SK하이닉스가 321단 2Tb(테라비트) QLC* 낸드 플래시 제품의 개발을 완료하고 양산에 돌입한다고 25일 밝혔다.

* 낸드플래시는 한 개의 셀(Cell)에 몇 개의 정보(비트 단위)를 저장하느냐에 따라 SLC(Single Level Cell, 1개)-MLC(Multi Level Cell, 2개)-TLC(Triple Level Cell, 3개)-QLC(Quadruple Level Cell, 4개)-PLC(Penta Level Cell, 5개) 등으로 규격이 나뉨. 정보 저장량이 늘어날수록 같은 면적에 더 많은 데이터를 저장할 수 있음

회사는 “세계 최초로 300단 이상 낸드를 QLC 방식으로 구현해 기술적 한계를 다시 한번 돌파했다”며, “현존하는 낸드 제품 중 최고의 집적도를 가진 이 제품으로 글로벌 고객사 인증을 거쳐 내년 상반기부터 AI 데이터센터 시장을 본격 공략하겠다”고 강조했다.

SK하이닉스는 이번 제품의 원가경쟁력 우위를 극대화하기 위해 용량을 기존 제품 대비 2배 늘린 2Tb로 개발했다.

일반적으로 낸드는 용량이 커질수록 하나의 셀에 더 많은 정보를 저장하고, 메모리 관리가 복잡해져 데이터 처리 속도가 느려지는 문제가 발생한다. 회사는 대용량화로 인한 성능 저하를 해결하기 위해 낸드 내부에서 독립적으로 동작할 수 있는 그룹의 단위인 플레인(Plane)*을 4개에서 6개로 늘려 더 많은 병렬 작업이 가능하도록 했다.

* 플레인(Plane)은 하나의 칩 내부에서 독립적으로 동작할 수 있는 셀과 주변부 회로를 말함. 이를 4개에서 6개로 늘려 데이터 처리 성능(Data Bandwidth) 중 하나인 동시 읽기 성능이 개선됨

그 결과 이번 제품은 높은 용량과 함께 이전 QLC 제품 대비 크게 향상된 성능을 구현했다. 데이터 전송 속도는 100% 빨라졌고, 쓰기 성능은 최대 56%, 읽기 성능은 18% 개선됐다. 데이터 쓰기 전력 효율도 23% 이상 증가해 저전력이 요구되는 AI 데이터센터 등의 분야에서도 경쟁력을 확보했다.

회사는 우선 PC용 SSD에 321단 낸드를 적용한 후, 데이터센터용 eSSD와 스마트폰용 UFS 제품으로 적용 영역을 확대해 나간다는 전략이다. 더 나아가 낸드 32개를 한 번에 적층하는 독자적인 패키지* 기술을 바탕으로 기존 대비 2배 높은 집적도를 구현해 AI 서버용 초고용량 eSSD 시장까지 본격 공략할 방침이다.

* 32DP(32 Die Package): Chip 용량을 늘리기 위해 하나의 Package내에 32개의 Die를 동시에 Packaging하는 방식

SK하이닉스 정우표 부사장(NAND개발 담당)은 “이번 제품 양산 돌입으로 고용량 제품 포트폴리오를 대폭 강화하고 가격 경쟁력까지 확보하게 됐다”며, “폭발적으로 성장하는 AI 수요와 데이터센터 시장의 고성능 요구에 발맞춰 풀스택 AI 메모리 프로바이더(Full Stack AI Memory Provider)로서 더 큰 도약을 이뤄내겠다”고 밝혔다.

[ONE TEAM SPIRIT] 4편에서는 압도적 경쟁력으로 세계 최고층 ‘321단의 기적’[관련기사]을 이룬 SK하이닉스의 낸드 스토리를 살펴보고, 그 속에 담긴 ‘원팀 스피릿(One Team Spirit)’에 주목해 본다.

초고층·초고용량 321단 4D 낸드의 탄생

SK하이닉스 플래시 메모리의 시작은 약 25년 전으로 거슬러 올라간다. 1990년대 후반, 8Mb(메가비트) 노어플래시(NOR flash)* 제품 개발에 성공한 SK하이닉스는 2000년대 초반까지 이 분야의 기술 고도화를 위한 연구에 집중했다.

그러던 2002년 시장 트렌드가 대용량에 유리한 낸드로 기울자, SK하이닉스는 사업 방향을 과감히 전환한다. 뒤늦게 낸드 사업에 뛰어든 만큼 회사는 절치부심으로 연구에 매진해 2004년 512Mb 낸드로 시장에 첫발을 내딛고 3년 만에 글로벌 매출 3위에 오르는 성과를 달성하게 된다.

이후 SK하이닉스는 낸드 사업 확대에 더욱 속도를 내며 2007년 낸드 생산을 주력으로 하는 M11 팹(Fab)을 착공했고, 같은 해 ‘16Gb(기가비트) 낸드 기반 24단 멀티칩패키지(MCP)’, 이듬 해인 2008년 ‘32Gb 낸드’ 등을 차례로 개발하며 기술력과 내실을 다져나갔다.

2010년대 중반부터 회사는 셀을 빌딩처럼 높게 쌓아 올리는 3D, 4D 낸드 개발에 집중했다. 3D 낸드 기술은 셀을 평면에 빼곡히 배치하는 2D 기술 대비 용량, 속도, 안정성 측면에서 장점이 있었다. SK하이닉스는 이 분야 기술을 고도화하며 2017년 당시 업계 최고층인 ‘72단 3D 낸드’를 개발하고, 2018년 ‘96단 4D 낸드’를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

4D 낸드 기술은 주변부(Peri.) 회로를 셀 하단부에 배치해 사용 면적을 줄여주는 기술이다. 비유하자면, 아파트 옥외 주차장을 지하 주차장으로 변경해 공간 효율을 극대화한 것과 같다. 이 기술을 고도화하며 128단, 238단으로 적층 혁신을 이룬 SK하이닉스는 2023년 초고층·초고용량 ‘321단 1Tb(테라비트) 4D 낸드’를 선보이고 이듬해 양산을 본격화했다[관련기사]. 손톱 크기의 칩 안에 수천억 개의 셀을 빼곡히 담은 이 제품을 통해 SK하이닉스는 낸드 기술 경쟁에서 다시 한번 우위를 입증했다.

SLC부터 QLC까지, 낸드 라인업의 완성과 원팀 스피릿

SK하이닉스의 낸드 경쟁력은 셀 저장 기술 발전에서도 나타난다. 낸드의 용량을 키우는 방법은 크게 두 가지다. 셀을 높이 쌓는 것과 하나의 셀 안에 담는 정보(bit, 비트)를 늘리는 것이다. 다시 말해 단수가 낮더라도 셀 하나에 더 많은 데이터를 저장할 수 있다면, 고용량 제품 구현이 가능하다는 이야기다.

이에 SK하이닉스는 셀 하나에 최소 저장 단위인 1비트를 담는 SLC(Single Level Cell)부터 MLC(Multi Level Cell, 2비트), TLC(Triple Level Cell, 3비트), QLC(Quadruple Level Cell, 4비트) 등을 차례로 발전시키며 낸드 셀 내부 구조의 효율을 끌어올렸다.

2013년 출시한 ‘64Gb MLC 낸드’, 2017년 선보인 ‘256Gb TLC 3D 낸드’, 2019년 개발한 ‘1Tb QLC 4D 낸드’ 등이 주요 제품으로 꼽힌다. 이렇듯 회사는 속도가 우수한 SLC부터 저장 효율이 뛰어난 QLC까지 모두 성공적으로 개발해 다양한 고객 수요에 대응할 수 있는 라인업을 갖추게 된다.

이 모든 혁신을 성공적으로 완수한 배경에는 전 조직을 한마음 한뜻으로 움직이게 한 원팀 스피릿이 있었다. 셀 적층 기술과 셀 용량 확장 기술을 동시에 발전시키는 과정은 결코 쉽지 않은 도전이었다.

지난 수년에 걸쳐 연구개발 조직은 최적의 소자를 개발하고, 3D와 4D라는 새로운 구조를 설계하는 동시에 TLC/QLC 등의 셀 기술을 접목하며 기술 한계를 극복했다. 제조공정 조직은 수백 층의 셀 구조와 저장 능력이 높아진 셀이 안정적으로 생산되도록 정밀한 공정 기술을 개발했고, 후공정 조직은 새 제품에 적합한 패키징과 테스트 기술을 확보하며 최종 단계에서의 품질을 높였다. SK하이닉스가 321단 및 QLC 낸드를 구현해낸 기적은 이 같은 협업 속에서 꽃핀 결과물이었다.

낸드를 넘어, 설루션(Solution) 혁신과 원팀 스피릿

낸드는 단품으로도 판매되지만, 별도의 소프트웨어(SW)와 펌웨어(FW) 등을 결합한 설루션(Solution) 형태로도 공급된다. SK하이닉스는 독자적인 기술력을 바탕으로 AI 및 빅데이터 시대에 필요한 낸드 기반 설루션 제품인 UFS*, SSD 등을 개발하고 있다.

특히, SK하이닉스가 2024년 개발한 ‘ZUFS(Zoned UFS) 4.0’은 온디바이스 AI 환경에 최적화된 고성능 설루션으로, 존드(Zoned) 기술을 통해 유사한 특성의 데이터를 영역별로 저장·관리함으로써 처리 속도와 효율성을 높였다는 평가를 받는다.

SK하이닉스는 방대한 용량을 필요로 하는 AI 서버 및 데이터센터 시장에서도 존재감을 높이고 있다. 2024년 공개된 QLC 기반 61TB(테라바이트) 용량의 eSSD(기업용 SSD)인 ‘PS1012’에 이어, 321단 4D 낸드를 적용한 244TB 제품과 그 이상의 초대용량급 설루션 등이 개발되고 있는 중이다. 그 밖에도 2024년 공개된 AI PC용 cSSD(소비자용 SSD) ‘PCB01’ 등은 향후 온디바이스 AI의 학습과 추론을 가속하는 고성능 스토리지로 기대를 모으고 있다.

SK하이닉스는 서버, 데이터센터, 온디바이스 등을 아우르는 AI 메모리 설루션 라인업을 수년에 걸쳐 구축했다. 혁신의 원동력은 역시 원팀 스피릿이었다. 설루션 역량을 확보하기 위해서는 칩과 소프트웨어를 망라한 광범위한 개발 협력이 필수다. 저장 영역을 담당하는 낸드 개발 조직, 칩 제어를 위해 펌웨어와 소프트웨어를 개발하는 Solution 조직이 유기적으로 협력해야 하며, 최종 사용자 환경을 고려한 테스트 및 최적화 업무도 뒷받침돼야 한다. 자회사 솔리다임(Solidigm)과 합작하는 등 기업 간 협업도 회사가 한단계 더 도약하는 데 중요한 요소로 작용한다.

SK하이닉스의 기술력 진화를 향한 도전은 현재진행형이다. 원팀 스피릿을 통해 321단 4D 낸드와 이를 탑재한 스토리지 등 차별화된 선도력을 보여주고 있는 SK하이닉스는 풀스택 AI 메모리 프로바이더로서 미래 낸드 시장을 지속해서 개척해 나갈 것이다.

요즘 반도체 시장이 호황이라는 말이 자주 나옵니다. CPU나 AP, MPU 등 다양한 반도체들이 상승세에 있지만, 전세계 반도체 시장에서 메모리반도체가 차지하는 비중이 상당하기 때문에 반도체 시장의 호황을 이끌고 있는 주역은 메모리반도체라고 할 수 있습니다. 특히나 최근 데이터 저장량이 늘어남에 따라 낸드플래시가 주목을 받고 있는데요. 점점 진화하고 있는 낸드플래시의 발전 가능성을 알아보겠습니다.

슈퍼사이클의 주역 중 하나, 낸드플래시

최근 반도체 슈퍼사이클 호황을 살펴보면 D램, 낸드플래시의 성장세가 단연 돋보입니다. 시장조사업체 IC인사이츠에 따르면 반도체 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 D램은 올해 642억달러(약 72조1900억원)로 2위인 마이크로프로세서유닛(MPU, 171억달러)의 3배 이상을 나타낼 것으로 예상됩니다. 특히 낸드플래시는 워낙 시장 수요가 강합니다. 과거 50% 이상을 기록했던 비트그로스(Bit Growth, 비트 단위로 환산한 생산량 증가율)가 20%대로 하락해 안정적인 가격을 유지할 수 있을 전망이죠.

조금 바꿔서 생각해보면 낸드플래시의 용도가 D램과 다르다는 것을 발견할 수 있습니다. 두 제품은 모두 메모리반도체이지만 쓰임새가 다릅니다. 데이터를 담아두는 역할은 같으나 D램은 주메모리, 낸드플래시는 보조저장장치로 사용되죠. 어떤 차이냐고요? 한 마디로 PC나 스마트폰 전원이 꺼져도 데이터를 저장하는 용도로 낸드플래시가 더 많이 사용된다는 뜻입니다.

데이터 폭증, 낸드플래시로 다 저장

각종 기기가 인터넷에 연결되는 이른바 ‘커넥티드’ 세상으로 접어들면서 이들이 뿜어내는 데이터의 양이 커졌습니다. ‘데이터 폭증’이라 부르는 현상인데요. 데이터는 일단 만들어지면 어딘가에 저장해야 합니다. 그것이 클라우드이든 USB 메모리이든 말이죠. 그렇지 않으면 곧바로 사라지죠. 그런데 주메모리로 쓰이는 D램은 낸드플래시와 달리 용량을 무조건 늘린다고 해서 좋은 건 아닙니다.

둘 다 운영체제(OS)나 시스템의 영향을 받지만 일반적으로 주메모리는 보조저장장치보다 용량이 작습니다. 현재 주력으로 판매되는 PC의 D램 용량이 8GB 이상으로 좀처럼 늘어나지 않는 이유가 여기에 있습니다. 16GB를 장착해도 전체 성능에 끼치는 영향이 제한적이죠. 물론 어디까지나 일반적인 사용자 환경에서 그렇다는 이야기입니다. 서버와 같은 엔터프라이즈는 상황이 다릅니다.

어딘가에 데이터를 저장해야 하는 이상 낸드플래시는 지금보다 더 많이 사용될 가능성이 높습니다. 흔히 보조저장장치하면 CD나 DVD와 같은 광디스크나 하드디스크드라이브(HDD)를 떠올리기 쉬운데요. 이전에는 훨씬 더 다양한 보조저장장치가 쓰였습니다. MD나 PD와 같은 광자기디스크, 테이프 드라이브, 그리고 플로피디스크나 집드라이브의 기초가 되는 자기필름판 등이 있었습니다. 현재 테이프 드라이브를 제외하고는 거의 명맥이 끊긴 상태죠. HDD가 그만큼 저렴해서인데, 낸드플래시가 대중화되면 자연스럽게 바통 터치가 될 것으로 보입니다. 솔리드스테이트드라이브(SSD)가 대중화되고 HDD는 백업용으로 쓰일 수 있다는 얘깁니다.

따라서 낸드플래시는 지금보다 더 저렴하면서도 용량을 크게 높아야 하는 숙명을 가지고 있습니다. 이제껏 등장한 보조저장장치의 목적이 이겁니다. 처음에는 수 메가바이트(MB)에 불과하지만 지금은 기가바이트(GB), 일부 제품은 테라바이트(TB)까지 나오고 있습니다. 지금까지 매우 성공적으로 시장에 진입했다고 해도 과언이 아니나 앞으로 과제가 없는 것은 아닙니다.

비트 늘어날수록 용량↑ 성능↓

낸드플래시는 어떻게 데이터를 저장할까요? 기본적으로 데이터를 저장하는 최소 단위인 셀(Cell)을 몇 비트(Bit) 저장하느냐에 따라 싱글레벨셀(SLC·1비트), 멀티레벨셀(MLC·2비트), 트리플레벨셀(TLC·3비트)로 구분합니다. 셀은 전류가 흐르는 비트라인(BL)과 데이터를 읽고 쓰는 워드라인(WL)의 각 교차점(크로스포인트)에 위치해 있습니다. 그리고 이 셀 내부에는 플로팅게이트(FG)에 전자를 채우고 비우는 방식으로 ‘0’과 ‘1’을 인식합니다. 그래야 디지털 방식으로 데이터를 저장하겠죠.

▲ 비트 수가 늘어날수록 복잡성도 커지지만 같은 공정에서 용량이 늘어나는 장점도 있다

FG는 절연체인 산화막으로 둘러쳐져 있습니다. 이 상태로 컨트롤게이트(CG)에서 높은 ‘+’ 전압을 걸어주면 ‘-’ 전자가 산화막을 통과해 FG로 들어갑니다. 그러면 데이터가 자연스럽게 기록되고, 기록된 데이터를 지우려면(산화막에 갇혀 있는 전자를 빼내려면) 반대로 기판에서 높은 ‘+’ 전압을 보내면 됩니다. 그러면 FG는 텅 비워지겠죠. SLC부터 TLC까지 모두 FG에 전자를 저장하는 원리는 같습니다. 다만 전자를 어떻게 구별하느냐가 관건입니다. 가령 2비트 MLC라면 ‘전자가 없다(00)’, ‘조금 있다(01)’, ‘중간쯤 있다(10)’, ‘많이 있다(11)’의 4단계로 구별할 수 있습니다. TLC는 8단계가 필요합니다.

수명도 마찬가지입니다. 산화막은 기본적으로 닫혀 있지만 CG에서 전압이 계속해서 들어오면 전자가 들락날락하면서 손상이 생깁니다. 같은 용량의 데이터를 1년 동안 썼을 때 전자가 상대적으로 덜 오고 가는 SLC는 오랫동안 셀을 유지할 수 있으나 MLC나 TLC는 상대적으로 수명이 짧아집니다. 결국 FG에 전자를 담아둘 때 어떤 상태인지 구분하는 경우의 수가 많고 전압의 세기를 촘촘하게 조절해야 하는 등 복잡성이 늘어나는 방식을 벗어날 수가 없습니다. TLC부터 오류 확인&수정(Error Check&Correct, ECC) 코드가 들어가는 이유입니다. 따라서 용량은 비트 수가 늘어날수록 증가하니 같은 공정이라면 성능은 ‘SLC>MLC>TLC’, 용량은 ‘TLC>MLC>SLC’라고 보면 됩니다. 비트 수가 늘어날수록 같은 공정에서 더 많은 용량을 집적할 수 있지만 읽고 쓰기와 같은 성능은 물론 안정성이 떨어집니다.

대중화에 접어든 TLC, 원동력은 컨트롤러

용량을 늘리기 위해 발생하는 문제를 해결하기 위해 반도체 업체는 컨트롤러와 펌웨어와 같은 소프트웨어 기술을 적극적으로 도입합니다. SSD에서 컨트롤러가 중요한 이유죠. 같은 업체의 낸드플래시를 사용하더라도 어떤 컨트롤러냐에 따라 성능에 큰 차이가 나타날 수 있습니다. 마치 자동차 엔진처럼 말입니다.

이 분야에서도 엔진컨트롤유닛(ECU)에 담겨 있는 소프트웨어 따라 엔진의 성능이 달라집니다. 이를 거꾸로 이용해 맵핑이라는 작업을 하면 엔진의 숨겨진 능력을 100% 발휘할 수도 있습니다. 그만큼 두뇌가 중요하다는 뜻이죠. 그래서인지 SSD 컨트롤러는 전·후방 업체를 가리지 않고 원천기술 확보에 혈안이 되어 있습니다. SK하이닉스도 LAMD, 아이디어플래시, 이노스터 컨트롤러 사업부, 소프텍 등을 인수합병(M&A)한 바 있습니다.

▲ SK하이닉스는 자체 컨트롤러 기술을 갖추고 있다

낸드플래시는 이제 TLC를 넘어 쿼드레벨셀(QLC·4비트)까지 진화한 상태입니다. 몇몇 업체가 이미 QLC 도입을 발표했으며 관련 제품을 공개하기까지 했습니다. 당연히 단위면적당 용량을 늘리기 위해서입니다. 최근 4차 산업혁명 선제투자 성격으로 같은 데이터센터에서 서버의 수 보다는 서버 1대에 탑재되는 메모리반도체 용량을 높이려는 추세를 적극적으로 반영했다고 봐야 합니다. 당초 업계에서는 TLC가 2014년 대규모로 도입됐을 때 안정성에 의구심을 가졌으나 올플래시 스토리지 등 기업용 시장에서 성과가 나타나면서 MLC를 밀어낸 상태입니다. QLC도 초기에는 소비자용 제품인 클라이언트 SSD에 도입되고 이후에 엔터프라이즈 SSD로 전파될 것으로 보입니다.

가격 대비 용량, HDD 대체하는 SSD

QLC로의 진입은 3D와 같은 적층과 함께 맞물릴 것으로 예상됩니다. 일단 72단 이하에서 일부 저가형 모델에서 QLC를 적용한 이후 100단 이하에서 본격적인 대중화가 이뤄질 수 있습니다. 경쟁사보다 한시라도 빨리 유리한 가격 대비 용량을 구축해야 이 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있기 때문입니다. SK하이닉스만 하더라도 72단 3D 낸드는 TLC가 우선적으로 개발됐을 정도죠. 그러니 이후에는 TLC가 기본이고 QLC를 옵션으로 염두에 두지 않을 수 없습니다.

▲ HDD→SSD 시대로의 진입은 기정사실이지만 가격 대비 용량의 벽을 크게 넘어서야 한다

불과 몇 년 전까지만 하더라도 ‘SLC=고급형’, ‘MLC=중급형’, ‘TLC=보급형’이라는 인식이 있었죠. 하다못해 같은 스마트폰에서 MLC, TLC에 따라 성능차이가 난다면서 불만을 터뜨리는 소비자가 있었을 정도입니다. 이론적으로 MLC가 TLC보다 성능과 안정성에 더 좋을 수 있지만 지금은 큰 의미가 없게 됐습니다. 무엇보다 용량에 있어서 MLC는 TLC의 상대가 되지 못합니다. 이런 불만을 잠재운 것은 결국 3D와 컨트롤러 기술 덕분이고요. 앞으로 QLC 시대에서도 마찬가지 상황이 나타날 것으로 예측됩니다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.