주요 스토리지의 성능(세로축)과 저장 용량당 비용(가로축). TLC 방식의 3D 낸드 플래시를 내장한 SSD의 총 비용은 10K/15K 급 HDD의 절반 수준으로 떨어졌습니다. QLC 방식의 3D NAND 플래시를 내장한 SSD는 전체 비용을 더욱 줄여 니어 라인 HDD가 커버하는 영역에 육박합니다. 삼성전자가 2018년 2월에 발표한 슬라이드에서.

 

1개의 메모리 셀에 4bit의 데이터를 저장하는 QLC(quadruple level cell) 방식의 NAND 플래시 메모리가 상용화되기 시작했습니다. 지금까지의 주류인 TLC (triple level cell, 3bit/셀)'방식에 비해 제조 비용은 이론적으로 같으나 저장 용량은 1.33배로 늘어납니다. 바꿔 말하면 저장 용량당 제조 비용이 75%로 내려 갑니다.

 

NAND 플래시 메모리를 사용하는 SSD는 그 동안 15K와 10K의 HDD를 대체해 왔습니다. NAND 플래시 메모리의 주요 공급 업체인 마이크론의 발표에 따르면 평면형 낸드 플래시(2D NAND 플래시)의 대용량화(저장 용량당 제조 비용 감소)에 의해 15K HDD를 SSD로 대체 할 수 있었습니다. 그리고 3D NAND 기술과 TLC 방식의 조합으로 저장 용량당 비용을 더욱 줄이고 10K HDD를 SSD로 대체 가능하게 됐습니다.

 

SSD의 다음 목표는 니어라인 HDD와 클라이언트(소비자) HDD의 대체입니다. 여기에는 QLC 방식의 실용화와 3D NAND 플래시의 적층 증가가 큰 역할을 합니다. QLC NAND 플래시를 내장한 QLC SSD가 조만간 이들 시장에서 하드디스크와 경쟁합니다.

 

 

SSD가 HDD를 하이엔드 제품부터 차례대로 대체합니다. 2017년 8월의 플래시 메모리 서밋에서 발표한 슬라이드. 

 

 

이미 여기에 해당되는 제품이 있습니다. 마이크론은 2018년 5월에 니어라인 하드디스크를 대체하는 엔터프라이즈 SSD인 5210 ION SSD 시리즈를 발표했습니다. 저장 용량은 1.92TB~7.68TB, 두께 7mm에 두께 2.5인치, 인터페이스는 SATA입니다. 64단 3D 낸드 플래시 기술과 QLC의 1Tbit/다이 낸드 플래시 메모리를 내장합니다.

 

 

인텔은 2018년 8월에 클라이언트용 SSD 660p 시리즈를 발표했습니다. 660p 시리즈의 저장 용량은 512GB/1TB/2TB, 폼펙터는 M.2 2280, 인터페이스는 NVMe 1.3/PCIe 3.0 ×4입니다. 가격은 99/199/399달러로 NVMe 인터페이스의 SSD 치고는 저렴합니다. 660p 시리즈도 5210 ION SSD와 마찬가지로 64층의 3D NAND 플래시 기술에 QLC의 1Tbit/다이 낸드 플래시 메모리를 내장합니다.

 

 

멀티 셀 저장 방식의 시작과 발전 

 

낸드 플래시 메모리는 원래 1개의 메모리 셀에 1비트 데이터를 저장합니다. 이것이 발전해 지금은 1개의 메모리 셀에 최대 4비트의 데이터를 저장할 수 있게 됐습니다. 물론 2비트와3 비트를 저장하는 방식도 존재합니다. 위 그래프의 세로 방향은 셀의 수, 가로는 전압입니다. 위에서부터 QLC (4bit / 셀), TLC (3bit / 셀), MLC (2bit / 셀) SLC (1bit / 셀)의 순서입니다. 여기서 QLC가 SLC보다 셀 트랜지스터의 게이트 전압을 매우 좁은 범위로 제어해야 함을 알 수 있습니다.

 

데이터를 저장할땐 셀 트랜지스터의 게이트 전압의 값을 조절합니다. 게이트 전압은 트랜지스터가 OFF 상태에서 ON 상태로 변화하는 입력 전압(엄밀하게는 게이트 전압)입니다. 가장 간단한 1bit/셀의 저장에선 셀 트랜지스터의 게이트 전압이2단계밖에 없습니다.

 

플래시 메모리는 데이터를 기록하기 전에 데이터 삭제 동작이 반드시 들어갑니다. 삭제 동작으로 낸드 플래시 메모리의 셀 트랜지스터 게이트 전압은 마이너스가 됩니다. 게이트 전압이 0V라도 셀 트랜지스터는 ON 상태를 유지합니다. 데이터를 기록할 땐 게이트 전압을 +로 바꿉니다. 데이터를 읽을 때는 게이트 전압을 낮추기에 셀 트랜지스터가 ON 상태가 되진 ㅇ낳습니다. 이렇게 데이터 값을 구분합니다.

 

1bit/셀의 저장은 DRAM이나 SRAM 같은 다른 반도체 메모리와 마같은 방법을 사용하며 간단합니다. 낸드 플래시 메모리는 여러 데이터를 저장하는 방식이 상용화됐기에, 1bit/셀 방식을 SLC라 불러 구분합니다. 그 다음 기술은 1개의 메모리 셀에 2bit의 데이터를 저장하는 겁니다. 이건 MLC라 부릅니다.

 

MLC 방식과 SLC 방식의 가장 큰 차이점은 쓰기 동작에 있습니다. MLC 방식은 쓰기 동작에서 셀 트랜지스터의 게이트 전압을 3단계로 변화합니다. 읽기 동작의 게이트 전압 범위는 기본적으로 SLC와 다르지 않습니다. 따라서 데이터 기록 시 3가지의 게이트 전압을 세밀하게 제어해 기록해야 합니다. 따라서 SLC보다 쓰기 속도가 느립니다. 

 

3가지 게이트 전압의 간격은 매우 좁습니다. MLC 방식을 처음 개발할땐 시간이 흐르면서 게이트 전압이 인접 셀의 게이트 전압과 겹쳐지는 문제가 일어났습니다. 지금은 기술을 개선해 해결됐지만, 이는 메모리 셀의 저장 기술에서 항상 따라다니는 문제입니다. 

 

또 게이트 전압을 세밀하게 지어해야 하니 게이트 전압 값을 검증하는 작업이 들어가, 셀 트랜지스터의 열화가 늘어나는 문제도 발생했습니다. 이 문제는 지금도 완전히 극복되지 않았습니다. 기본적으로 데이터 재기록 횟수는 SLC 방식이 가장 많고 MLC 방식은 SLC 방식보다 적습니다. 플래시 메모리 업계에선 SLC가 10만번, MLC가 1만번으로 약 10배의 차이가 있다 봅니다.

 

 

평면형 낸드 플래시는 TLC 방식이 한계

 

MLC 방식의 저장 기술은 1개의 메모리 셀에 3비트의 데이터를 저장하기에 TLC 방식이라 부릅니다. TLC 방식의 셀에 데이터를 기록할 땐 셀 트랜지스터의 게이트 전압을 7단계로 바꿉니다. MLC 방식은 3단계의 게이트 전압을 씁니다. 게이트 전압의 범위는 MLC와 TLC가 다르지 않습니다. 따라서 전압 범위는 거의 같지만 2배가 넘는 수의 게이트 전압을 설정해야 합니다. 인접 게이트 전압의 간격은 TLC가 MLC 방식의 절반 이하가 됩니다. 

 

 

따라서 TLC 방식은 MLC보다 더 세밀하게 게이트 전압을 제어해야 합니다. 그래서 TLC 방식의 데이터 기록은 쓰기 작업을 3번에 걸쳐 실행하는 방법을 씁니다. 구체적으로는 처음에 2가지 게이트 전압을 기록, 두번째에 7가지 게이트 전압을 기록, 세번째에 7가지 게이트 전압을 조정한다는 구성입니다. 이런 구성은 인접 메모리 셀 사이의 간섭을 완화하기 위해서도 필수가 됐습니다. 물론 쓰기 단계를 늘리면서 데이터 기록에 필요한 시간은 늘어나고, 셀 트랜지스터의 열화는 더 심해졌습니다. 

 

TLC 방식의 개발과 상업화는 NAND 플래시 메모리 개발에 하나의 방향성을 주었습니다. 성능은 희생해도 되니, 저장 용량 당 생산 비용을 낮추자는 겁니다. MLC 방식에서 TLC 방식으로 전환하면서 쓰기 시간과 읽기 시간이 모두 길어지고 데이터 재기록 횟수(수명)은 줄었습니다. 그래도 TLC 방식의 낸드 플래세 메모리가 보급된 이유는 저장 용량당 샌상 비용이 떨어져서입니다 .

 

TLC 방식 다음으론 1개의 메모리 셀에 4비트 데이터를 저장하는 QLC 방식이 나왔습니다. 도시바와 샌디스크(지금은 웨스턴 디지털)의 공동 개발팀은 2009년 1월에 ISSCC 국제 학회에서 QLC 방식의 평면형 낸드 플래시 메모리를 만든다고 발표했습니다. 43nm의 CMOS 기술로 제조한 실리콘 다이가 64Gbit의 저장 용량을 실현했습니다. 발표 당시엔 세계 최대의 저장 용량을 달성한 반도체 메모리이기도 했습니다.

 

그러나 평면형 낸드 플래시(2D 낸드 플래시)에서 QLC 방식은 상품화되지 않았습니다. 평면형 플래시에선 공정 미세화로 저장 밀도를 높였고, 그 결과 1개의 메모리 셀에 축적되는 전하의 양이 줄어들었습니다. 축적 전하의 크기는 게이트 전압의 변화에 따라갑니다. 평면형 낸드 플래시 메모리가 전하의 양을 너무 많이 줄이면서 TLC 방식의 7단계 전하량 제어가 기술적인 한계가 되버린 겁니다.

 

오히려 평면형에서 미세 가공을 최고로 늘린 1Ynm 세대(15nm 세대)에선 TLC 방식의 낸드 플래시 메모리가 상품화되지 못하고, MLC 방식만 상품화되기에 이르렀습니다. TLC 방식의 상품화는 1Xnm 세대(19nm 세대)는 되야 합니다. 

 

 

3D 낸드 플래시가 처음부터 TLC 방식으로 상품화된 이유

3D 낸드 플래시 메모리의 상품화는 평면형 낸드 플래시 메모리와는 전혀 다르게 출발했습니다. 처음부터 멀티 셀 저장 기술을 도입한 겁니다. 처음에 아주 잠깐 동안 MLC 방식이 나온 걸 제외하면, TLC 방식을 계속해서 써왔다고 해도 됩니다.

 

처음부터 TLC 방식으로 상품화될 수 있었던 가장 큰 이유는 메모리 셀의 축적 전하량 차이에 있습니다. MLC 방식의 15nm 세대 평면형 낸드 플래시에 비해 TLC 방식의 3D 낸드 플래시는 축적 전하량이 약 3배 큽니다. 전하량만 보면 평면 MLC 방식보다 3D 낸드 TLC가 인접 게이트 사이의 전하량 마진은 3배가 됩니다. 이건 아주 큰 장점입니다.

 

전하량이 늘어난 주요 이유는 셀 트랜지스터의 전하를 축적하는 부분의 단면적이 커져서입니다. 셀 트랜지스터의 가공 치수가 커졌고, 셀 트랜지스터의 형상이 원통형으로 변화하면서 단면적도 따라 증가했습니다. 그리고 3D 낸드 플래시 저장 밀도 확대를 위해 공정 미세화를 쓰지 않았습니다. 그래서 미세화 때문에 전하가 줄어들지 않습니다. 그러니 저장 밀도를 높여도 셀 트랜지스터에 축적할 수 있는 전하량이 변하지 않습니다. 덕분에 TLC 방식을 계속 쓸 수 있게 됩니다. 

 

게다가 3D 낸드 플래시는 TLC 방식에서도 전하량 마진이 크기에 저장 방법을 바꿀 수 있었습니다. 평면형 낸드 플래시에서TLC는 데이터 기록을 3번에 나눠 했지만, 3D 낸드에선 한번에 3비트의 데이터를 모두 기록할 수 있습니다. 이는 TLC 방식의 낸드 플래시 메모리에서 쓰기 속도가 대폭 향상된 이유입니다.

 

 

가장 먼저 3D 낸드 플래시의 양산을 시작해 자사 브랜드 SSD를 출시한 곳은 삼성 전자입니다. 이곳의 TLC 방식 3D 낸드 플래시를 쓴 SSD는 다른 회사의 평면형 낸드 플래시 SSD보다 쓰기 속도가 빠르다며 높은 평가를 받았던 적이 있었습니다. 물론 SSD 성능은 컨트롤러의 영향을 받습니다. 컨트롤러의 기술이나 성능이 같다면 나머지는 낸드 플래시 메모리의 성능이 SSD의 성능을 좌우합니다. 시 내장 SSD에 비해 "쓰기가 빠르다"고 높이 평가되고 한때 모색되었다.

이론적으로 QLC 방식은 TLC 방식의 절반 수준 전하량으로 게이트 전압을 구분합니다. 3D 낸드 플래시는 QLC 방식도 14nm 세대 평면형 MLC 낸드 플래시보다 1.5배의 전하량을 확보할 수 있게 됩니다 .따라서 3D 낸드 플래시에서 QLC 방식을 사용화하는 길이 열리게 됐습니다. 

 

 

QLC 방식에서는 1개의 셀에 15가지 값을 기록

 

 

QLC 방식은 1개의 메모리 셀에 4비트의 데이터를 저장합니다. 쓰기 작업에서 설정해야 하는 게이트 전압은 15단계에 이릅니다. 인접 게이트 전압의 간격은 TLC 방식의 절반으로 줄어듭니다. 따라서 게이트 전압을 더욱 세밀하게 제어해야 합니다.

 

QLC 방식의 장점은 명확합니다. 저장 밀도가 향상되고, 일정한 실리콘 면적에서 저장 용량을 늘리며, 일정한 저자 용량의 생산 비용이 떨어집니다. 대신 성능(속도)와 장기 사용 시 신뢰성이 떨어집니다. 이대로는 SSD나 플래시 스토리지에서 요구하는 스펙을 만족시킬 수 없기에, 이 문제를 줄일 필요가 있습니다. 사양을 충족하지 않는 것으로 간주하면 어떤 연구에 의해 성능 및 장기 신뢰성의 저하를 완화해야한다.

 

 

QLC 낸드 플래시는 장기 신뢰성이 크게 하락

 

우선 장기 신뢰성이 얼마나 떨어지는지를 봅시다. 장기 안정성의 평가는 크게 두가지, 데이터 재기록 횟수와 데이터 저장 기간입니다. 데이터 재기록 횟수와 저장 기간은 어느 정도 관련성이 있습니다. 일반적으로 데이터 재기록을 반복할수록 메모리 셀의 저장 기간이 짧아집니다. 즉 데이터 재기록 횟수는 데이터를 성공적으로 저장할 수 있는 횟수를 의미합니다.

 

멀티 레벨 셀과 데이터 재기록 횟수엔 밀접한 관계가 있습니다. 메모리 셀에 저장된 데이터를 늘릴수록 재기록 횟수가 떨어집니다. 평면형 낸드 플래시 메모리 시절에 재기록 횟수는 SLC 방식이 10만번, MLC 방식이 1만번, TLC 방식은 1000번이었습니다. 1비트가 늘어날수록 재기록 수명은 1/10으로 줄어든다는 게 대충의 기준입니다. 

 

이 감소세는 3D 낸드 플래시 기술의 등장으로 잠깐 막아냈습니다. TLC 방식의 3D 낸드 플래시 재기록 횟수는 3천번에서 5천번입니다. QLC 방식도 모두 3D 낸드 플래시입니다. TLC 방식에서 QLC 방식으로 바꾸면서 재기록 횟수는 1/5~1/10이 될 것으로 예상됩니다. 구체적으로는 300번 정도입니다. 

 

QLC 낸드 SSD는 재기록 횟수가 감소

TLC 방식에서 QLC 방식으로 바뀌며 재기록 횟수는 줄어들었고, 이는 SSD 제품의 스펙에 그대로 반영됐습니다. 인텔의 컨슈머용 SSD인 600p 시리즈와 660p 시리즈의 스펙을 비교하면 그 차이가 명확하게 드러납니다. 600p 시리즈는 TLC 방식의 3D 낸드 플래시, 660p 시리즈는 QLC 방식의 3D 낸드 플래시를 탑재합니다 폼펙터와 인터페이스는 같고, 낸드 플래시와 컨트롤러(펌웨어) 차이밖에 없습니다. 

 

1TB 제품에서 총 기록 용량(TBW)를 비교했습니다 600p 시리즈는 576TB, 660p는 200TB니 절반 이하로 줄었습니다. SSD 전체를 576번 쓰는 것과 200번 쓰는 제품의 차이. 이는 3D 낸드 플래시가 다르기에 생겨난 것으로 보입니다. 쓰기 수명은 컨슈머 제품이기에 200번 이하라 해도 크게 문제가 되진 않을 겁니다.

 

문제는 기업용입니다. 엔터프라이 시장에서 마이크론이 최대 용량 7.68TB의 QLC SSD인 5210 ION SSD 시리즈를 발표했으나, 그 자세한 스펙을 공개하진 않았습니다. 특수한 방법을 쓰지 않는 한 QLC SSD의 재기록 수명은 TLC SSD보다 줄어들며, 이를 피할 방법은 없습니다. 또 데이터 기록에 필요한 시간과 판독 시간이 길어지면서 성능도 떨어집니다. 그래서 성능 저하를 막기 위한 방법이 QLC SSD에선 꼭 필요합니다. 이건 다음 글에서 다루겠습니다.