인-메모리 컴퓨팅은 메모리가 데이터의 저장 뿐 아니라 데이터의 연산까지 수행하도록 한 최첨단 기술인데요. 아래 그림을 통해 알아보겠습니다.

인-메모리 컴퓨팅 기술을 활용하지 않은 기존 구조에서는 (왼쪽 그림), 데이터의 연산을 위해 메모리(Conventional memory)에서 프로세서(Processing Unit)로 데이터를 모두 이동시켜 연산을 수행해야 합니다.

반면, 인-메모리 컴퓨팅 기술을 활용하면 (오른쪽 그림), 메모리(Computational memory) 내부에서 연산(Computing)이 가능해집니다. 이 때문에, 메모리 내에 있는 대량의 정보를 프로세서로 이동시킬 필요 없이 메모리 내에서 병렬 연산을 수행하고 결과만을 프로세서로 전송하게 됩니다. 이러한 원리 때문에 인-메모리 컴퓨팅은 시스템의 전력 소모를 현저히 낮출 수 있으며, 차세대 저전력 인공지능(AI) 칩을 만드는 유력한 기술로 주목 받고 있습니다.

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삼성전자, MRAM 기반 인-메모리 컴퓨팅 세계 최초 구현

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삼성전자 연구진이 MRAM(자기저항메모리, Magnetoresistive Random Access Memory)을 기반으로 한 인-메모리(In-Memory) 컴퓨팅을 세계 최초로 구현하고, 연구 결과를 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재했습니다.

* (논문제목) A crossbar array of magnetoresistive memory devices for in-memory computing
* (논문링크) https://www.nature.com/articles/s41586-021-04196-6

MRAM 기반 데이터 저장과 연산까지 수행하는 인-메모리 컴퓨팅 구현

이번 연구는 삼성전자 종합기술원 정승철 전문연구원이 제1저자로, 함돈희 종합기술원 펠로우 및 하버드대학교 교수와 김상준 종합기술원 마스터가 공동 교신저자로 참여했습니다. 삼성전자 종합기술원, 반도체연구소, 파운드리사업부 연구원들도 공동으로 연구에 참여했습니다.

기존 컴퓨터는 데이터의 저장을 담당하는 메모리 칩과 데이터의 연산을 책임지는 프로세서 칩을 따로 나누어 구성합니다.

인-메모리 컴퓨팅은 메모리 내에서 데이터의 저장 뿐 아니라 데이터의 연산까지 수행하는 최첨단 칩 기술입니다. 메모리 내 대량의 정보를 이동 없이 메모리 내에서 병렬 연산하기 때문에 전력 소모가 현저히 낮아, 차세대 저전력 인공지능(AI) 칩을 만드는 유력한 기술로 주목받고 있습니다.

RRAM(저항메모리, Resistive RAM)과 PRAM(위상변화메모리, Phase-change RAM) 등 비휘발성 메모리를 활용한 인-메모리 컴퓨팅의 구현은 지난 수년간 전 세계적으로 관심이 높은 연구 주제였습니다.

하지만 또 다른 비휘발성 메모리인 MRAM은 데이터 안정성이 높고 속도가 빠른 장점에도 불구하고, 낮은 저항값을 갖는 특성으로 인해 인-메모리 컴퓨팅에 적용해도 전력 이점이 크지 않아 인-메모리 컴퓨팅으로 구현되지 못했습니다.

삼성전자 연구진은 이러한 MRAM의 한계를 기존의 ‘전류 합산’ 방식이 아닌 새로운 개념의 ‘저항 합산’ 방식의 인-메모리 컴퓨팅 구조를 제안함으로써 저전력 설계에 성공했습니다.

연구진은 MRAM 기반 인-메모리 컴퓨팅 칩의 성능을 인공지능 계산에 응용해 숫자 분류에서는 최대 98%, 얼굴 검출에서는 93%의 정확도로 동작하는 것을 검증했습니다.

저전력 인공지능(AI) 및 뉴로모픽 칩 기술 지평 확장

이번 연구는 시스템 반도체 공정과 접목해 대량 생산이 가능한 비휘발성 메모리인 MRAM을 세계 최초로 인-메모리 컴퓨팅으로 구현하고, 차세대 저전력 AI 칩 기술의 지평을 확장했다는데 큰 의미가 있습니다.

연구진은 새로운 구조의 MRAM 칩을 인-메모리 컴퓨팅으로 활용할 뿐 아니라, 생물학적 신경망을 다운로드하는 뉴로모픽 플랫폼으로의 활용 가능성도 함께 제안했습니다.

삼성전자 종합기술원 정승철 전문연구원은 “인-메모리 컴퓨팅은 메모리와 연산이 접목된 기술로, 기억과 계산이 혼재되어 있는 사람의 뇌와 유사한 점이 있다”며, “이번 연구가 향후 실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술의 연구 및 개발에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 말했습니다.

삼성전자는 초격차 메모리 기술 역량을 시스템 반도체 기술과 접목하여, 차세대 컴퓨팅 및 인공지능 반도체 분야에서 지속적으로 기술 리더십을 확장해 나갈 계획입니다.

[인포그래픽]

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MRAM은 NAND Flash 와 같이 전원을 꺼도 데이터가 유지되는 메모리지만, DRAM 수준으로 속도가 빠른 특성을 가지는 메모리 반도체인데요. 1992 년 이후 DRAM 분야에서 세계시장 1위를 지키고 있는 삼성전자 DS부문은 지난 3월 6일 28나노 FD-SOI(완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터) 공정 기반 eMRAM(embedded Magnetic Random Access Memory, 내장형 MRAM) 솔루션을 업계 최초로 출하하며 관심을 모았습니다.

차세대 메모리 MRAM이 궁금하신 분들을 위해 MRAM이 무엇인지, DRAM과 어떤 차이점이 있는지 임직원 인터뷰를 통해 알아봤습니다.

DRAM에서 MRAM까지, 업계를 선도하는 삼성전자 메모리 기술

세계 최고의 기술을 바탕으로 25 년 이상 세계 1 위의 자리를 지키고 있는 삼성전자 DRAM, 그리고 차세대 메모리 MRAM 에 대해 듣기 위해 Foundry 사업부 김찬경 님을 만나봤는데요. 김찬경 님은 DRAM 메모리 설계 업무를 담당한 이후 현재는 Foundry 사업부에서 MRAM 을 설계하며 차세대 메모리 기술을 연구하고 있습니다.

Q. 먼저 DRAM이란 무엇이며, DRAM 이 왜 필요한가요?

모든 컴퓨터 시스템은 메인 메모리인 DRAM과 스토리지 메모리인 Nand Flash 메모리로 구성됩니다. DRAM은 컴퓨터 시스템의 메인 메모리로서 임시 저장장치에 해당하며 CPU가 원활히 동작하기 위해서는 대량, 고속의 DRAM이 반드시 필요한데요. 특히 현재의 컴퓨터 구조인 폰노이만 구조에서 DRAM은 매우 중요한 역할을 하죠.

Q. DRAM 기술은 어떤 방향으로 발전해왔나요?

끊임없이 발전해온 DRAM 기술은 3번의 큰 패러다임의 변화를 거쳤다고 생각합니다. DRAM 칩의 고밀도가 주요한 경쟁 요소가 되면서 칩 사이즈 축소(Shrink) 기술이 자리잡았고, 동작 속도 경쟁도 가속화되면서 대역폭(Bandwidth) 향상이 지속되고 있습니다. 또한, 모바일 시대가 도래하면서 저전력 경쟁이 큰 화두로 떠올랐는데요. 이렇듯 DRAM은 반도체 산업이 원하는 특성인 고밀도, 초고속, 저전력 등 모든 경쟁력을 갖추면서 메인 메모리로 자리잡았습니다.

Q. 차세대 메모리 MRAM 이란 무엇이고, 어떤 장점을 가지고 있나요?

MRAM은 기존 DRAM과 달리 저항성 메모리의 한 종류입니다. DRAM이 전류에 기반한 메모리라고 한다면, MRAM은 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 라고 하는 유닛 셀(Unit cell)의 저항 변화에 기반한 메모리인데요.

DRAM은 밀도, 대역폭, 전력 부분에서 큰 진전을 이루며 발전해 왔지만, 데이터를 유지하기 위해서는 사용하지 않는 순간에도 지속적으로 리프레시(Refresh) 동작을 하며 대기전력을 소모해야 합니다. 이에 반해 MRAM은 DRAM의 최대 약점인 리프레시 동작 없이도 오랜시간 데이터 보존이 가능한 장점이 있습니다. 그 이유로 현재의 컴퓨터 구조를 획기적으로 변화시킬 수 있는 유니버설 메모리(Universal Memory)로 주목받고 있습니다.

Q. 신성장 기술 MRAM의 미래는 어떤가요?

AI, Automotive, IoT 와 같이 새로운 응용처(Application)가 생겨남에 따라 그에 맞는 메모리 솔루션은 반드시 필요한데요. MRAM의 빠른 속도와 비휘발성을 이용해 기존의 다양한 메모리를 MRAM 한 칩으로 대체하려는 시도가 이루어지고 있습니다. 이렇듯 지속적인 연구개발을 통해 MRAM이 새로운 응용처에 주목받는 메모리로 성장할 것이라고 생각하고 있습니다.

지금까지 차세대 메모리고 주목받고 있는 MRAM에 대해 알아봤는데요. MRAM 기술에 대한 엔지니어들의 도전과 열정, 그리고 자부심을 느낄 수 있는 시간이었습니다. MRAM의 지속적인 성장을 많이 응원해주세요!

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저전력 특성 공정+차세대 내장 메모리 기술 접목… 파운드리 리더십 강화

FD-SOI 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 절연막을 씌워 누설 전류를 줄일 수 있는 공정이며, MRAM은 비휘발성(전원을 꺼도 데이터가 유지됨)이면서도 DRAM 수준으로 속도가 빠르다는 특성을 가지는 메모리 반도체입니다. 이 두 기술이 합쳐져 전력을 적게 소모하면서 속도도 매우 빠르고, 소형화가 쉬우면서도 가격까지 저렴한 차세대 내장 메모리가 만들어졌습니다.

삼성전자 파운드리 사업부는 SoC(System on Chip)에 이 제품을 결합해 파운드리 분야 기술 리더십을 강화했습니다.

내장형(embedded) 메모리는 IoT 기기 등 소형 전자 제품에 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)나 SoC 같은 시스템 반도체에서 정보 저장 역할을 하는 메모리 모듈입니다. 주로 Flash를 기반으로 한 eFlash(embedded Flash Memory)가 사용됩니다.

그러나 eFlash는 데이터를 기록할 때 먼저 저장돼있던 기존 데이터를 삭제하는 과정을 거치기 때문에 속도와 전력효율 측면에서 단점이 있었습니다.

삼성전자의 ’28나노 FD-SOI eMRAM’ 솔루션은 데이터 기록시 삭제 과정이 필요없고, 기존 eFlash보다 약 1천 배 빠른 쓰기 속도를 구현합니다.

또한, 비휘발성 특성도 지녀 전원이 꺼진 상태에서 저장된 데이터를 계속 유지해 대기 전력을 소모하지 않으며, 데이터 기록시 필요한 동작 전압도 낮아 전력 효율이 뛰어납니다.

저전력, 소형화, 빠른 쓰기…IoT·AI에 최적의 솔루션 제공

삼성전자의 eMRAM 솔루션은 단순한 구조를 가지고 있어 기존 로직 공정 기반의 설계에 최소한의 레이어(Layer)를 더하는 것만으로 구현이 가능하기 때문에 고객들의 설계 부담을 줄이고 생산비용 또한 낮출 수 있습니다.

삼성전자 파운드리사업부 전략마케팅팀 이상현 상무는 “신소재 활용에 대한 어려움을 극복하고 차세대 내장형 메모리 솔루션을 선보이게 됐다”며, “이미 검증된 삼성 파운드리의 로직 공정에 eMRAM을 확대 적용하여 차별화된 경쟁력과 뛰어난 생산성을 제공함으로써 고객과 시장의 요구에 대응해갈 것” 이라고 밝혔습니다.

한편 삼성전자는 6일 기흥캠퍼스에서 ’28나노 FD-SOI 공정 기반 eMRAM’ 양산 제품의 첫 출하를 기념하는 행사를 가집니다.

삼성전자는 올해 안에 1Gb eMRAM 테스트칩 생산을 시작하는 등 내장형 메모리 솔루션을 지속 확대해 차별화된 파운드리 경쟁력을 제공한다는 전략입니다.

[참고자료]

□ FD-SOI (Fully Depleted-Silicon on Insulator, 완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터)
– 실리콘 웨이퍼 위에 전기가 통하지 않는 절연막(SiO2)을 형성하고 그 위에 트랜지스터를 구성하는 기술로 트랜지스터 동작시 발생하는누설 전류를 크게 줄일 수 있는 특징이 있다. 

□ eMRAM(embedded Magnetic Random Access Memory, 내장형 MRAM)
– SoC에 내장(embedded)된 형태의 자성체 소자를 이용한 비휘발성 메모리로, 플래시 메모리 대비 쓰기 속도가 약 1000배 빠르고 전력 
소모가 적은 특징이 있다.

*참고영상:

□ MCU(Micro Controller Unit)
– 특정 시스템을 제어하는 두뇌 역할을 하는 반도체로 주로 소형 전자기기나 임베디드 시스템에 탑재돼 단순한 기능부터 특수한 기능까지 기기의 다양한 동작을 제어 한다.

□ SoC(System on Chip)
– 다양한 기능을 집약해 하나의 칩에 구현한 시스템반도체

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