3만5천년 이상된 쇼베 벽화의 일부

인류 문명의 발전과 정보 저장 매체의 역사

동굴 벽화는 아마도 인류 최초의 정보 저장 매체였을 것이다.

1994년 프랑스에서 발견된 ‘쇼베(Chauvet)’ 동굴 벽화의 연대는 3만5천년 전 이상의 것으로 추정된다.

2만년 전 동굴의 입구가 막혀 동굴 내부가 진공상태로 유지되면서, 3만년이 넘은 그림이라고 보기에는 믿을 수 없을 정도로 선명했으며, 당시 구석기 크로마뇽인의 삶과 관심사가 상세히 기록되어 있다.

종이가 발명되기 이전에는 돌, 금속, 동물의 가죽이나 뼈, 나무껍질 등을 이용하여 기록을 남겨왔다. 기원전 3000년으로 추정되는 수메르인의 쐐기문자는 점토판에 새겨진 형태로 발견 되었다.

종이의 근원으로 가장 많이 알려진 것은 페이퍼(Paper)의 어원이 된 파피루스(기원전 800년)이다. 그러나 현대의 종이와 흡사한 형태는 AD 105년 중국 채륜의 채후지(蔡侯紙)라 할 수 있다.

종이의 발명으로 인류 문명은 비약적으로 발전하게 된다. 축적된 지식을 종이에 적어 후세에 전달할 수 있게 되면서 인류의 지성은 누적적인 성장 발전 단계에 들어서게 되었다.

1377년 고려에서는 세계 최고(最古)의 금속 활자본 직지심체 요절이 만들어졌으며, 1450년 독일의 구텐베르크는 금속활자를 다량으로 주조 하는 방법과 활자를 마음대로 조합하는 방법을 고안하게 된다.

금속활자 기술의 발명으로 인류가 쌓아온 정보와 지식의 대량 생산과 복제가 가능해진 것이다.

인류 기록저장 수단의 진화 (자료: IBK투자증권)

 

이후, 정보의 저장과 전달은 인쇄에 의해 이루어 졌다. 약 400년이 지난 후 문자 이외의 데이터를 저장 하는 기술이 개발되게 된다.

1830년대에는 감광재료를 통한 최초의 사진이 만들어 졌고, 이를 저장하기 위한 필름도 개발되었다. 필름은 지난 250여년 간 화상 및 영상 데이터를 저장하는 매체로 독보적인 자리를 유지해왔다.

1877년 토마스 에디슨은 소리를 기록하고 재생할 수 있는 장치인 축음기를 개발한다. 축음기의 발명은 이후 소리를 저장 하는데 용이한 매체인 ‘레코드판’의 개발로 이어졌다. 레코드판 형태의 음반은 1896년 셀락이라는 소재로 만들어졌으며, 1932년 RCA빅터사(社)가 우리에게 친숙한 비닐을 사용한 ‘LP(Long Play)’ 형태의 레코드판을 출시하였다.

1800년대 후반 미 대륙의 인구 증가로 센서스에 소요되는 시간이 너무 오래 걸리게 되자, 1889년 미 통계국은 효율적으로 정보를 처리하는 방식을 공모한다. 여기서 당선된 기계가 천공 카드를 사용한 정보수집 시스템인 ‘홀러리스 데스크’이다. 허만 홀러리스(Herman Hollerith)는 1896년 이 기술을 기반으로 회사를 세우고, 1911년 다른 2개 회사와 합병해 ‘CTR Company’를 설립한다. CTR은 훗날 IBM의 모태가 되고, IBM은 지난 2011년을 창립 100주년 기념일로 지정한다.

이후 정보를 취합하고, 정리 및 계산하는 컴퓨터에 대한 개발이 본격화되면서, 드럼메모리, 자기테이프 등 정보를 기록 및 입출력하기 위한 장치들이 개발되었다. 최초의 하드 디스크는 1957년 IBM 350에 사용된 ‘RAMAC’이라는 24인치 디스크였다.

속도는 느렸고, 부피는 컸으며 용량은 5MB에 불과했다. 하드디스크의 이동성을 보완하기 위한 플로피 디스크는 1971년 IBM에 의해 개발되었다.

최초의 광학디스크는 1976년 필립스와 소니에 의해 개발되었다. 이는 CD, CD-R, CD-RW, DVD, BlueRay 등으로 발전한다. 인류 문명 발전은 어찌 보면 정보저장 매체와 디스플레이의 발전과 그 궤를 같이한다.

종이는 지난 2000여년 간 인류 최고의 저장 매체이자 디스플레이로서의 역할을 담당해왔다. 종이가 담지 못하는 멀티미디어 및 컴퓨팅 데이터는 필름과 자기테이프, 광디스크, 그리고 하드디스크 등이 저장을 담당해 왔다. 그러나 원가 경쟁력이 확보되면서 플래시 메모리가 인류 문명의 정보와 기록 저장 매체의 메인스트림으로 떠오르고 있다. 플래시 시대가 본격 개막한 것이다.

 

비휘발성 메모리 개발과 플래시의 탄생

현대식 컴퓨터는 프로세싱을 담당하는 CPU와 RAM이라는 메모리를 기본으로 하는 구조로 이루어져 있다. 그러나 RAM은 전원이 꺼지면 저장하고 있던 정보를 모두 잃어버리는 휘발성(Volatile)이라는 태생적인 한계를 안고 있었다. 이에 대한 해결책은 디스크나 테이프에 필요한 내용을 반영구적으로 저장하는 것이다. 즉, 캐쉬(SRAM), 메인 메모리(DRAM), 스토리지(HDD)로 이루어지는 메모리 계층구조가 만들어지게 된 것이다.

한국전쟁 기간 해병대로 군복무를 마치고, 서울대 물리학과를 졸업한 강대원(1931년생)은 미국으로 유학해 오하이오 주립대에서 전자공학으로 박사학위를 받는다. 이후 벨 연구소의 연구원으로 근무하던 그는 1960년 세계 최초로 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor, 금속산화막실리콘 전계효과 트랜지스터)을 개발하였다. 이 같은 연구 성과를 인정받아 1964년부터는 팀의 리더를 맡았고, 1967년에는 세계 최초로 플로팅게이트-비휘발성-메모리를 개발하는 데 성공한다.

평상시 전기적으로 고립되어 있는 트랜지스터에 전하를 집어넣어 전원이 꺼지더라도 전하량을 그대로 포획해 RAM의 약점인 비휘발성을 극복할 수 있는 소자를 고안한 것이다.

MOSFET와 FG-NVM을 최초로 개발한 공로로 그는 2009년 미국 상무부 산하 특허청의 명예의 전당(National Inventors Hall of Fame)에 등재되었다.

그러나 강대원 박사의 플로팅게이트 비휘발성 메모리는 개별 메모리 셀을 하나씩 지워나가는 방식이었기 때문에 메모리를 지우는 과정이 매우 복잡했으며, 속도는 느렸고, 제조 코스트는 높았다. 이후, 이 같은 플로팅게이트 기반 메모리의 문제점을 해결하기 위한 연구와 노력이 뒤따랐다.

1971년 인텔은 자외선으로 데이터를 소거하는 EPROM(Erasable Programmable ROM)을 선보였다. 이어 1977년에는 이스라엘의 과학자 엘리하라리(Eli Harari)가 EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)을 개발하는 데 성공한다.

EEPROM은 특정한 전기적 신호(리셋 시그널)에 의해 메모리 어레이 영역을 소거할 수 있는 비휘발성 메모리였다. 코닥과 함께 디지털 필름 기술을 연구하던 엘리하라리는 이 기술의 미래를 밝게 보고, 1988년 샌디스크를 설립한다.

1984년 도시바의 후지오마쓰오카 박사는 NOR 게이트 셀을 병렬 방식으로 묶어 일괄 소거하는 방식을 개발했다. 플래시 메모리 (NOR)가 탄생한 것이다.

NAND 게이트를 직렬로 묶는 NAND 플래시 아이디어는 1987년 개발되어, 1991년 도시바에 의해 제품화 되었다. 올해는 NAND 플래시 탄생 25주년이 되는 해이기도 하다.

NAND 플래시 동작시 전자 이동 (자료: SK)

 

플래시 메모리가 도시바의 마쓰오카에 의해 개발되었다는 것은 널리 알려졌지만, 플래시 메모리의 셀을 구성하는 기본 소자인 플로팅 게이트 MOSFET가 한국인 강대원 박사에 의해 제시되었다는 건 이상하리만큼 덜 알려져 있다는 점은 다소 안타깝고 의아하다.

한편, 플래시 메모리의 셀은 삭제와 프로그래밍이 반복될 때마다 마모된다는 태생적인 구조적 약점을 갖고 있다. 이는 전자가 옮겨질 때 통로 역할을 하는 산화막의 내구성 때문이다.

전자의 이동이 반복되면서 산화막을 통과하지 못한 전자가 생기게 되고 특정 횟수가 지나면서 산화막에 쌓이게 된 전자로 인해 더 이상 전자가 통과하지 못하게 되어 비트 에러가 발생하게 되는 것이다. 그래서 이 같은 비트 에러를 보정해주기 위해 ECC(Error Correction Code)가 NAND에는 반드시 필요하게 된다.

 

플래시 컨트롤러의 중요성

한편, MLC나 TLC는 SLC에 비해 동일한 셀에 이런 동작이 2~3배 더 많은 빈도로 발생하고, 더 미세한 전자량 조절이 요구된다. 따라서, 전자량이 비정상적으로 조절될 경우 비트 에러가 발생할 가능성이 커지게 된다. 때문에 MLC, TLC에서는 이를 보정하기 위한 ECC가 더욱 길고 복잡해질 수밖에 없으며, 동작 속도는 느려지고, 수명은 짧아지게 되는 것이다.

한편, 플래시 메모리의 오류는 HDD의 기계식 오류와는 차이가 있다. 하드 디스크의 오류는 주로 물리적인 스크래치에 의한 것으로 쓰기 횟수에 따라 비교적 일정한 비율로 늘어나는 반면 플래시는 쓰인 비트 수가 일정 수준을 넘어가게 되면 오류 빈도가 기하급수적으로 증가하게 된다.

이렇듯 근본적으로 기존 하드 디스크 체계와는 다른 오류 패턴으로 인해 플래시 셀에 최적화된 ECC와 컨트롤러가 중요한 역할을 하게 된다. NAND 플래시의 수명은 칩의 재기록 횟수만이 아니라 ECC에 의해서도 크게 좌우되기 때문이다. ECC를 최적화함으로써 낮은 등급의 NAND 칩을 사용 하더라도 상위 모델과 동등한 수명을 제공할 수 있을 정도로 그 효과는 크다.

한편, NAND의 저장공간은 HDD의 구성요소인 물리적인 트랙과 섹터와는 다른 블록과 페이지라는 단위로 구성되어 있다. 그러나 현재 컴퓨팅 시스템에서 사용 되고 있는 FAT, NTFS 등과 같은 파일 시스템과 OS, 애플리 케이션 프로그램들은 모두 HDD의 트랙과 섹터라는 구조에 맞게 설계되어 있고, 그에 따라 동작하게 된다.

그래서 NAND 플래시를 컴퓨팅 시스템에서 제대로 사용하기 위해선 그에 맞는 페이지 기반의 새로운 파일 시스템이 필요하게 된다. SSD 에서는 이 문제를 해결 하기 위해 SSD 자체의 컨트롤러 단계에서 플래시 변환 계층(Flash Translation Layer, FTL)이란 것을 사용하여 논리적으로 섹터 구조를 재배열하는 방식을 사용한다.

FTL은 NAND 플래시를 기존의 하드디스크 드라이브처럼 사용할 수 있도록 웨어레벨링, 가비지 컬렉션, 배드블럭관리 등을 통해 NAND 플래시의 물리적 단점 들을 보완해주고, LLD(Low Level Driver)를 플래시 인터페이스를 상위 계층에 연결해준다.

또한, HDD와는 달리 플래시 메모리는 읽기와 쓰기 속도에 비대칭적 차이가 나는 특성을 갖고 있다.

NAND 플래시는 데이터를 수정하거나, 새로 쓰려고 하는 경우 먼저 블록 전체를 지우고, 해당 블록 내의 모든 페이지를 다시 쓰기 하는 과정을 거쳐야 하기 때문이다. 이 때문에 NAND 플래시의 쓰기 속도는 읽기에 비해 매우 느리다. 이 같은 플래시 메모리의 근본적인 비대칭성을 조정하여 최적의 성능을 낼 수 있도록 하는 것도 바로 플래시 컨트롤러의 매우 중요한 역할이 된다.

 

Why 3D NAND?

NAND의 기본적인 기술 발전 방향은 더 좁은 공간에 더 많은 데이터를 저장할 수 있도록 하는 것이다. 그러나 셀 간격이 좁아지면서 내구성이 취약해졌고, 셀간 간섭효과가 문제가 되었다. 이로 인해 ECC(Error Correction Code)가 추가되어야 하는 등 미세화에도 불구하고 성능 개선이 동반되지 못하는 문제점이 발생한다.

ECC는 보통 16~24비트 정도를 사용하나, 공정이 미세화될수록 ECC의 비트는 더 늘어나게 된다. 예컨대 같은 MLC라도 50나노급 공정에서는 ECC가 4비트, 30 나노급에서는 8비트, 20나노급에서는 15비트의 ECC가 적용 된다. 10나노급 또는 TLC에서는 보통 24비트 이상의 ECC가 적용된다. 이 같은 공정 미세화에 따른 여러 문제점들을 해결할 수 있는 솔루션이 바로 3D NAND인 것이다.

3D NAND는 2D에서처럼 셀을 작게 만들지 않는다. 이에 따라, 3D NAND는 ECC 부담이 훨씬 덜하고, 에너지 소비를 낮출 수 있게 된다. 때문에 2D에 비해 성능과 수명 측면에서 우수한 특성을 갖는다.

삼성전자 V-NAND의 개발 (자료: 삼성전자, IBK투자증권)

 

NVMePCIe

SSD 인터페이스 및 폼팩터 구분 (자료: IBK투자증권)

3D NAND가 NAND 칩 자체의 특성을 높이는 기술이라면, PCIe나 NVMe는 SSD와 CPU를 연결하는 인터페이스를 개선하는 역할을 한다.

도로의 차선폭이 넓으면 교통 흐름은 그만큼 빨라진다. 그뿐만 아니라, 교통 신호를 포함한 교통 시스템이 절묘하게 설계되어 있다면 역시 교통 흐름을 개선할 수 있을 것이다.

SATA(Seria ATA), SAS(Serial Attatched SCSI), PCIe가 도로 자체의 설계라고 한다면, AHCI(Advanced Host Controller Interface)와 NVMe는 도로의 교통 흐름을 조절하는 교통 시스템이라 비유할 수 있다.

AHCI가 하드디스크의 성능에 맞춰 설계된 것이라면, NVMe는 그보다 성능이 훨씬 뛰어난 SSD의 성능에 맞춰 설계된 하드 웨어/펌웨어 프로토콜이라고 이해하면 무리가 없다.

과거 프로토콜인 AHCI로 인해 성능이 뛰어난 SSD의 성능이 최대로 발휘될 수 없는 상황이 발생하면서, 2007년 인텔의 주도로 NAND SSD 스토리지를 위한 NVMe 기술 개발이 시작됐다.

NVMe는 SSD를 최대한 활용하기 위해 물리적인 대역폭 한계와 지연에 따른 오버헤드 제거를 개선했다. 또한, 버스 인터페이스로 PCIe를 채택해 SATA로는 충분치 않던 물리적 대역폭을 대폭 늘렸다.

요약하자면, PCIe는 SSD의 컨트롤러 레이턴시(Latency)를 제거했고, NVMe는 소프트웨어 레이턴시를 제거한 기술이라 할 수 있다.

 

삼성의 V-NAND SSD 및 주요 업체 개발 현황

2016년 상반기 출시된 삼성전자의 포터블 SSD인 T3의 2TB(테라바이트)의 내부는 512GB의 NAND칩 4개와 콘트롤러 및 DDR4 DRAM으로 구성되어 있다. 또한, 4개의 512GB 칩 내부는 16개의 256Gb 다이가스태킹 되어 있었다.

분석결과에 따르면, 16층의 총 두께는 1.1mm이며, 각 다이의 개별 두께는 불과 40마이크론에 불과한 것으로 나타났다. 이 같은 두께는 지금까지 관찰된 반도체 다이 중 가장 얇은 것(50~55마이크론) 보다 더 얇은 것이기도 하다. 미세공정과 3D NAND 테크놀로지뿐만 아니라, 다이 스태킹 분야에 있어서도 삼성이 경쟁사들을 앞서고 있음을 증명하고 있다.

256Gb 다이 사이즈는 99mm²인 것으로 측정되었다. 단위 면적당 기억용량은 무려 2.58Gb/mm²에 달한다. 12인치 웨이퍼 한 장에 생산 가능한 3D 256Gb 다이 개수는 630개 가량으로 추정된다. 12인치 웨이퍼 한 장의 메모리 생산 용량은 무려 20TB(테라바이트)에 달한다. 이 같은 데이터 저장 밀도는 기존 2D 16나노 MLC에 비해서는 3.5배 이상, 2D 15나노 TLC에 비해서도 2배 이상 높은 것이다. 삼성전자의 32단 TLC에 비해서도 메모리 밀도가 약 38%나 높은 것이다.

한편, 48단 256Gb 다이의 단면도를 보면, 실제 총 레이어는 55단으로 구성되어 있다. 메모리 레이어 48단 외에 4개의 더미 레이어와 2개의 SSL(String Selection Line) 레이어, 1개의 GSL(Ground Selection Line) 등 총 7개의 추가적인 레이어가 형성되어 있기 때문이다.

삼성전자 512GB NAND 패키지 내부는 1.1mm 두께에 무려 880개(16층 X 55단)에 달하는 메모리 레이어가 구성되어 있는 것이다.

삼성 512GB NAND 칩은 256Gb 모노다이 16개로 구성되어 있고, 각 다이는 55층의 메모리 레이어로 구성 (자료: Tech Insights)

 

오랜 기간에 걸친 삼성의 3D NAND 개발이 3세대인 48단에 와서야 드디어 제대로 된 빛을 보기 시작했다. 3세대 이전 버전들은 2D NAND에 비해 코스트 측면에서 오히려 열세였기 때문이다. 3D NAND의 물리적 특성이 아무리 좋다 하더라도 결과적으로 고객들에게 가장 호감을 살 수 있는 특성은 다름 아닌 코스트이기 때문이다.

3D NAND의 원가 경쟁력이 확보되면서, 2D NAND의 추가 미세화에 대한 니즈는 대폭 감소할 수밖에 없고, 대신 3D NAND 생산능력을 확대하기 위한 투자가 장기적으로 대폭 증가하게 될 전망이다.

삼성전자에 이어 마이크론이 32단 MLC 256Gb, TLC 384Gb 기반의 PC용 SSD 제품을 출시했다. 그러나, 마이크론은 CTF를 사용한 삼성전자와 달리 기존 2D에서 사용되던 플로팅게이트로 셀을 구성하였다. 또한 3D NAND 어레이 아래에 CMOS 어레이를 배치하는 방식을 적용해 메모리 밀도를 높였다. 원가 측면에서는 유리한 부분이 있을 수 있으나, 물리적 특성에서는 CTF에 비해 뒤처질 것으로 보인다.

장기적으로 볼 때, 마이크론과 인텔은 3D NAND보다는 3D X Point에 무게 중심을 두고 있는 상황이다.

도시바와 샌디스크 연합도 발 빠르게 뒤를 쫓고 있다. 두 업체는 최근 48단 BiCS개발을 한 것으로 알려져 있으나, 실제로는 48단보다 64단 차세대 제품으로 무게중심을 두고 있는 것으로 전해진다. SK하이닉스는 지난해 24단에 이어 올해 36단 3D NAND를 개발했으며, 올해 하반기에는 48단 제품을 개발한다는 계획이다. 다만, 올해까지 파일럿 생산과 양산성 검증을 한 뒤 내년 상반기 주력 제품을 양산하게 될 것으로 예상된다.

테크놀로지 로드맵 비교 (자료: Tech Insights)

 

플래시 시대의 본격 개막

그러나 인공지능과 빅데이터 시대의 본격 개막으로 데이터의 저장뿐만 아니라 데이터의 고속 탐색과 프로세싱이 매우 중요한 화두로 떠오르고 있다. 따라서 고성능의 저장 매체에 대한 수요가 급증하고 있다.

특히, 기술발전을 통해 3D NAND의 데이터 신뢰성 및 성능이 큰 폭으로 향상되면서, 플래시메모리 기반의 스토리지가 인류의 디지털 정보를 저장하는 메인스트림 매체로 부각되고 있다.

플래시 시대가 본격적으로 개막된 것이다.

 

이승우 상무 │ IBK투자증권

<더세미콘매거진 편집부> the_semicon@thesemicon.co.kr

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