 각각의 홀에 수직 셀을 만드는 ‘게이트 패턴(Gate Pattern)’ 기술 등 획기적인 공정 혁신을 이루었습니다.

특히 각 단에 미세한 구멍을 뚫는 ‘에칭’ 기술은 3차원 원통형 CTF 셀 양산의 핵심 기술로, 수십 단으로 쌓은 셀 전체에 수십억 개의 구멍을 만드는 것입니다. 쉽게 말해 200미터 높이의 건물에서 옥상부터 바닥까지 5미터 지름으로 수십억 개의 구멍을 한 번에 뚫고, 각 층에 2개의 문으로 전자를 이동시킬 수 있는 양문 엘리베이터를 설치하는 기술에 비유할 수 있습니다.

이처럼 세계 최초 ‘3차원 수직구조 낸드플래시’는 반도체 기술의 한계를 극복했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 그 결과로 삼성전자는 지난 10년간 ‘3차원 수직구조 낸드플래시’를 연구하면서 300여건 이상의 핵심 특허를 개발해 세계 각국에 출원을 완료했는데요, 정말 놀랍지 않나요?

이 기술을 통해 삼성전자는 이제까지 불가능하다고 여겨졌던 고집적 1테라비트(Tb) 이상 낸드플래시를 개발할 수 있는 원천 기술을 확보하게 됐고, 지속적으로 낸드플래시 시장을 이끌어 나갈 새로운 패러다임을 제시한 것으로 평가받고 있습니다.

시장 조사기관에 의하면 세계 낸드플래시 메모리 시장은 올해 236억불에서 2016년 308억불로 크게 성장할 것이라고 하는데요, 발상의 전환으로 탄생한 혁신적인 삼성전자 3차원 V-NAND 메모리, V-NAND가 펼쳐 나가는 차세대 솔루션을 많이 기대해주세요~!

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