NRAM(나노 튜브 메모리)로 DRAM을 대체. 왼쪽은 기존 컴퓨터의 메모리 계층. 중앙은 기존 메모리 계층의 설명. 오른쪽이 DDR 타입의 NRAM으로, DRAM보다 높은 성능과 같은 수준의 다시 쓰기 수명, 더 큰 저장 용량에 낮은 가격을 소개.

 

탄소 나노 튜브(Carbon Nanotube)를 저장 재료로 삼은 차세대 비휘발성 메모리 NRAM(나노 튜브 메모리)가 서버나 PC의 시스템 메모리에 쓰는 DRAM을 대체하려 합니다. 나노 튜브 메모리 기술 벤처 기업인 미국 Nantero가 2018년에 여러 발표회에서 DRAM을 대체하는 NRAM의 개발 구성을 발표했습니다.

 

Nantero는 2년 전 2016년 8월 31일 후지쯔 그룹과 공동으로 차세대 비휘발성 메모리인 NRAM의 개발을 발표하며 갑자기 주목을 받은 기업입니다. 이 때 Nantero는 4Mbit와 소용량 NRAM 테스트 칩, 메모리 셀의 장기 신뢰성 평가 결과 등을 국제 학회에서 발표했습니다.

 

학회 발표에서 드러난 NRAM 메모리 셀 성능은 쓰기 전압의 펄스 폭이 20ns, 읽기 전압의 펄스 폭 30ns~50ns로 매우 짧습니다. 상변화 메모리(PCM) 및 자기 저항 메모리(MRAM) 등의 차세대 비휘발성 메모리와 같거나 그 이상이며, 상용 DRAM에 필적하는 성능을 보여주고 있었습니다.

 

다시 쓰기는 1조 번을 해도 수명에 전혀 지장을 주지 않았습니다. 매우 뛰어난 결과지요. 데이터 보존 기간도 30도의 고온에서 10년 이상으로, 플래시 메모리를 포함해 데이터 재기록이 가능한 모든 비휘발성 메모리 중 아마도 가장 기간이 길며 높은 온도도 견딜 수 있었습니다.

 

2년 전 시점에서 Nantero는 NRAM의 응용 분야로 단일 메모리(스탠드얼론 메모리)와 로직 내장 메모리(임베디드 메모리) 등을 제시했으나, 구체적인 개발 로드맵은 없었고 추상적인 표현일 뿐이었습니다. 이는 Nantero가 직접 제품을 개발하지 않고, 자금력을 갖춘 반도체 업체에 NRAM 기술을 라이센스하는 사업 모델을 채택하기 때문입니다. 파트너를 불문하고 일단 '넓은 범위에서 쓸 수 있다'는 기술적인 잠재력을 보여주는 편이 바람직합니다. 

 

여기에 가장 먼저 반응해 NRAM 제품을 개발한 회사가 후지쯔 그룹 되겠습니다. 실제로 Nantero는 후지쯔 그룹과의 공동 개발 제품이 NRAM의 첫 번째 제품이라고 공식 발표했습니다. 후지쯔 그룹은 첫 번째 제품인 NRAM 임베디드 시스템 LSI의 양산을 내년이 시작한다고 올해 4월에 발표했습니다. 이후에는 일반 NRAM을 개발할 계획입니다.  

 

Technical explanation video presented by Mie Fujitsu Semiconductor experts, Part-1 NRAM

 

28nm 기술로 4Gbit의 NRAM을 시작

그럼 처음으로 돌아가서, Nantero는 2018년 여름 무렵부터 미국에서 개최된 반도체 기술 관련 이벤트에서 메인 메모리의 DRAM을 대체하는 NRAM 제품 개발 구상을 발표하기 시작했습니다. 여기서 그리는 NRAM 제품의 모습은 상당히 구체적입니다.

 

 

시작은 28nm 세대 기술이며 저장 용량은 4Gbit입니다. 읽기/쓰기 성능은 같은 용량의 DRAM과 똑같이 빠르고, 데이터 재기록 수명은 10의 15승(1000조 번)으로 역시 DRAM과 같습니다. 실리콘 다이 면적은 100제곱mm로 정사각형이라면 10mm 짜리 다이가 됩니다.

 

28nm 공정으로 만든 4Gbit의 NRAM은 DRAM과 비슷한 메모리 셀 구조를 채택합니다. 1개의 트랜지스터와 1개의 메모리 소자(탄소 나노 튜브)로 1개의 메모리 셀을 구성합니다. 메모리 소자는 전기 저항 값의 차이로 데이터를 저장하는 가변 저항 타입입니다. 이른바 1T1R(1 트랜지스터, 1 저항)의 메모리 셀이 됩니다. 

 

 

7nm 세대의 제조 기술에서 64Gbit의 대용량 메모리를 실현

여기에서 저장 용량을 더 늘리는 방법은 몇 가지 있습니다. 가장 전통적인 방법은 제조 공정 미세화입니다. 28nm에서 14nm로 줄이면 저장 밀도는 이론적으로 4배 향상, 100제곱mm 크기의 다이를 유지하면서 16Gbit의 데이터를 저장할 수 있게 됩니다. 16Gbit는 현재 DRAM 실리콘 다이의 최대 용량과도 같습니다.

 

제조 공정을 한번 더 줄여서 7nm가 되면 실리콘 다이 크기를 유지한채로 64Gbit을 저장하게 됩니다. 7nm 세대의 제조 기술은 현재 양산중인 공정 중 최첨단 세대이기도 합니다. 이 기술을 NVRAM에 적용하면 이론적으로 DRAM의 4배 용량을 달성하게 됩니다.

 

 

28nm 4Gbit 다이에서 용량을 더 확대하는 방법

 

 

1T1R 방식의 NRAM 메모리 셀 어레이 구조. 읽기와 쓰기 성능이 가장 빠릅니다.

 

3D 크로스 포인트 구조로 저장 용량을 확대

 

또 다른 방법은 메모리 셀과 셀 어레이의 구조 변경입니다. 트랜지스터를 빼고 메모리 소자와 2개의 셀 셀렉트 소자를 2차원 매트릭스 형태로 배열한 크로스 포인트 구조를 채택합니다. 이 구조는 이론적으로 1T1R 셀보다 저장 밀도가 1.5배 늘어납니다. 그리고 이 크로스 포인트 구조의 메모리 셀 어레이를 쌓은 3D 크로스 포인트 구조로 저장 용량을 늘립니다.

 

공정 미세화와 3D 크로스 포인트 구조를 결합하면 저장 용량을 더욱 커집니다. 예를 들어 14nm 기술과 4층 크로스 포인트 구조를 결합하면 저장 용량은 샘플 다이의 16배인 64Gbit로 늘어납니다. 이마저도 크로스 포인트 그 자체의 용량 확대는 고려하지 않은 것이죠. 

 

 

여기에 14nm 공정과 크로스 포인트의 적층 수를 8층으로 늘리면 용량은 두배인 128Gbit가 됩니다. 제조 공정을 7nm로 미세화하고 8층 3D 크로스 포인트 구조와 결합하면 이론적으로 1개의 실리콘 다이에 512Gbit의 용량을 제공하게 됩니다. 

 

 

3D 크로스 포인트 구조의 적층 수 증가, 제조 공정 미세화, 실리콘 다이 적층(DDR4 타입은 8다이, DDR5 타입은 16다이)라는 3가지 방법을 조합해 용량을 확대하는 로드맵. 

 

32Gbit 이상을 달성하기 힘든 DRAM의 용량 확대

DRAM 대비 NRAM의 장점은 앞으로 저장 용량을 늘릴 방법이 있고, 소비 전력이 낮다는 겁니다. DRAM은 1X 세대 공정으로 8Gbit 실리콘 다이를 양산, 1Y 세대에선 16Gbit 다이를 양산할 예정입니다. 인터페이스는 1X 세대가 DDR4, 1Y 세대가 DDR5 입니다. 이후 1Z와 1α, 1β 세대로 미세화한다는 계획이 나와 있습니다.

 

여기서 중요한 건 10nm 이하의 제조 기술에 미세화 로드맵에 포함되지 않았다는 겁니다. 10nm로 미세화하면 저장 밀도와 용량이 늘어나거나 클럭이 상승합니다. 저장 밀도의 향상으로 실리콘 다이를 줄여 비용을 줄일 순 있지만, 실리콘 다이 면적을 대폭 키우지 않는 한 저장 용량을 대폭 늘리기 어렵습니다. 구체적으로는 32Gbit 이상의 용량이 힘듭니다. 24Gbit까지는 가능하지만 이걸 어떻게 실현할지가 앞으로의 미래를 좌우합니다.

 

 

DRAM의 또 다른 문제는 리프레시입니다. DRAM의 기억 소자인 캐패시터는 전하 유출 때문에 정기적으로 데이터를 재기록해야 합니다. 이런 리프레시 동작은 두가지 문제를 불러옵니다. 하나는 DRAM 액세스가 없을 때도 일정 전류가 항상 흐른다는 겁니다. DRAM과 DRAM 모듈, 그리고 메모리 용량이 커질수록 리프레시의 소비 전력은 무시할 수 없습니다.

 

두번째 문제는 서브 어레이를 호스트에서 액세스할 때입니다. 리프레시가 끝나기 전까지 액세스를 수행하지 못합니다. 따라서 지연 시간이 크게 늘어납니다. 이는 시스템 성능 저하와 이어집니다. 그리고 DRAM 메모리 셀은 기억 소자인 캐패시터가 꽤 높은 입체 형태이며, 크로스 포인트 구조로 만들기 어렵습니다. 그래서 크로스 포인트 구조의 3D 적층으로 저장 용량을 늘리지 못합니다. 

 

 

Nantero는 MRAM이 적어도 5nm까지 미세화가 가능하다고 말합니다. 즉 7nm 세대 제조 기술로 실리콘 다이의 저장 용량을 64Gbit까지 확대할 수 있습니다. 3D 크로스 포인트 구조를 쓰지 않아도 말이죠. 또 NRAM은 비휘발성 메모리라 리프레시 동작이 필요하지 않습니다. NRAM에 액세스하지 않으면 시스템 메모리의 소비 전력을 줄일 수 있고, 돌발적인 지연 시간 증가도 없습니다.

 

여기에 3D 크로스 포인트 구조를 더해 저장 용량을 늘릴 수 있습니다. 그러나 크로스 포인트 구조는 셀렉터나 셀렉터에 해당되는 기능을 개발해 넣어야 합니다. Nantero는 셀렉터에 대해선 언급하지 않았고, 3D 크로스 포인트 구조는 아직 불확실성이 매우 큽니다.