[분석정보] Intel Micron 연합이 발표한 혁신적인 비휘발성 메모리 기술의 내용

NAND 플래시 메모리 공동 개발 등으로 협력하고 있는 Intel과 Micron Technology 기업 연합 (Intel-Micron 연합)은 2015년 7월 28일 (현지 시간) 미국에서 기자 회견을 개최하고 "혁신적인 비휘발성 메모리 기술을 공동 개발했다 "고 발표했다. 양사는 이 메모리 기술을 "3D XPoint Technology (쓰리디 크로스 포인트 테크놀로지)"로 이름 붙였다.

 양사의 발표 내용에서 "3D XPoint Technology"가 어떻게 훌륭한 기술인지를 강조하는 문장이 나란히 있다. 예를 들면 다음과 같은 것이다.

(1) NAND 플래시 메모리에 비해 1,000 배 빠른
(2) DRAM에 비해 10배나 기억 밀도가 높은
(3) NAND 플래시 메모리에 비해 재기록 수명이 1,000 배나 긴

 이것만 보면 엄청난 혁신 기술이라고 착각할 것 같다. 그러나 기자 회견 영상 (YouTube에서 공개되는) 발표 자료를 조사하면 다른 측면이 보인다. 예를 들면 다음과 같은 것이다.

(1) DRAM에 비해 동작 속도가 늦고, 읽기 속도는 NAND 플래시 메모리와 크게 다르지 않다
(2) NAND 플래시 메모리에 비해 저장 밀도가 낮은
(3) DRAM에 비해 재기록 수명이 훨씬 짧은

 컴퓨터 시스템의 메모리 계층을 고속에 소용량의 상층에서 저속에 대용량의 하층으로 써내려 가면, CPU (레지스터), 캐시, 주기억 (DRAM), 외부 기억 (NAND 플래시 메모리), 외부 기억 (HDD)가 되는 경우가 대부분이다. "3D XPoint Technology"에 따른 비 휘발성 메모리 (본고에서는 "3D XPoint 메모리 "라고 호칭한다)는 주기억 (DRAM)과 외부 저장 (NAND 플래시 메모리)의 사이를 메우는 메모리이다. 즉, "3D XPoint 메모리"는 DRAM 또는 NAND 플래시 메모리와 경쟁하는 메모리가 아니다. 공존하는 메모리이다.

 주기억 (DRAM)과 외부 기억 (NAND 플래시 메모리)의 사이를 메우는 메모리는 기존에는 "스토리지 클래스 메모리 (SCM) " 또는 "차세대 대용량 비 휘발성 메모리"등으로 불리며 연구 개발이 진행되어 왔다. 구체적인 메모리 기술에는 상변화 메모리 (PCM), 자기 메모리 (MRAM), 저항 변화 메모리 (ReRAM)가 있다. 3D XPoint 메모리는 이러한 메모리와 경합하는 메모리 기술이라 말할 수 있다.

기자 회견 영상

기존 컴퓨터 시스템의 메모리 계층 및 메모리 기술

"3D XPoint 메모리"의 위치. DRAM과 NAND 플래시 메모리의 사이를 메우는 "스토리지 클래스 메모리 (SCM) "에 해당

크로스 포인트 형 메모리와 적층 구조를 채용

 기자 회견에서 Intel과 Micron은 "3D XPoint Technology"의 훌륭함을 어필하는 것에는 열심이었지만, 기술 내용의 자세한 내용은 그다지 알리지 않았다. 그래도 메모리 기술의 요약은 언급되었다.

 메모리 셀 어레이에는 "크로스 포인트형 메모리"의 명칭으로 알려진 구조를 채용했다. 크로스 포인트형 메모리는 워드선과 비트선이 교차하는 매우 작은 영역에 메모리 셀 전체가 들어가는 메모리이다. NAND 플래시 메모리를 제외하면 가장 높은 밀도로 메모리 셀 어레이를 실현할 수 있는 구조이다.

 메모리 셀의 크기를 측정하는 지표로 "설계 규칙 (F : Feature size)의 제곱", 즉 "F2"가 있다. 메모리 셀의 크기가 F2의 몇배가 되는가로, 고밀도화의 정도를 측정한다. 예를 들어 DRAM 셀은 "6 × F2 "가 실현되고 있다. 크로스 포인트형 메모리는 배선의 교차 영역과 인접 셀 사이의 절연 영역이 메모리 셀 면적이기에 "2 × F" × "2 × F" = "4 × F2"가 된다.

 크로스 포인트형 메모리는 또한 메모리 셀 어레이를 적층 할 수 있는 중요한 특징을 갖고 있다. 워드 라인에 해당하는 배선층과 비트선에 해당하는 배선층 사이에 메모리 셀을 넣을 수 있기 때문이다. 예를 들어 최하층을 워드 라인 층으로, 그 위를 메모리 셀, 비트 선 층, 메모리 셀, 최상층을 워드 라인 층으로 하고, 2층의 적층 구조가 된다. Intel-Micron 연합이 개발한 "3D XPoint Technology"도 이 2 층 구조를 채용하고 있다.

3D XPoint Technology의 메모리 셀 어레이 구조.

크로스 포인트 형 메모리 적층 구조를 채용하고 있다

도시바 -SanDisk 연합이 같은 기술로 32Gbit 메모리를 시험 제작을 마침

 크로스 포인트형 메모리와 2층의 적층 구조를 채용한 대용량 비 휘발성 메모리 개발을 발표하는 것은 Intel-Micron 연합이 처음은 아니다. 2013년 2월에 도시바 - SanDisk 연합이 32Gbit의 대용량 비 휘발성 메모리를 국제 학회 ISSCC에서 시험제작 발표를 마쳤다.

 도시바 - SanDisk 연합이 시험제작한 32Gbit 비 휘발성 메모리는, 기억 소자에 저항 변화 메모리 (ReRAM) 기술, 셀 선택 소자에 다이오드를 채용했다. 설계 룰은 24nm, 실리콘 다이 면적은 130.7 제곱 mm로 매우 작다.

 또한 2Mbit로 소용량이면서, 저항 변화 메모리 (ReRAM) 기술에 의한 크로스 포인트형 비 휘발성 메모리를 한국 SK Hynix와 미국 Hewlett-Packard의 공동 연구 그룹이 시작하여 2012년 6월에 국제 학회 VLSI 심포지엄에서 개요를 발표를 마쳤다.

도시바 -SanDisk 연합이 시험제작한, 32Gbit 크로스 포인트형 대용량 비 휘발성 메모리의 실리콘 다이 사진 (왼쪽)과 개요 (오른쪽) 메모리 셀 어레이의 단면 사진 (오른쪽 아래)

128Gbit의 대용량 실리콘 다이를 Intel-Micron 연합은 공표

 Intel-Micron 연합의 발표에서 특필해야 할것은, 128Gbit로 큰 저장 용량의 메모리를 제조해 보였다는 것이다. 128Gbit의 실리콘 다이는 제품과 시험제작 발표 (국제 학회에서 발표)의 양쪽을 포함하여 NAND 플래시 메모리의 최대 기억 용량과 같다. 이것은 대단한 일이다.

128Gbit의 3D XPoint 메모리를 만들어 넣은 지름 300mm의 웨이퍼를 공표한 Intel 비 휘발성 메모리 솔루션 그룹 담당 시니어 바이스 프레지던트 Rob Crooke 씨와 Micron 최고 경영 책임자 Mark Durcan 씨. 기자 회견 영상에서 발췌

128Gbit 대용량의 3D XPoint 메모리의 실리콘 다이 사진

 신경이 쓰이는 것은 실리콘 다이 면적이다. 지름 300mm 웨이퍼를 공표한 비디오 영상에서, 스크라이브 라인의 수를 수작업으로 집계했다. 비디오 영상에서 실리콘 다이의 장변 방향의 치수정도를 추정 가능했다. 여기에 웨이퍼의 클로즈업 사진에서 실리콘 다이의 종횡비를 읽고 단변 방향의 치수를 추측했다.

 그 결과, 실리콘 다이 치수는 약 17 × 12.75mm 인 것으로 나타났다. 실리콘 다이 면적은 216.75 제곱 mm로 추정된다. 이것은 반도체 메모리로는 꽤 큰 면적이다. 실리콘 다이 면적의 추정치가 타당하다면, 제조 비용은 어렵게 된다.

 설계 룰이 공표되어 있지 않기 때문에, 실리콘 다이 면적을 어디까지 줄일 수 있는지는 불투명하다. 기자 회견에서 "scalable (미세화 가능)"이라 말했기 때문에 기대는 가능하다.

3D XPoint 메모리를 만들어 넣은 지름 300mm의 웨이퍼의 클로즈업 사진

기억 소자와 셀 선택 소자의 기술을 추측

 Intel-Micron 연합은 메모리 셀의 기억 소자와 셀 선택 소자의 자세한 내용을 공개하지 않았다. 다만 몇 가지 단서가 있다.

 우선 기억 소자의 기술에 대해서는 "전하를 충전하는 기술이 아니다"라고 말했다. 따라서 플래시 메모리 기술은 있을 수 없다. 그렇다면 차세대 비 휘발성 메모리 기술이 생각된다. 그 중 상 변화 메모리 기술과 자기 메모리 기술은 제외해도 좋을 것이다. 모두 크로스 포인트 형에는 적합하지 않다.

 남은 기술은 저항 변화 메모리 기술이다. 설명 문서에서는 새로 개발한 재료를 "compounds (여러 화합물)"라고 말했기 때문에 여러 산화물 층으로 구성된 저항 변화 메모리의 가능성이 높은 것 같다. 또한 다층 메모리 기술은 채용해 짜지 않아, 1 개의 메모리 셀에 1bit의 데이터를 기억한다.

 셀 선택 소자에 관해서는 "트랜지스터는 없다"고 말했다. 가장 가능성이 높은 것 같은 것은 다이오드이다. 어떤 원리에 기초한 스위치 가능성은 있지만, 기억 소자의 동작 파라미터와 스위치의 동작 파라미터가 간섭 할 수도 있기 때문에 그다지 생각하기 어렵다.

"3D XPoint Technology"의 메모리 셀 어레이 구조와 특징

아직 풀리지 않는 몇 가지 의문

 위와 같은 가정은 성립되지만, 몇 가지 의문이 남는다. 우선, 저항 변화 메모리 기술이 "3D XPoint Technology"에 채용되고 있다고 하면, 읽기와 쓰기 속도가 높다. 수십 ns (나노초)의 읽기라는 속도를 달성하는 것은 저항 변화 메모리 기술에 있어서는 매우 어렵다. 도시바 SanDisk 연합이 시험제작한 저항 변화 메모리 칩의 성능은 읽기 쓰기 모두 마이크로초 대에 있다.

 또 하나의 중대한 의문은, 저항 변화 메모리 개발에서는 소니와 Micron이 공동 개발 팀을 짜고있는 것이다. 양사는 16Gbit의 저항 변화 메모리를 시험제작하고 그 기술 내용을 2014년 2월에 국제 학회 ISSCC에서 같은 해 12월에 국제 학회 IEDM 에서 공동 발표했다. "3D XPoint Technology"에 같은 저항 변화 메모리 기술이 채용되어 있다고 가정하면 소니과 Micron의 공동 개발 체제에 어떤 변화가 있었다는 의문이 생긴다.

 이 밖에 3D XPoint Technology에서는 NAND 플래시 메모리의 1,000 배의 다시쓰기  수명을 실현하고 있다 말하는 점도 신경 쓰인다. 만일 NAND 플래시 메모리의 다시쓰기 수명을 1 만회로 하면, 3D XPoint Technology의 다시쓰기 수명은 1,000 만회가 된다. 이 장기 수명은 저항 변화 메모리 기술로는 불가능하지는 않지만, 상당히 어렵다고 말할 수 있다.

 이러한 의문은 결국 해소 될 것이다. 기존의 저항 변화 메모리 기술이 아니라 혁신적인 저항 변화 메모리의 가능성도 있다. 의문이 해소되는 순간을 즐겁게 기다린다.

소니와 Micron Technology가 공동 개발한 16Gbit 저항 변화 메모리 (ReRAM)의 개요 (왼쪽)와 실리콘 다이 사진 (오른쪽)

2015년 7월 30일 기사

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