급피치 진화가 계속되는 모바일 DRAM

 

올해 스마트폰의 메모리는 어떻게 될까요? 스마트폰에 탑재되는 DRAM 기술은 빠른 LPDDR4가 하이엔드에 쓰이지만, 메인스트림은 LPDDR3에 머무릅니다. 그러나 스마트폰에 탑재되는 DRAM 용량은 증가해 작년에는 평균 1.4GB던 것이 올해엔 1.8GB로 24.9 % 늘어납니다. 최종 사용자 입장에서 보면 2GB 급의 DRAM 용량이 메인스트림 스마트폰에서 당연해지며 하이엔드에선 3/4GB의 보급이 진행됩니다. 제조 공정 기술은 현재 2xnm(25nm 전후)에서 20nm 전후 프로세스로로 이행이 이루어집니다.

 

반도체 시장 조사 기관인 TrendForce의 시장 조사 부문 DRAMeXchange는 지난 6월 컴퓨텍스에서 개최한 컨퍼런스인 Compuforum 2015에서 모바일 DRAM의 동향을 설명했습니다. TrendForce에 따르면 스마트폰의 출하량 자체는 연평균 11.6 % 증가로 2015 년의 성장세가 완만하다고 예상됩니다. 그러나 스마트폰의 기능이 다양해지면서 탑재되는 DRAM 용량이 늘어나기에 모바일 DRAM 시장도 성장합니다.

 

 

동시에 모바일 DRAM의 고속화도 진행됩니다. 현재 메인스트림은 LPDDR3지만 하이엔드 스마트폰의 LPDDR4는 두배로 빠릅니다. LPDDR4는 현재 스펙에서 최고 3.2Gbps의 전송 속도를 내며 x64 인터페이스의 메모리 대역폭은 25.6GB / sec에 이릅니다. 이것은 PC의 DDR3-1600 2 채널 (x128) 구성과 최대 대역이 같습니다. 메모리 대역폭에서 스마트폰과 PC의 격차는 점점 좁혀지고 있습니다. 모바일 SoC의 메모리 대역이 갑자기 확장하는 이유는 스마트폰의 화면 해상도가 높아 고급 그래픽 기능이 요구되기 때문입니다.

 

 

 

 

모바일 메모리 버스 폭

 

 

아직까진 비싼 LPDDR4

 

LPDDR4는 규격화를 서두른 LPDDR3와 달리 저전력에 더욱 신경을 쓴 DRAM 기술입니다. 따라서 대역폭 당 전력을 따지면는 LPDDR3보다 장점이 많습니다. 그러나 LPDDR4는 아직 시작이며 가격이 비싸기에 하이엔드 스마트폰에 한정됩니다. 올해까진 여전히 LPDDR3가 주류 제품이며 LPDDR2가 로우엔드를 차지하다가 단종되고 LPDDR4가 하이엔드에 보급되는 시기가 됩니다.

 

 

 

스마트폰 애플리케이션 프로세서의 로드맵과 대응 메모리를 보면 LPDDR4의 보급 로드맵은 더욱 명확해집니다. 아래는 퀄컴과 미디어텍 모바일 SoC(System on a Chip)의 메모리 지원인데요. LPDDR4는 하이엔드로만 나오며 저가형에선 LPDDR2가 사라집니다.

 

 

한편 LPDDR4와 병행하여 규격화된 Wide I/O 2는 지금 TrendForce의 같은 조사 회사의 출하 예측을 볼 때 고객을 확보하기가 힘듭니다. Wide I / O 2를 사용하려면 전용 모바일 SoC가 나와야 하다보니 양산이 된다 한들 단번에 진행되기 어려운 것이 현실입니다.

 

 

DRAM의 주역이 된 모바일 DRAM

 

TrendForce는 매년 DRAM 시장 전체를 돌아보는 세션을 열었습니다. 그러다 올해엔 모바일 DRAM에 초점을 맞춘 세션으로 바꿨습니다. 이것은 DRAM 시장의 주역이 PC용 DRAM에서 모바일 디바이스용 DRAM으로 바뀌었기 때문입니다. TrendForce에 따르면 DRAM 전체 매출에서  모바일 DRAM이 차지하는 매출은 올해 37 %에 달할 전망이라 합니다. 2000년대에는 틈새 시장이었던 모바일 DRAM이 이제는 DRAM 시장을 이끌어가고 있습니다.

 

참고로 2014년에 모바일 DRAM의 비율이 낮아진 건 상대적으로 PC DRAM 가격이 안정적이라 그렇습니다. 전체적인 흐름은 모바일 DRAM의 비율이 계속 높아지고 있습니다. 서버 DRAM도 24%를 차지하면서 PC용 DRAM이 더 이상 DRAM의 절반 이상을 차지하진 못하게 됐습니다.

 

그리고 모바일 DRAM 시장에서도 역시 최강은 삼성입니다. 삼성은 현재 모바일 DRAM 시장 점유율의 50% 전후를 차지하고 있으며 SK 하이닉스와 엘피다 메모리에게서 모바일 DRAM을 물려받은 마이크론 그룹을 앞서고 있습니다. 그리고 모바일 DRAM은 PC용 DRAM보다 가격이 안정적이라 DRAM 업체에게 있어 보다 안정적인 수입원입니다.

 

 

DRAM의 공급 용량 성장은 둔화

 

DRAM 전체로 보면 올해 DRAM 시장에 공급되는 용량은 연평균 약 28 % 성장했습니다. 과거 DRAM의 공급은 연평균 50 % 전후의 높은 성장을 이뤘으나 최근 몇년은 20 %대였으며 올해도 그 추세가 계속됩니다. 작년에 TrendForce의 예상은 2015년 32 %의 성장이었던지라 현재 예상은 이보다 낮지만 크게 다른건 아닙니다.

 

이것은 과거의 PC 전성기처럼 2년마다 시스템에 탑재되는 DRAM 용량이 두배가 되는 시대는 이제 (당분간은) 오지 않을 것입니다. 현재 모바일 DRAM은 2~3년마다 메모리 대역폭이 2 배가 됩니다. 그러나 메모리 용량은 그만큼 빠른 속도는 증가합니다. 메모리 용량 증가의 둔화는 PC에서 더 현저합니다.

 

DRAM의 총 공급 용량의 증가가 느린 건 DRAM 제조사가 생산 용량을 대폭 확장하지 않아서입다. 올해 용량 성장도 생산 용량의 증가에 의한 것이 아니라 제조 공정 기술 전환에 의한 다이 크기의 축소/칩 용량 증가 효과에 따른 것이라고 TrendForce는 설명합니다. 제조 시설의 용량은 일정하게 유지하면서 공정 미세화로 용량을 늘리는 것입니다. 공정 미세화의 속도는 느려지고 있기에 1년 총 용량 증가는 20% 대에 머무릅니다.

 

단순하게 말해서 반도체 제조 업체는 DRAM에서 대박을 노르지 않습니다. 제조 물량을 늘려 시장 점유율을 늘리려는 적극적인 시도를 하지 않습니다. 즉 DRAM 반도체 제조사의 주요 경쟁 무대가 아닌 것입니다. 또 시스템의 DRAM 용량 수요 자체도 공급을 따라가는 수준이 아닙니다.

 

 

 

20nm 공정으로 전환을 추진하는 DRAM

 

TrendForce는 삼성의 모바일 DRAM을 예로 들어 DRAM 공정 미세화를 설명했습니다. 삼성의 모바일 DRAM은 2013 년에 35nm 공정에서 25nm 프로세스로 이행을 진행한 후, 이후 공정으로 이행이 느린 편입니다. 하지만 올해는 25nm 공정에서 20nm 공정으로 미세화가 급속도로 진행됩니다.

 

또한 삼성은 LPDDR4의 제조 출시에도 본격적으로 나섭니다. 올해는 20nm 프로세스의 LDDR4을 시장에 내놓을 것이라고 TrendForce는 예측합니다. 삼성의 제조 계획을 보면 LPDDR4 세대는 20nm 프로세스가 주축이 될 것임을 알 수있다. 20nm 전후 프로세스로 전환은 노광 기술의 진보와 밀접한 연관이 있으며 초창기에 예정했던 EUV 양산 기술까지 도달하지 않았기에 더블 패터닝을 사용하고 있습니다.

 

이처럼 프로세스의 미세화와 그에 따른 용량 증가, 비용 절감을 실현하는 DRAM이지만 20nm 프로세스부터는 먹구름이 돌고 있습니다. 캐패시터의 용량 감소(또는 그것을 막기 위한 캐패시터 비율 상승)과 메모리 셀 사이의 간섭 등의 문제 때문입니다. 삼성은 현재 10nm 프로세스 전후까지 DRAM을 미세화하는 기술 개발을 하고 있으며, 2계층 커패시터나 에어 갭 등의 도입을 검토 중이라고 2월의 ISSCC (IEEE International Solid- State Circuits Conference)에서 밝혔습니다.

 

어느 DRAM 관계자는 새로운 기술의 도입으로 DRAM 미세화를 계속하는 건 가능하지만, 양산 기술로 도입 가능한지는 비관적인 시선이 많다고 지적합니다. 어쨌든 20nm 프로세스부터는 양산의 진입 장벽이 높은 게 확실합니다. 따라서 현재 연평균 20 % 대의 용량 증가를 이어갈 수 있을지는 아직 알 수 없습니다. DRAM을 대체할 메모리 기술 개발이 필요하지만 그것도 기술적인 장벽이 높습니다.