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기타 D램과 낸드플래시 대체할 차세대 메모리

마을지기 2011.08.16 08:02 조회 수 : 8299

전력소모 줄이고 속도 높여라 … M램·P램·R램 등 개발 한창이죠

‘디지털 기기에 쓰는 메모리’라고 하면 대부분은 D램이나 낸드플래시를 떠올리게 마련. 하지만 그게 전부가 아니다. M램· P램· F램· R램이란 것도 있다. D램이나 낸드플래시의 한계를 극복하기 위해 메모리 업체들이 성능 개선에 몰두하고 있는 차세대 제품들이다. 일부는 이미 실용화됐고, 몇몇 제품은 연구개발(R&D)이 계속 이뤄지고 있다. 이들 차세대 메모리는 반도체를 기반으로 한 D램과 낸드플래시와는 원료 물질부터 다르다. 각각의 메모리들이 어떤 특징을 갖고 있는지 알아본다.

권혁주 기자



D(Dynamic)램과 낸드(NAND)플래시

D램은 ‘전기 먹는 하마’ 낸드플래시는 ‘느림보’


디지털 메모리의 기본은 ‘1’과 ‘0’이다. 모든 데이터를 이 두 숫자로 표시해 저장한다.

D램은 1과 0을 나타내는 방법으로 일종의 ‘충전지’를 사용한다. 충전이 돼 있으면 1, 방전 상태면 0인 식이다. 다시 말해 아주 작은 반도체 충전지를 쫙 늘어놓은 것이 D램인 것이다. 데이터를 기록할 때는 각 충전지를 충전이나 방전시키고, 읽을 때는 충전이나 방전된 상태를 살피는 것이다.

이 D램에는 치명적인 약점이 있다. 1을 나타내려 충전을 해 놓아도 조금 시간이 흐르면 저절로 방전이 된다는 점이다. 전원을 끄면 방전이 되면서 데이터가 날아가는 것은 물론, 잠시만 전력 공급을 게을리해도 데이터가 지워진다. 처음 저장해 놓은 상태의 데이터를 유지하려면 끊임없이 전력을 공급해줘야 한다는 얘기다. 그래서 D램은 전기를 많이 먹는다. 거대한 정보 저장장치인 인터넷 데이터 센터(IDC)가 ‘전기 먹는 하마’란 오명(汚名)을 쓰게 된 것도 일부분 D램에 책임이 있다. 막대한 양의 정보를 저장하려고 엄청나게 많은 D램을 사용하다 보니 전력 소모가 극심한 것이다.

보통의 PC라면 전기 좀 많이 쓴다고 해서 별 문제 없겠지만, 노트북이나 태블릿PC, 스마트폰 같은 휴대용 기기의 경우엔 결코 무시할 수 없는 부분이다. 전력 소모량은 배터리가 얼마나 오래 가는지를 좌우하는 요소이기 때문이다.

D램은 또 하나의 약점을 안고 있다. 가장 빠른 메모리이긴 하지만 D램에 읽고 쓰는 속도가 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)의 계산 속도를 따라가지 못한다. CPU로서는 답답할 노릇이다. 계산을 좀 하려 하면 D램에서 데이터를 읽어올 때까지 한참을 기다려야 한다. 계산 결과를 저장하려 할 때도 마찬가지다. D램 때문에 CPU가 100% 제 실력을 발휘하지 못하는 것이다.

칩 형태로 꾸미기 직전의 낸드플래시.
낸드플래시는 이런 D램의 약점 중 하나를 해소했다. 전기를 계속 흘려주지 않아도 데이터가 그대로 남아 있다. 아예 전원을 꺼도 데이터가 유지된다. 당연히 전력 소모가 적다. 그래서 모바일 기기에 많이 쓴다. 하지만 낸드플래시도 만족할 만하지는 않다. D램보다 훨씬 속도가 느리다. 이 때문에 메모리 업체들은 새로운 기억소자를 찾아 나섰다. 그러면서 M램이니 P램이니 하는, 온갖 알파벳이 달린 메모리가 개발되고 있다. 알파벳은 달라도 목표는 한 가지. ‘더 빠르고 전기는 적게 먹는’ 메모리를 만드는 것이다.

M(Magnetic)램

D램 대체할 유력 후보, 3~5년내 상용화 가능


D램을 대체할 가장 유력한 후보로 평가받는 메모리다. 자석(Magnet)의 원리를 이용했다. 실제 원리는 훨씬 복잡하지만, 대략 N극이 위로 오면 1, S극이 위로 올 때는 0을 나타낸다고 생각하면 된다. 이쯤이면 ‘하드디스크와 비슷하다’고 생각할 수 있지만 조금 다르다.

하드디스크와 꼭같은 원리를 사용해서는 아주 작게 만들 수 없다. 하드디스크가 메모리 소자보다 덩치가 훨씬 큰 이유다. M램은 대신 ‘터널링 자기 저항’이라는 현상을 활용해 데이터를 저장한다.

정보기술(IT) 업계에서는 진작부터 M램의 가능성에 주목해왔다. 미국 IBM은 일찌감치 1970년대에 M램을 개발하기 시작했으나 기술적 한계에 부닥쳐 포기했다. 이후 90년대 들어 터널링 자기 저항을 이용할 수 있다는 아이디어가 나오면서 다시 개발 붐이 일었다.

국내에선 삼성전자가 2002년 개발에 성공했다. 아직까지는 성능이 D램을 따라가지 못했다. 하지만 기술 발전 속도를 볼 때 3~5년 후면 상용화될 것으로 전문가들은 내다보고 있다. 이론적으로만 놓고 보면 전력소모가 아주 적은 데다 속도는 D램보다 훨씬 빨라 언젠가는 완전히 D램을 대체할 것이라고 예언하는 이들도 있다.

이 M램 분야에서 하이닉스는 일본 도시바와 손잡고 삼성전자와 개발 경쟁을 벌이고 있다. 현재 업체들은 예전 M램에서 한층 발전된, ‘STT-M램’이란 것을 개발 중이다.

M램에도 약점이 하나 있다. 자석을 가까이하면 저장된 데이터의 내용이 지워질 수 있다. 이 때문에 M램은 ‘뮤(μ)-메탈’이란 특수 물질로 메모리를 감싸준다. 뮤-메탈은 그 안쪽으로 자석의 힘이 뚫고 들어오지 못하게 하는 특수한 성질이 있다.

P(Phase-Change)램

DVD 원리 응용, 삼성전자가 양산 성공


P램
다이아몬드와 석탄은 모두 탄소로 구성돼 있다. 차이점은 결정(結晶)이냐 아니냐 하는 것. 결정체인 다이아몬드는 탄소 원자가 일정하게 배열돼 있다. 하지만 석탄은 그렇지 못하다. 이 차이가 보석과 석탄의 운명을 갈랐다.

똑같이 탄소로 만들어진 물질이지만 석탄을 다이아몬드로 바꾸기는 몹시 힘들다. 엄청나게 높은 온도와 압력을 가해야 가능하다. 설혹 고온·고압을 가한다 하더라도 불순물이 워낙 많아 다이아몬드로 만들 수는 없다. 영화 수퍼맨 1탄에서 수퍼맨이 연인을 위해 석탄을 꽉 쥐어 다이아몬드로 만드는 일은 그야말로 영화 속에서나 가능한 일인 것이다.

그런데 물질 중에는 쉽게 다이아몬드 같은 결정이 됐다가, 또 어느 때는 비결정체가 되는 것이 있다. 전류를 조금만 흘려주면 모습을 바꾼다. 이를 활용한 게 P램이다. ‘상태(Phase)’가 바뀐다고 해서 P램이라는 이름이 붙었다. 대략 결정체가 되면 0, 비결정체일 때 1이라고 생각하면 된다.

P램은 DVD의 원리를 응용한 것이다. DVD는 빛을 쬐어주면 결정이 됐다가 비결정이 됐다가 하는 물질을 사용해 정보를 기록하고 읽어낸다. 사실 P램은 DVD의 이치를 응용했을 뿐만 아니라 쓰는 물질도 같다. 다만 DVD는 빛을 이용해 물질의 구조를 결정에서 비결정으로 바꿔주는 반면, P램은 전기를 이용한다는 점이 다르다. 전기를 쓰는 이유는 그렇게 해야 훨씬 미세한 메모리를 만들 수 있기 때문이다. 그렇지 않고 빛을 사용한다면 현재 DVD급의 집적도밖에 얻을 수 없다. 어른 손바닥보다 큰 DVD에 보통 4.7GB 정도를 담을 수 있으니, 이런 방식으로는 모바일 기기에 적절한 메모리를 만들 수 없다.

P램은 차세대 메모리 중 개발이 가장 많이 진척된 제품이다. 삼성전자가 지난해 4월 512M P램 양산에 성공했을 정도다. 이미 일부 휴대전화 단말기에 쓰이고 있다. 전력 소모는 적지만 아직 속도는 D램에 비해 크게 떨어진다.

F(Ferroelectric Material)램과 R(Resistive)램

F램은 D램과 유사 … R램은 내구성이 100만배


F램은 기본적으로 D램과 유사하다. D램에서 언급한 충전지에 ‘강유전체(ferroelectric)’라 불리는 물질을 쓴다는 게 차이점이다. 강유전체를 쓰면 잘 방전이 되지 않는다. D램처럼 계속 충전을 하기 위해 전력을 공급해주지 않아도 된다는 소리다.

따라서 전기 소모는 적다. 하지만 속도가 문제다. D램과 비슷한 정도다. 기본적인 동작 방식이 같아서다. 물론 이것만으로도 현재 개발 중인 차세대 메모리 중에 가장 빠른 속도를 자랑할 수 있다. 그러나 CPU의 역량을 100% 발휘하기 위해 더 빠른 속도가 필요하다는 점에서는 별로 반길 만한 특성이 아니다. ‘개선 가능성’이 적은 것이다.

R램은 전기 저항(resistance)의 변화를 이용한 것. 전류를 흘려주면 저항 값이 바뀌는 물질을 이용한다. 예컨대 저항이 크면 1을 나타내고, 작으면 0이 된다.

R램과 관련, 최근 삼성전자는 획기적인 기술을 개발했다. 기존의 플래시 메모리보다 100만 배나 내구성이 높은 R램 구조를 설계한 것. 이 R램은 읽고 쓰기를 1조 번 되풀이해도 아무런 이상이 없다. 데이터를 기록하기 위해, 다시 말해 저항치를 바꾸기 위해 흘려주는 전류의 양도 줄였다. 이 구조를 사용하면 집적도도 높아진다. 집적도가 높아진다는 것은 그만큼 작고 싼 메모리를 만들 수 있다는 뜻이다. 삼성전자의 이 같은 연구 결과는 지난달 세계적 권위를 지닌 학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 인터넷판에 실렸다
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