[심층분석] 차세대 메모리 'MRAM'...단순한 구조로 5G·IoT 장치 적합

[디지털투데이 양대규 기자] 비휘발성램(NVRAM)으로 불리는 차세대 메모리 반도체는 DRAM의 속도를 가지며, 낸드 플래시 메모리처럼 전원이 꺼져도 내용이 저장된다는 특징을 지니고 있다. 하지만 현재까지 이런 특성을 완벽히 발현하는 메모리는 연구 단계에 머물러 있다. 현재 나온 차세대 메모리들은 낸드 플래시보다 처리 속도는 향상됐지만, DRAM의 속도에는 못 미친다. 또한 시장에 나올 만큼 가격 경쟁력도 갖추지는 못한 상태다.

대표적인 차세대 메모리 기술로는 PRAM 또는 PCM으로 불리는 상변화 메모리 자기저항 메모리 MRAM ReRAM 또는 RRAM으로 불리는 저항변화 메모리 FRAM, FeRAM으로 불리는 강유전체 메모리 등이 있다. 최근에는 PRAM 기술로 알려진 3DXpoint를 이용해 인텔과 마이크론이 개발한 '옵테인 메모리' 삼성전자와 Arm이 공동 개발한 eMRAM(임베디드 MRAM) 삼성전자, 소니, 에버스핀 테크놀로지 등에서 개발을 하고 있는 STT-MRAM(스핀전달토크 MRAM) 등이 시장에서 일부 상용화된 상태이다.

16일 업계에 따르면 STT-MRAM 양산을 준비 중인 미국 MRAM 전문 기업 에버스핀이 최근 고용량 토글(Toggle) MRAM 기술을 공개했다. 에버스핀의 새로운 토글 MRMA은 기존의 RAM과 ROM, 그리고 RAM에 사용되는 배터리 등을 통합하는 심플한 구조로 5G나 IoT 등 새로운 장비에 적용될 것으로 기대된다.

에버스핀은 최근 기존 16Mb 제품의 두 배 용량인 32Mb 토글 MRAM을 개발했다고 밝혔다.

MRAM, SRAM과 EEPROM, SRAM에 필요한 배터리를 하나로 통합

에버스핀의 글로벌 영업 부사장 트로이 윈슬로는 "이 제품은 5G 네트워킹으로 구동되는 장치 요구 사항을 예측하는 것뿐만 아니라 임베디드 시스템와 사물 인터넷(IoT) 장치에 구성, 설정, 데이터 로깅과 같은 고밀도 옵션이 필요한 중요 애플리케이션을 가능하게 하기 위해 고안됐다"며, "용량이 큰 신형 토글 MRAM은 (기존의) 16Mb를 여러 개 설치하는 과정에서 가중되는 복잡성과 많은 공산을 소비하는 것에 대한 고객의 개선 요구를 충족시킨다"고 말했다.

일반적으로 MRAM은 기존의 SRAM과 EEPROM의 조합을 대신해 사용한다. SRAM과 EEPROM 그리고 SRAM에 사용되는 배터리를 하나로 통합할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 32Gb MRAM은 기존의 16Gb MRAM보다 더 심플한 공정을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 디바이스의 장기적인 신뢰성은 물론 설계의 단순성에서 큰 장점을 발휘한다는 것이다.

에버스핀 MRAM 생산 로드맵(사진=에버스핀)

윈슬로우 박사는 "5G는 여전히 상승세로, 시험 모드 상태지만 에버스핀은 향후 2년 이내에 연결된 디바이스가 폭발적으로 성장할 것으로 예상한다. 이는 이런 디바이스의 데이터와 코드 용량 수요를 주도할 것"이라며, "이런 장치에서 나오는 데이터 흐름만으로도 전력 손실과 데이터 로깅을 위해 점점 더 많은 지속성을 필요로 할 것"이라고 설명했다.

에버스핀에 따르면, 최신 토글 MRAM은 게임, 산업, 군사, 항공우주 시장에서 고객사들에 샘플링으로 전달됐으며, 이 제품들은 -40~+125℃까지의 다양한 온도에서 읽기 및 쓰기에 대한 제품의 무제한 사이클 내구성을 활용한다. 에버스핀의 모든 토글 MRAM 기기에서 빠른 읽기 및 쓰기 액세스 속도로 20년 동안 데이터를 보존할 수 있다.

윈슬로우는 "업계에서 (차세대 메모리에 대한) 언급은 고밀도 STT-MRAM에 관한 것이 많았으며, 토글(MRAM)은 한동안 있었다는 것을 잊고 있었다"며, "에버스핀은 2006년에 처음으로 (토글 MRAM) 생산에 들어갔고, 크고 다양한 고객 기반을 가진 회사를 위한 광범위한 포트폴리오를 가지고 있다"고 말했다. 그는 "더 발전된 고밀도 STT-MRMA의 R&D를 위한 비용을 (토글 MRAM의 수익이) 제공한다"고 덧붙였다.

MRAM, 파운드리 대량 생산으로 가격 절감 가능

오브젝티브 애널리시스의 수석 분석가인 짐 핸디는 "이미 대량 판매되는 부품 파생상품을 만드는 것은 쉽고 저렴하다"며, "부품이 제대로 작동하면 고객이 토글 MRAM을 받든 STT-MRAM를 받든 크게 신경 쓰지 않는다고 생각한다"고 말했다. 토글 MRAM의 주된 용도는 전원이 꺼지거나 고장이 나더라도 데이터를 유지해야 하는 시스템의 SRAM-배터리 조합을 대체하는 것이기 때문이다. 또한 많은 방사선에 노출되는 애플리케이션, 특히 위성에서 SRAM이나 NOR 플래시를 대체할 수 있다는 장점이 있다.

STT-MRAM은 토글 MRAM보다 더 미세한 공정이 가능하다. 짐 핸디는 "에버스핀의 저밀도 구형 부품은 130nm 토글 MRAM을 사용해 제작하며, 신형 90nm 부품은 STT-MRMA을 사용하고 있다"며, "이용자에게 있어, (성능이) 거의 같지만 (토글 MRMA이) 더 저렴하다"고 설명했다. 그는 "회사(에버스핀)의 최신 토글 MRAM 제품의 가장 주목할 만한 업데이트는 밀도"라고 강조했다.

에버스핀의 토글 MRAM과 STT-MRAM 기술(위로부터, 사진=에버스핀)

짐 핸디의 설명에 따르면, NOR 플래시는 28nm보다 작게 만들 수 없고 고객들은 대체를 찾고 있기 때문에 MRAM이 파운드리들로부터 많은 관심을 받았으며, 에버스핀은 이들 파운드리가 표준 CMOS 로직 프로세스에 MRAM을 도입할 수 있도록 돕고 있는 상황이다. 이에 MRAM을 이용해 만드는 칩이 많을수록 MRAM 생산 효율이 높아지고 가격도 충분히 저렴해진다. 또한 가격이 저렴할수록 제품은 더 많이 팔리는 선순환이 가능하다.

전문가들은 STT-MRAM은 토글보다 작은 스케일(미세화)로 확장할 수 있고, 지속적인 프로세스 축소로 낮은 비용이 가능하겠지만, 그래도 오랫동안은 전통적인 DRAM, NAND 플래시가 MRAM보다 저렴할 것으로 보고 있다.

MRAM, 2024년까지 매년 평균 54% 성장

욜 디벨롭먼트에 따르면, 2018년과 2024년 사이에 독립형 MRAM 시장은 매년 54%의 성장이 예상된다. 2024년에 6억 달러(약 7044억 원)에 가까울 것이다. 지금까지, 이 성장은 에버스핀과 소니 등이 개발한 16Mb 이하의 저밀도 (STT-)MRAM 장치에 의해 추진됐다. 욜은 향후 몇 년 내에 독립형 MRAM 시장은 주로 기업용 스토리지 애플리케이션에 의해 주도될 것으로 분석했다. 여기에는 256Mb 이상의 고밀도 STT-MRAM 칩이 제공하는 SSD 캐싱 및 스토리지/네트워크 가속기가 포함된다. 일반적으로 기업용 스토리지 사업의 IDM과 시스템 제조업체에 판매된다. 이들 업체는 새로운 시스템을 개발하는데 12~18개월이 소요되기 때문에 STT-MRAM 판매의 증가에는 비교적 오랜 시간이 걸릴 전망이다.

욜의 시모네 베르톨라치는 "2018년 임베디드 STT-MRAM 시장은 대량 출하 없이 여전히 제한적이었다"며, "2019년은 이 시장이 도약하는 해가 될 것으로 예상된다. 삼성은 최근 임베디드 STT-MRAM 양산을 시작했고, 욜은 다른 주요 파운드리나 IDM(종합반도체기업)이 곧 레이스에 뛰어들 것으로 예상하고 있다"고 설명했다.

일부 전문가들은 앞으로 DRAM과 낸드 플래시 같은 전통적인 메모리의 생산에 한계가 올 것으로 보고 있다. 차세대 메모리의 등장이 멀지 않았다는 전망이다. 올해 8월 미국 캘리포니아에서 열린 메모리 위크 기간에 다수의 전문가는 이와 같은 전망을 발표했다.

행사에 참가한 욜의 NAND&메모리 리서치 월트 쿤 부사장은 "지난 20년 동안 낸드 시장은 엄청난 성장을 경험했지만 상당한 변동성과 장기 침체에 시달려왔다"고 말했다. 시스템플러스컨설팅의 비용분석가 벨린다 듀브는 "(낸드 플래시) 3D 기술은 시장 수요를 지속적으로 충족시키고 있지만 레이어가 추가된 3D 구조의 복잡성은 제조에 다른 어려움을 주고 있다"며, 미래 세대들은 제조 공정과 메모리 디자인을 바꾸는 제조업체를 보게 될 것"이라고 밝혔다.

국내에서는 삼성전자가 MRAM 개발에 적극적이다. 지난 3월 삼성전자는 28나노 FDS 공정을 기반으로한 eMRAM 솔루션을 양산, 본격 출하했다. FDS(완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터) 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 절연막을 씌워 누설 전류를 줄일 수 있는 공정이다.

삼성전자의 eMRAM 솔루션은 단순한 구조를 가지고 있어, 기존 로직 공정 기반의 설계에 최소한의 레이어를 더하는 것만으로 구현이 가능하기 때문에 고객들의 설계 부담을 줄이고 생산비용 또한 낮출 수 있다.

이상현 삼성전자 파운드리사업부 전략마케팅팀 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 밝혔다.

삼성전자 파운드리 생산라인 전경(사진=삼성전자)

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