반도체는 부품이다. 부품은 그 자체로 쓰이지 못하고 어떤 제품(시스템 혹은 세트) 내에서 사용된다. 시스템이 추구하는 바가 그 부품인 반도체의 탄생과 발전을 가져왔고, 앞으로 나올 새로운 시스템은 반도체의 변화를 요구하고 있다. 본 연재에서는 반도체를 시스템과 연결해 설명하며 과거와 미래, 앞으로의 발전 방향에 관해 7편에 걸쳐 이야기하고자 한다. (필자 주)

지난 글에서 메모리의 역사, 반도체 메모리의 탄생과 발전에 대해서 이야기했다. 이번 글에서는 메모리의 계층 구조와 새로운 메모리 소자의 탄생 조건에 대해 이야기해 보도록 하겠다.

최상의 컴퓨팅 성능을 위한 ‘메모리 계층 구조’의 탄생

폰노이만 구조의 컴퓨팅 시스템에서 쓰이는 메모리는 기술 발전에 따라 주메모리와 보조저장장치로 분화되었다. ‘반도체 램(Random Access Memory, RAM)’이 나오기 전까지는 ‘자기 코어 메모리’가 초기 형태의 램, 즉 주메모리였다고 전편에서 이야기했다. 임의 접근(Random Access)을 통해 데이터에 접근하는 시간이 줄어들면서 메모리 속도는 점차 향상됐는데, 이후 반도체 집적 공정을 이용한 메모리(S램, D램 등)가 나오면서 메모리 접근 시간이 획기적으로 빨라졌다.

이를 통해 CPU에서 직접 데이터를 불러 쓰고 속도가 빠른 ‘주메모리’와 장기 데이터 저장을 위해 속도는 느리지만, 저렴하고 저장 용량이 큰 ‘보조저장장치’로 구분되었다. 이전에 나왔던 메모리 장치, 예컨대 자기테이프, 자기 드라이브(하드 디스크 드라이브 또는 플로피 디스크) 등은 각 특성에 맞는 보조저장장치로 역할을 한정하며 발전했다. 그중 주 저장매체였던 하드디스크(HDD)와 이동식 저장매체였던 플로피 디스크는 낸드플래시(NAND flash)에 자리를 내주며 사라지게 된다.

폰노이만 구조에서 ‘산술과 제어를 담당하는 CPU’와 ‘데이터와 프로그램을 저장하는 메모리’는 독립적으로 되어 있다. CPU가 구동하기 위해서는 프로그램과 데이터를 메모리로부터 가져와야 한다. 그 정보들은 CPU와 메모리 사이를 연결하는 통로인 버스(BUS)를 통해 순차적으로 전달된다.

많은 정보가 CPU로부터 요청되면 CPU와 메모리 사이의 통로는 필연적으로 붐비게 된다. CPU의 처리 속도가 빠르다면 다음에 처리해야 할 데이터가 메모리에서 도달하지 못해 CPU가 대기하는 상황이 발생한다. 이것을 ‘폰노이만 병목 현상(Bottle Neck)’이라고 한다.

이 병목 현상은 CPU 처리 속도가 빨라지면 빨라질수록 악화될 수밖에 없다. CPU 속도는 소자 미세화를 통해 매우 빠르게 향상됐다. 하지만 컴퓨팅 속도를 높이기 위해서는 CPU 속도만 높여서 해결할 수 없는 상황이다. 이에 맞게 메모리의 접근 속도와 ‘폰노이만 병목 현상’을 완화하기 위한 방법도 필요해졌다.

바로 데이터 사용 빈도와 접근 시간에 따라 메모리를 세분화해 관리하는 것이다. 메모리를 다층으로 구성한 후 자주 쓰는 데이터를 미리 가져와 가까이 두고 쓰는 방법이다. 현재 컴퓨터에서 사용되고 있는 메모리는 다음과 같이 구성되어 있다.

이것을 메모리 계층 구조(Memory Hierarchy)라고 부른다. 컴퓨터 시스템에서 데이터와 명령어를 저장하고 접근하는 데 사용되는 여러 종류의 메모리를 일정한 계층 구조로 조직화하여 데이터 처리 속도와 용량, 비용 등을 최적화하도록 한 것이다. 이를 통해 적당한 비용으로 전체 시스템의 성능을 최고로 만드는 것이다.

현재 컴퓨터 시스템 메모리 계층 구조의 세부 내용은 다음과 같이 설명된다.

– 레지스터(Register): CPU가 처리해야 할 데이터를 저장하는 곳은 아니고, CPU에서 필요한 명령어 실행 및 연산 관련 데이터를 저장하는 곳이다. CPU 내부에 위치하며, 로직 공정으로 CPU와 함께 만들어진다. 매우 작은 용량으로 데이터를 빠르게 읽고 쓸 수 있는 메모리이며, 주로 S램을 사용한다.

– 캐시 메모리(Cache Memory): 자주 액세스하는 데이터와 명령어를 저장해 전체 속도를 높이고, 이를 통해 주메모리 램과 CPU의 속도 차이를 줄이는 메모리다. 레지스터와 마찬가지로 S램으로 만들어지며 CPU와 함께 제작되는 경우가 많다. 접근 빈도와 용량에 따라 L1, L2, L3 캐시로 분화되어 만들어진다.

– 주메모리(Main Memory): 주기억장치로, 일반적으로 램(RAM)을 의미하며, 대부분 D램을 사용한다. 캐시보다는 느리지만, 더 큰 용량을 가지고 있다. 단독으로 만들어져 판매되며 프로그램과 데이터가 실행될 때, CPU가 직접 접근해 읽고 쓸 수 있다.

– 보조저장장치(Secondary Storage): 하드 디스크(Hard Disk Drive,HDD), SSD(Solid State Drive) 등이 포함된다. 주기억장치보다 더 느리지만 더 큰 용량을 가진다. 영구적으로 데이터를 저장하고, 전원이 꺼져도 데이터가 보존된다.

데이터를 책으로 비유하자면 하드디스크와 같은 보조저장장치는 지역의 도서관, 주메모리는 내 방의 책장, 캐시는 내 책상 위 정도로 말할 수 있다. 내 방 안에 도서관을 지으려면 엄청난 비용이 들 것이다. 또 필요한 책을 찾기 위해 매번 도서관을 다녀올 수는 없다. 적당하게 분배하여 최적의 비용으로 빠르게 작동하도록 구현 방법을 만들어 낸 것이다.

메모리 계층 구조의 위로 갈수록 용량은 작지만, 속도는 더 빨라진다. CPU에 더 자주 쓰이는 데이터를 상부의 빠른 메모리에 끌어올려 놓아서 접근하는 시간을 줄이는 것이다.

각각에 맞는 메모리 소자를 조합하기 위해선 우리가 현재 생산하고 있는 소자들의 특성을 볼 필요가 있다. 현재 반도체 집적 공정을 통해 만들어지는 메모리는 크게 네 가지다. S램, D램, 낸드 그리고 매우 작은 양이지만, 상변화 물질(Phase Change Material)을 이용한 PCM이다. PCM은 뒤에 다루기로 하고 다른 세 메모리의 특성을 정리하면 아래 표와 같다.

속도와 내구성이 좋은 S램으로 모든 메모리를 구성하면 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 S램의 가격은 매우 비싸기에 효용성은 떨어진다. 그러므로 각각의 특성을 고려하여 S램, D램, 낸드를 CPU 내장 캐시 메모리, 주메모리, 대용량 보조저장장치(USB, SSD)로 쓰는 것이 비용과 성능을 최적화할 수 있는 방법이다.

새로운 메모리 소자의 가능성을 논의하려면, 메모리 계층 구조도 함께 고민해야 한다. 접근 시간, 집적도, 가격(면적, 제조단가) 등을 고려해 어떤 계층 구조에서 사용되는 것이 적절한지 검토해야 한다. 가격이 저렴하고, 집적도도 높고, 접근 시간도 빠른 소자가 나온다면 전체를 하나로 통합한 범용 메모리(Universal Memory)*처럼 새로운 메모리 계층 구조도 가능할 것이다.

새로운 메모리 소자의 가능성

최근까지 연구 중인 메모리 소자 후보군에 관해 이야기해 보자. 기존 D램, 낸드 소자는 전하 캐리어*를 담아 전압이나 채널의 전도도에 변화를 주는 정전용량(Capacitance)을 이용하는 형태다. 반면 현재 연구되는 새 메모리 소자는 물질의 저항(Resistance) 변화로 정보를 저장하는 형태다.

가장 최근 제품화된 PCM(Phase Change Memory, 상변화 메모리)은 결정상과 비정질상*의 저항이 달라지는 칼코제나이드(Chalcogenide)* 물질의 특성을 이용해 만든 메모리다. 이 메모리의 개발과 현재 상황을 본다면 새로운 메모리 소자의 가능성을 가늠하는 좋은 시금석이 될 것이다.

PCM을 이루는 소재는 전류가 흘러서 발생하는 발열과 냉각에 따라 결정상 · 비정질상으로 바뀐다. 상이 바뀌면 물질의 저항도 바뀐다. PCM은 이 차이를 이용해 0과 1의 이진 정보를 저장하며, 고저항 상태와 저저항 상태로 변화시킬 수 있는 물질을 가로 배선과 세로 배선 사이의 접점에 넣어 집적한 형태로 제작된다.

PCM의 일종인 인텔 옵테인 메모리(Optane Memory)는 기존 낸드와 비교하면 속도가 1,000배 더 빠르고, 내구성이 1,000배 더 뛰어나다고 한다. 또한, D램보다 10배 높은 집적도를 가졌다고 알려졌다. 그래서 D램 대비 용량을 크게 높이고, 같은 비휘발성인 낸드보다 빠른 것을 장점으로 내세운다.

옵테인 메모리는 SSD와 함께 쓰이며, D램과 대비되는 비휘발성 특성을 이용해 사용자가 파일을 더 빠르게 검색하거나 소프트웨어를 빠르게 시작할 수 있도록 한다. 또, SSD 앞에 배치되어 데이터 구조를 최적화하여 저장해 병목 현상을 해결하는 데 도움을 주었다.

이러한 강점에도 불구하고 인텔은 지난 2022년 옵테인 메모리 사업을 중단했고, PCM의 시장 진입은 실패한 것으로 보인다. 새로운 메모리를 현재의 시스템에 넣어 활용하려면 현재의 D램과 같이 쓸 수 있도록 새로운 소프트웨어를 개발해야 한다. 이러한 부가적인 일과 비용 상승을 감내할 만한 시스템 성능의 향상이 있어야 하는데, 들어가는 비용과 노력에 비해 매력적이지 않은 것이 사업 중단의 이유다.

PCM 이외에도 저항의 차이를 이용하는 메모리 소자, Re램(Resistive Memory)이 많이 연구되고 있다. Re램은 여러 가지 방식이 있다. 그중 절연막 내부에 전기가 통하는 길을, 전기장을 활용해 만들었다 없애는 방법으로 메모리 소자를 제작하는 방식이 대표적이다. 전기가 통하는 길은 강한 전기장에 의해 옥사이드(Oxide, 주로 HfO2 계열 산화막)의 본딩(Bonding)이 손상되며 생길 수도 있고 또는 실제 금속 이온(Ag, Ni, Cu 등)이 움직여 만들어질 수도 있다. 이러한 특성의 Re램은 3D 적층에 유리하여 낸드 분야에서 특히 주목하고 있다.

또한 강자성(Ferromagnetic) 막을 이용해 자화되는 스핀(Spin)의 정렬 방향에 따라 저항이 달라지는 현상을 이용하여 메모리를 만들기도 한다. 이러한 메모리를 STT-M램(Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)이라고 부른다. STT-M램은 위에 소개한 Re램에 비해 속도가 빨라서 D램을 대체하는 제품으로 만들기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다.

최근 가장 많이 연구되는 메모리 소자는 하프늄옥사이드(HfO2)에서 발견된 강유전체(Ferroelectric) 특성을 이용한 것이다. HfO2는 이미 MOSFET의 게이트 절연막에 고유전율 산화막으로 사용하고 있어 매우 친숙한 물질이다. 그런데 우연히 이 물질이 특정 조건의 열처리를 통해 강유전막이 되는 사실이 발견됐다. 이를 활용해 강유전 쌍극자(Dipole)*의 방향을 바꿔 저항을 다르게 하는 강유전체 터널 접합 소자(Ferroelectric Tunneling Junction, FTJ)를 만들어서 저항 변화 메모리로 사용하거나 MOSFET의 게이트(Gate) 산화막 대신에 넣어 플로팅 게이트 메모리(Floating Gate Memory)와 같이 소자의 문턱전압(Vt)*을 바꾸는 형태로 메모리 소자(Ferroelectric Field-Effect Transistor, FeFET)를 만드는 연구가 진행 중이다.

새로운 메모리 소자가 대중화되기 위한 조건

이외에도 다양한 새로운 메모리 소자가 연구되고 있다. 그러나 알아야 할 것은 이러한 새 소자가 기존 소자를 대체하기 위해선 많은 까다로운 조건을 만족해야 한다는 것이다.

대표적으로 현재의 반도체 집적 공정을 통해 공정이 가능해야 하며, 사용하는 물질도 적합해야 한다. 반도체 산업은 복잡한 공정 과정 때문에 새로운 물질을 도입하는 것에 보수적이다. 만들어지는 소자에 문제가 발생하면 입는 피해가 수백억이 쉽게 넘어가는 현실에서 당연한 이야기다.

그러기에 새로운 메모리 소자는 지금 사용 중인 소자를 넘어 성능 향상을 가져올 수 있는 잠재력을 증명해야 한다. 성능뿐 아니라 집적도, 전력, 비용 등 많은 부분이 현재 소자를 월등히 능가할 수 있는 가능성이 있어야 한다.

또, 중요한 것은 메모리 소자의 균일성(Uniformity)과 신뢰성(Reliability)이다. 많은 새로운 메모리 후보가 이 장벽을 넘지 못해 실제 양산에 쓰이지 못하고 있다. 각각의 메모리 셀이 아무리 우수한 성능을 보여도 300㎜ 웨이퍼 전체에서 성능 차이가 크면 메모리 소자로 쓰기 어렵다. 또 메모리는 특성상 쓰고 지우기를 반복할 수밖에 없다. 이렇게 쓰고 지우기를 반복하거나(Endurance) 오랜 시간 정보를 저장하고 있을 때(Retention) 특성이 열화되면 제품에 쓸 수가 없다.

현재까지 제안된 많은 후보군 중 이 장벽을 넘어서 가능성을 보이는 메모리 소자는 많지 않다. 가장 큰 이유는 현재 우리가 사용하는 메모리 소자의 기술이 너무 빨리 발전하여 장벽을 더욱 높이고 있기 때문이다.

새로운 메모리 기술이 기존 메모리를 대체하기 위해서는 현 상황에서는 더 많은 연구와 시간이 필요해 보인다. 혁신적인 형태와 물질, 그리고 새로운 메모리 소자 구조에 대한 제안과 연구가 필요한 시점이다.

※ 본 칼럼은 반도체에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체를 이해하기 위해서는 산업과 시스템 전체를 바라볼 필요가 있다. 뉴스룸은 지난 20년간 반도체 소자를 연구하고 있는 인하대학교 신소재공학과 최리노 교수를 통해 반도체 시스템과 소자의 관계 및 발전사를 소개한다. 총 7편으로 구성된 이번 시리즈는 반도체의 개념과 앞으로의 발전 방향을 이해하는 데 많은 도움이 될 것이다.
 
이 칼럼 시리즈는 『최리노의 한 권으로 끝내는 반도체 이야기』의 일부를 발췌하여 정리했다. 이 책은 반도체 역사부터 시스템과 소자의 발전까지 폭넓게 다루며 반도체 산업 및 시스템 전반을 소개하고 있다.

반도체는 부품이다. 부품은 그 자체로 쓰이지 못하고 어떤 제품(시스템 혹은 세트) 내에서 사용된다. 시스템이 추구하는 바가 그 부품인 반도체의 탄생과 발전을 가져왔고, 앞으로 나올 새로운 시스템은 반도체의 변화를 요구하고 있다. 본 연재에서는 반도체를 시스템과 연결해 설명하며 과거와 미래, 앞으로의 발전 방향에 관해 7편에 걸쳐 이야기하고자 한다. (필자 주)

컴퓨터를 만들기 위해 제안된 폰노이만 구조(아키텍처)는 ▲연산과 제어를 담당하는 로직 회로와 ▲데이터와 소프트웨어를 저장하는 메모리로 나뉜다. 1945년 제안된 이 구조로 컴퓨터를 만들기 위해서는 데이터나 소프트웨어를 저장했다가 로직 회로 CPU에 돌려줄 메모리는 단독으로 만들어져야 했다.

지난 편 로직 회로를 살펴본 것에 이어 이번 연재에서는 메모리 반도체의 발전사를 들여다보도록 하겠다.

수은과 자성체’에 데이터 담다, 반도체 소자 이전의 시대

메모리는 정보를 2진수로 바꾸어 0과 1의 상태로 기록해 보관하는 저장 장치다. 두 가지(0 혹은 1) 명확한 상태를 안정적으로 가질 수 있다면 무엇이든 메모리가 될 수 있다. 물의 높낮이, 주판알의 위치 등도 일종의 메모리다. 메모리는 두 가지 안정된 상태를 전기(電氣)적으로 기록하고(Write), 읽을(Read) 수 있어야 한다. 또 필요 없어진 데이터를 지워서(Erase) 다시 사용할 수 있게 만든다면 더욱 좋을 것이다.

많은 사람이 메모리를 이야기하면 반도체 칩을 생각한다. 그러나 폰노이만 구조가 제안된 1945년은 반도체 소자가 발명되기 전이었다. 로직 회로에서 반도체 소자 이전에 진공관 소자를 사용했듯 메모리에도 반도체 소자가 아닌 다른 소자가 사용됐다. 폰노이만 구조의 초창기 컴퓨터였던 EDSAC(1949년)과 EDVAC(1951년)은 ‘수은 지연 메모리(Mercury Delay Line Memory)’를 사용했다.

▲ 수은 지연 메모리(Mercury Delay Line Memory) 실물 이미지(출처. Wikipedia)

이 메모리는 수은으로 채워진 튜브로 만들어졌다. 튜브의 한끝에 전기 신호를 소리 파장으로 만들 수 있는 변환기(Transducer)를 달아 놓았다. 이것으로 소리 파장을 만들어 수은 안으로 보내는 것이다. 반대쪽 출력 단에도 변환기가 달려 있었다. 그래서 소리 파장이 이곳에 도달하면 파장을 다시 전기 신호로 바꾼다. 이를 다시 입력 단에 넣어주어 계속 회전하는 방식으로 데이터를 저장하는 것이다. 수은 속에서 다른 파형을 가진 일정량의 파장들이 계속 돌고 있는 튜브라고 생각하면 된다. EDSAC과 EDVAC은 각각 512단어와 1,000단어를 기억하는 메모리를 갖고 있었다.

이외에 자성 물질을 이용한 메모리도 사용됐다. ‘자기 드럼 메모리(Magnetic Drum Memory)’는 원통형 드럼에 자기적인 표면을 가진 구조였다. 이 드럼은 고속으로 회전하며 표면에 자기 트랙을 형성했다. 자기적 펄스를 이용해 자기 드럼의 특정 위치를 자화시켜 데이터를 저장했다. 읽을 때는 반대로 그 위치의 자기 신호를 읽어 복원하는 형태였다. 이 메모리는 회전해야 하므로 실행 시간이 길었으며 기계적인 요인으로 소음과 고장이 발생하는 단점이 있었다.

▲ 자기 코어 메모리(Magnetic Core Memory) 실물 이미지(출처. Wikipedia)

이러한 메모리들은 1951년 실용화된 자기 코어 메모리(Magnetic Core Memory)에 밀려 사라지게 된다. 중국계 미국인 안왕(An Wang)은 작은 페라이트(Ferrite)* 자성체로 된 고리에 케이블이 통과하는 모양의 격자 구조를 만들어 메모리로 사용할 수 있게 했다. 이는 데이터 비트를 저장하기 위해 사용되는 행과 열의 격자 구조로 이루어졌는데, 그림과 같이 전기 케이블이 마치 씨줄 · 날줄처럼 엮인 격자의 교차점에 ‘코어’라 불리는 작은 자성 재료를 배치했다. 전기 케이블에 전류를 흘려 자기 유도를 발생시키고, 코어의 자기장을 통해 데이터를 저장했다.

자세히 이야기하자면, 선택된 코어에 전류를 흘려 특정한 방향으로 자기장을 생성해 상태를 변경한다. 이러한 방식으로 코어의 자기장 상태를 변경해 ‘1’ 또는 ‘0’을 표현한다. 데이터를 읽기 위해서는 선택된 코어 주위에 전류를 흘려 현재의 자기장 상태를 감지한다.

자기 코어 메모리는 초기 형태의 램(Random Access Memory, RAM)이라 할 수 있다. 셀의 전압 정보를 읽어오는 데 위치와 관계없이 동일한 시간이 소요됐다.

자기 코어 메모리의 다른 특징은 전기를 차단해도 데이터가 날아가지 않는 비휘발성(Non-Volatile) 메모리였다. 또한, 내구성이 뛰어나고 소비 전력이 적었으며, 자성체 고리 코어를 많이 만들어 넣을수록 용량을 높일 수 있다는 장점이 있었다. 현재의 메모리 반도체와 같이 미세화(스케일링)를 통한 용량 증대도 가능했다. 작고 용량이 커지면 비싸게 팔리므로, 사람들은 자성체 고리를 매우 작게 만들고 많은 수를 집어넣어 용량을 높이려고 노력했다. 이러한 특징으로 자기 코어 메모리는 반도체 소자 메모리가 발명된 이후에도 1970년대까지 가격 경쟁력에서 앞서며 가장 보편적인 메모리로 사용되었다.

반도체 소자 ‘트랜지스터’가 불러온 변화, 캐시 메모리 S램(SRAM)의 탄생

반도체 소자를 사용한 메모리는 1961년 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments, TI)에서 처음 개발되었다. 냉전 시대였던 1960년대는 군수 산업과 우주 산업이 기술 발전을 이끌고 있었다. 일반 전자 시장에서 팔 수 없을 정도로 가격이 비싼 제품도 기꺼이 구매해 주었으므로 기술의 급격한 발전이 이루어질 수 있었다.

TI는 미 공군에서 사용할 안정된 메모리를 만들기 위해 반도체 소자로 메모리를 개발했다. 이때의 메모리는 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)를 사용했는데[관련기사], 집적회로 형태로 만들어진 것은 아니었다.

당시 메모리 반도체는 집적회로가 아니었으므로 크기를 작게 하는 데 어려움이 있었고, 또 휘발성(Volatile) 메모리로 비휘발성 제품인 기존 자기 코어 메모리 대비 장점이 없었다. 그래서 처음에는 크게 주목받지 못하다가 집적회로(IC, Integrated Circuit)가 발명되고 소자 미세화가 가능해지면서 다시 주목받았다. 1970년대에 들어서면서 메모리 반도체는 소자 미세화로 고집적화가 이뤄졌고, 가격 경쟁력에서 자기 코어 메모리를 앞서게 된다. 이후는 알다시피 메모리 대부분을 반도체 소자를 이용해 만들게 된다.

1960년 벨 연구소 강대원 박사가 발명한 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 로직 반도체에만 변화를 준 것은 아니다. 이 MOSFET을 사용한 메모리 반도체도 출현했다. 1964년 페어차일드반도체사(Fairchild Semiconductor Inc.)의 존 슈미트(John Schmidt)는 MOSFET 소자로 이루어진 메모리를 처음으로 만든다. 이 메모리는 S램(Static Random Access Memory, SRAM)이었다. S램의 정보 1비트(bit)를 저장하는 최소 단위 셀은 두 개의 인버터 입력과 출력이 서로 연결된 형태로 만들어진다. 인버터는 지난 글에서 소개했듯 0과 1의 신호를 거꾸로 나오게 하는 회로다.

S램의 작동 원리는 다음과 같다. 위 그림 [작동 원리]에서 가 0이면 [인버터1]에 의해 Q는 1이 된다. 그러면 [인버터2]에 의해 는 다시 0이 되어 순환한다. 만약 왼쪽 가 1이면 [인버터1]에 의해 Q는 0이 된다. 그러면 [인버터2]에 의해 는 다시 1이 되어 순환하게 된다. 그렇게 Q가 0이 되는 상태와 1이 되는 상태의 두 가지 안정된 상태를 가질 수 있게 되어 메모리 셀로 사용할 수 있는 것이다.

[단위 셀 구조] 그림에서 셀을 읽을 수 있도록 열어주는 Word Line(M5, M6의 게이트에 연결된 WL)이 선택되면 Bit Line(BL)을 통해 셀에 정보를 쓰거나 읽을 수 있게 되는 것이다. S램은 기본적으로 많은 수의 스위치 소자를 쓸 수밖에 없었다. CMOS로 구현할 경우는 두 개의 인버터를 만드는 데 각각 두 개의 nMOSFET, pMOSFET이 필요하다. 그리고 입구를 막아주는 두 개의 nMOSFET을 합하여 총 여섯 개의 MOSFET이 하나의 단위 셀을 만드는 데 필요했다.

전기적으로 전달되는 신호이므로 메모리를 읽고 쓰는 속도는 전자의 속도만큼 매우 빠르다. 또한, MOSFET으로만 이루어지므로 CMOS 기술로 로직 CPU를 만들면서 다른 공정 없이 동시에 만들 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 S램은 주메모리로 사용되지 않았다. 치명적인 약점이 있기 때문이다. S램의 경우 한 개의 Bit Cell을 만들기 위해 6개의 MOSFET이 필요한데, 이렇게 많은 스위치 소자는 넓은 면적이 필요하다.

또, 인버터를 사용하는 특성상 nMOSFET과 pMOSFET의 문턱전압(Threshold Voltage)* 아래에서 흐르는 작은 전류(Sub Threshold Current)가 Power로부터 두 MOSFET을 거쳐 Ground로 흐른다. 이 때문에 전력 소모가 발생하는데 이로 인해 고정 전력 소실(Static Power Dissipation)이 생긴다. 이 전력 소모는 칩의 온도가 올라갈수록 더욱 커진다. 이러한 면적과 전력 소모의 약점 때문에 S램은 작은 용량이지만 더 빠르게 읽고 쓰기가 필요한 레지스터 파일(Register File)이나 캐시 메모리(Cache)로 한정되어 사용되고 있다.

데이터를 담는 그릇 ‘캐퍼시터’의 등장, 그리고 주메모리 D램(DRAM)의 탄생

주메모리로 사용하기 위해 면적을 줄이고 개발된 제품이 D램(Dynamic RAM, DRAM)이다.

캐퍼시터(Capacitor)에 전하가 채워져 있는지 비어 있는지, 두 상태를 이용해 정보를 저장하는 D램은 그림 왼쪽처럼 한 개의 캐퍼시터와 한 개의 트랜지스터로 단위 셀을 구성한다. 캐퍼시터에 저장된 전하는 차츰 새어나가서 저장된 정보가 없어지는 단점이 있다. 그래서 주기적으로 전하를 보충해 정보가 없어지지 않도록 다시 저장을 해주어야 한다. 이러한 동작을 리프레시(Refresh)라고 한다. S램이나 D램 모두 휘발성 메모리다. 그러나 전기가 들어와 있는 동안은 계속 정보를 유지하고 있는 S램과는 다르게 D램은 계속 주기적으로 리프레시 해주지 않으면 정보가 사라진다. 그래서 다이내믹(Dynamic)이라는 수식어가 붙었다.

이 D램의 특허는 소자 미세화 법칙인 ‘데나드(Dennard)의 법칙’을 만든 IBM의 로버트 데나드(Robert Dennard)에 의해서 1966년 출원됐다. D램은 S램에 비해서 정보를 쓰고 읽는 데 약간 느리지만, 훨씬 단순한 구조여서 같은 면적에 많은 셀을 집어넣을 수 있었다. 이러한 집적도의 장점으로 현재까지도 가장 중요한 메모리로 사용되고 있다.

S램이 주로 캐시로 사용되는 데 반해 D램은 별도의 위치에서 CPU와 통신하는 주메모리 역할을 한다. 빠른 컴퓨터에 대한 요구는 CPU의 속도 증대뿐만 아니라 주메모리 용량의 증대도 요구된다.

메모리 용랑 증대는 온전히 소자 미세화에 의존했다. 반도체 집적 공정 기술의 발전은 놀라울 만큼 엄청난 속도로 메모리 용량을 증대시켰다. D램 역시 셀당 면적을 지속해서 줄이며 용량을 키워갔다. 그러나 셀 면적의 감소는 캐퍼시터의 용량 감소를 동반한다. 물통이 작아지면 그 안에 물이 있는지 없는지를 알기 힘든 것과 같이 캐퍼시터 용량은 일정 수준 이상으로 커야 한다.

이러한 모순은 점점 커졌고, 1980년대 4M D램을 개발하면서 이를 해결하기 위해 3차원 형태로 캐퍼시터 면적을 넓히는 아이디어가 제시된다. 땅을 파고 들어가는 트렌치(Trench)형 구조와 탑을 쌓는 스택(Stack)형 구조가 그것이다. 많은 D램 기업은 두 아이디어 중 하나를 선택해 개발했고 결국 승자는 추후 스케일링과 불량 검증에 유리한 스택형 구조로 발전했다.

데이터를 붙잡는 Floating Gate의 발견과 비휘발성 플래시 메모리의 탄생

강대원 박사가 이룬 또 하나의 업적인 Floating Gate(이하 플로팅 게이트)* MOSFET도 메모리로 시장에 나온다. 1967년 사이먼 지(Simon M. Sze) 박사와 함께 발명한 플로팅 게이트 MOSFET은 MOSFET 구조에 금속 전극층(Floating Gate)을 한 겹 더 삽입해 넣은 형태다.

위쪽 컨트롤 게이트에 높은 전압을 가하면 채널에 모인 전하 캐리어가 아래쪽 산화막을 뚫고 들어와 플로팅 게이트에 저장된다. 플로팅 게이트에 모인 전하 캐리어의 양에 따라 트랜지스터가 켜지고 꺼지는 기준인 문턱전압이 변한다. 플로팅 게이트에 저장된 전하 캐리어는 전기를 꺼도 산화막의 에너지 베리어(Energy Barrier) 때문에 채널로 돌아가지 못하고 머물러 있으므로 전기가 없는 상태로도 정보를 저장하는 비휘발성(Non-Volatile) 메모리가 되는 것이다.

플로팅 게이트 MOSFET은 EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory)이나 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 등과 같이 컴퓨터가 꺼졌을 때도 데이터를 저장하는 매체로 처음 사용되었다. 1980년 일본 도시바에서 이 소자를 응용해 플래시 메모리(Flash Memory)라는 제품을 출시하며 커다란 시장을 형성하게 된다. 이는 같은 셀에 여러 차례 정보를 저장했다가 지웠다 할 수 있는 제품이었다.

플래시 메모리는 읽고 쓰는 데 시간이 오래 걸리는 느린 메모리다. 그러나 비휘발성이면서 MOSFET과 동일하게 생겨 소자 미세화에 가장 유리하여, 매우 싸게 큰 용량을 만들 수 있다는 장점이 있다. 이 플래시 메모리는 2000년대 휴대폰, 디지털카메라 등 다양한 모바일 기기가 나오면서 폭발적인 수요가 생긴다. 요즘은 컴퓨터의 하드디스크 드라이브 대신 사용하는 SSD(Solid State Drive), 이동식 USB 드라이브, SD 카드 등 다양한 곳에 사용되고 있다.

하지만 싼 가격으로 용량을 크게 늘리는 것이 장점인 플래시 메모리는 가장 빠르게 미세화의 한계에 도달하게 된다. 크기가 작아지면서 소자 간의 간섭이 심해진 것이다. 또, 지속하여 미세화하기 위해선 포토 공정의 EUV(Extreme Ultraviolet)* 같은 기술이 적용해야 하고 이 장비는 매우 높은 비용이 요구된다. 이는 가격을 가장 큰 경쟁력으로 삼고 있는 플래시 메모리의 선택지에는 없었다.

그래서 선택한 것이 트랜지스터를 3차원으로 쌓아 올리는 것이었다. 3D 낸드 플래시(NAND Flash)는 현재 200단 이상 적층되며 용량이 늘었고, D램과 함께 메모리 시장의 양대 산맥 중 하나로 중요한 부분을 차지하는 제품이 되었다.

한편, D램과 마찬가지로 현재 플래시 메모리 역시 우리나라 기업이 시장 점유율 절반 이상을 차지하고 있을 만큼 시장을 선도하고 있다. 플로팅 게이트 MOSFET을 계승한 기술, 즉 질화물(Nitride)층을 이용한 차지 트랩 플래시(Charge Trapped Flash, CTF) 메모리* 기술을 비롯해 3D 낸드 기술도 국내에서 최초로 상용화하는 등 플래시 메모리는 우리나라와 인연이 깊은 제품이다.

지금까지 메모리 반도체의 시작부터 현재까지 발전 과정을 살펴봤다. 다음 연재에서는 새로운 메모리의 등장 가능성을 짚어보도록 하겠다.

※ 본 칼럼은 반도체에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

이 칼럼 시리즈는 『최리노의 한 권으로 끝내는 반도체 이야기』의 일부를 발췌하여 정리했다. 이 책은 반도체 역사부터 시스템과 소자의 발전까지 폭넓게 다루며 반도체 산업 및 시스템 전반을 소개하고 있다.

반도체는 부품이다. 부품은 그 자체로 쓰이지 못하고 어떤 제품(세트 또는 시스템) 내에서 사용된다. 그 제품이 추구하는 바는 반도체의 탄생과 발전을 가져왔고, 앞으로 나올 새로운 제품은 반도체의 성장과 변화를 요구하고 있다. 본 연재에서는 반도체를 시스템과 연결해 설명하며 과거와 현재, 미래의 발전 방향에 관해 7편에 걸쳐 이야기하고자 한다. (필자 주)

지난 편[관련기사]에서 반도체는 폰노이만 구조 기반 시스템에 쓰이는 부품으로 활용도가 생기며 엄청난 발전을 이뤘다고 이야기한 바 있다. 이후 연산과 제어를 담당하는 로직(Logic, 논리) 회로와 데이터 등 정보를 저장하는 메모리(Memory)로 나뉘게 되었고, 로직 회로는 스위치를 가지고 0과 1로 된 논리 함수 ‘부울대수*’를 푸는 것이란 이야기를 하기도 했다.

이번 편에서는 로직과 메모리에 관해 조금 더 자세히 들여다보고자 한다. 이들 반도체가 어떠한 형태로 발전했고, 어떤 변화를 가져왔는지 살펴보자.

* 부울대수 : 수치로서 0과 1을 표현하는 것이 아닌 논리 회로 이진 값으로 연산을 대신 하는 수

로직 회로는 어떻게 만들어질까?

먼저 로직 회로가 어떻게 만들어지는지 알아보고, 다음으로 이 회로를 구현하는 소자 스위치가 어떻게 발전했는지 차근차근 살펴보도록 하겠다. 우선 로직 회로의 설계 과정을 설명하자면, 아래와 같다.

① 입력(Input)과 출력(Output)을 정한다
② 진리표를 만든다
③ 이 진리표가 가능하도록 부울대수로 표현한다
④ 회로로 구성한다

예를 들어 숫자의 덧셈을 푸는 회로를 만들어 본다고 하자. 전기를 사용하는 전자 회로는 전기가 들어왔을 때와 안 들어왔을 때, 이렇게 두 가지 상태가 가장 명확하므로 2진법이 적합하다. 전압이 높을 때를 1, 낮을 때를 0으로 해서 구성하는 것이다.

▲ 1+1은 0이 되며 1이 윗자리 덧셈으로 올라간다. 1+1+1은 1이 되고 1이 윗자리 덧셈으로 올라간다.

이제 5와 7의 2진법 덧셈을 해보자. 5는 2진법으로 101이고, 7은 2진법으로 111이며, 이 둘의 합은 1100이다. 2진수 1100은 10진수 12이다.

이를 전자 장치로 계산하기 위해선 각 자릿수의 덧셈을 해주는 회로(가산기)를 구성해 직렬로 연결하면 된다. 이로써 많은 자릿수의 덧셈이 가능한 것이다. 다음으로 진리표*를 작성하고 AND, OR, NOT 등 논리 연산자*를 활용해 부울대수로 표현하면 전기적으로 푸는 로직 회로를 구성할 수 있다.

* 진리표 : 명제의 값이 참과 거짓인지 나타내는 진릿값을 연산할 때 각 명제 변수의 진릿값에 따라 출력(Out)되는 진릿값을 표로 나타낸 것. 예컨대 a(1)와 b(1)를 더하면 Out은 0이 되고, 1이 받아올림으로 올라가는 등의 값을 표로 그린 것
* 논리 연산자
논리부정(NOT, 상단 -) : 1 입력 시 0으로 출력, 0 입력 시 1로 출력
논리곱(AND, •) : 모든 입력이 1일 경우 출력이 1
논리합(OR, +) : 입력값 중 하나의 1이 있을 경우 출력도 1
배타적 논리합(XOR, eXclusive OR) : 두 명제가 같지 않을 때(1과 0)는 참(1) 값을 출력하고, 두 명제가 같을 때(0과 0, 1과 1)는 거짓(0) 값을 출력

로직 회로의 간단한 예로 AND의 경우 아래와 같이 스위치를 직렬로 연결하면 된다. A와 B가 모두 1(전기적으로 스위치를 켬)이 되면 Output도 1(전기가 흐름)이 된다. 두 스위치를 병렬로 연결하면 A와 B 중 어느 하나만 1이 되어도 Output이 1이 되는 OR가 된다.

이처럼 AND, OR, NOT, XOR 등 논리 연산자를 스위치로 구성하는 방법은 한 가지만 있는 것은 아니다. 여러 가지 다양한 구성 방법으로 가능하다.

로직 회로를 구현하는 반도체 소자, MOSFET의 탄생

이제부터는 위와 같은 스위치를 구현하는 반도체 소자가 어떻게 발전했는지 알아보도록 하자.

처음 사용되었던 진공관 소자 스위치는 차츰 반도체 소자로 대체됐다. 이에 따라 부피도 훨씬 작아지고 전기도 덜 먹으며 빠른 처리가 가능한 로직 회로를 만들 수 있게 됐다. 또 집적회로(IC)가 만들어지며 완전히 새로운 시대로 바뀌었다. 비교할 수 없을 만큼 많은 스위치를 상상도 할 수 없이 작은 공간에 넣을 수 있게 된 것이다. 이러한 소자 미세화는 소자 밀도를 높이는 것뿐 아니라 훨씬 빠른 스위치를 만들 수 있게 해줬다.

처음 스위치로 쓰인 반도체 소자는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor)*다. 1948년 처음 만들어진 BJT는 다수 캐리어(Majority Carrier)*가 전자인 n형 반도체와 다수 캐리어가 정공(Hole)*인 p형 반도체를 직렬로 연결하여, 이미터(Emitter)-베이스(Base)-컬렉터(Collector)*를 n형-p형-n형(npn)으로 구성하거나 p형-n형-p형(pnp)으로 만든 트랜지스터였다.

* 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor) : 3개의 불순물 반도체를 접합하여 전류의 흐름을 조정, 스위치 및 전류 값을 증폭시키는 소자
* 다수 캐리어(Majority Carrier) : 주로 전기를 나르는 전하 캐리어
* 정공(Hole) : 절연체나 반도체에서의 가전자대(채워진 전자대) 속의 전자가 빠져 있는 상태
* 이미터(Emitter)-베이스(Base)-컬렉터(Collector) : 입력 신호를 받는 전극의 한쪽을 이미터, 회로에서 출력되는 출력 신호를 수신하는 전극을 컬렉터, 이미터와 컬렉터 사이를 베이스라고 부름

이 BJT 소자는 기본적으로 전류를 제어해 스위칭한다. BJT는 높은 증폭 능력을 갖고 있고 노이즈가 적다. 하지만 전력 소모가 큰 단점이 있었다. 인류는 이 BJT를 이용해 로직 소자를 처음 구성했고, 1958년 잭 킬비(Jack Kilby)가 개발한 최초의 집적회로(Integrated Circuit, IC), 1969년 아폴로 11호가 달 착륙을 할 수 있도록 한 아폴로 가이던스 컴퓨터(Apollo Guidance Computer)에도 모두 BJT가 활용됐다.

그러나 로직 칩의 전성시대는 이 BJT가 아닌 벨 연구소(Bell Lab) 두 연구자*의 모스펫(MOSFET)*이 나오면서 열리게 됐다. MOSFET 시대가 열린 것은 기존 소자의 전력 소모 문제 때문이었다. 소자의 집적도가 높아지면 높아질수록 BJT를 이용한 TTL(Transistor-Transistor Logic, 로직을 스위치로 구성하는 방법 중 하나) 칩의 전력 소모는 감당하기 힘든 수준으로 높아졌다.

* 대한민국 출신 강대원 박사와 마틴 아탈라(Martin Mohammed John Atalla) 박사
* 모스펫(MOSFET) : Metal, Oxide, Semiconductor로 금속 산화막 반도체 구조를 통해 전기가 있는 영역인 전계(Field)의 효과(Effect)를 활용한 트랜지스터

▲ 데이터 출처. ELECTRONICS-COOLING.COM

MOSFET은 출력 전류를 게이트의 입력 전압으로 제어하는 전압 제어 소자다. 전압만으로 채널의 전도율을 바꾸므로 이론적으로는 전류가 흐르지 않는다. 또 전류가 흐르더라도 채널의 표면에만 흐른다. BJT와 비교해 증폭 능력이 떨어지므로 전류가 적게 흘러서 처음 나왔을 때는 크게 사용되지 못했다.

그러나 이 낮은 전류로 인한 적은 표면 소비 전력과 높은 속도로 동작할 수 있는 장점 덕분에 소자 미세화를 구현하게 되어 집적회로 시대의 주인공이 될 수 있었다.

MOSFET에서 발전한 CMOS, 그리고 CMOS가 대표 반도체 기술된 이유

이렇게 주목받기 시작한 MOSFET은 특히 1963년 2월 페어차일드 반도체사(Fairchild Semiconductor Inc.)의 치탕 사(Chih−Tang Sah)와 프랭크 완래스(Frank Wanlass)가 처음 소개한 씨모스(CMOS)* 기술이 나오며 꽃을 피우게 된다. CMOS 기술은 현재까지도 로직 소자를 만드는 가장 보편적인 기술로 사용되며 반도체 만드는 기술의 대명사로 불리고 있다.

* 씨모스(CMOS) : Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 금속 산화물 반도체로 구성된 트랜지스터

CMOS는 Complementary MOSFET의 약자다. Complementary는 ‘상호 보완’, ‘보상’이란 뜻으로 두 가지 종류가 보완적으로 쓰인다는 의미다. 첫 번째는 전자를 전하 캐리어로 하는 nMOSFET이고, 두 번째는 정공(Hole)을 전하 캐리어로 하는 pMOSFET인데 이를 같이 쓰기에 CMOS로 불린다.

우선 nMOSFET은 p형 반도체를 채널로 하여 만들어진다. 금속 게이트에 양(+)전압을 가해서 채널에 전자가 오도록 만들어야 켜지는 스위치다. 반대로 pMOSFET의 경우는 채널이 n형 반도체이므로 전류가 흐르게 하기 위해서는 금속 게이트에 음(-)전압을 가해서 채널에 정공(Hole)이 오도록 만들어야 한다. nMOSFET과 pMOSFET은 완전히 대칭적으로 작동하는 것이다.

CMOS로 로직 회로를 구성하면 두 MOSFET의 금속 게이트 전극에 똑같이 0V를 주었을 때, nMOSFET은 꺼지고 pMOSFET은 켜진다. 금속 게이트에 전압을 가해주면 반대로 nMOSFET은 켜지고 pMOSFET은 꺼진다. 이처럼 대칭적으로 상호 보완하며 움직이는 nMOSFET과 pMOSFET 두 종류의 스위치로 논리 연산하는 회로를 구성하는 것을 CMOS 기술이라고 부른다.

CMOS로 만든 부울대수 연산자의 예를 보자. nMOSFET과 pMOSFET 두 스위치를 직렬로 연결한 회로를 보자. In 단자에 1이 들어가면(전압이 걸리면) 위에 있는 pMOSFET은 꺼지고 아래의 nMOSFET은 켜진다. 그러면 Out 단자는 아래의 접지와 연결이 되어서 전압이 0이 되므로 0이라는 신호가 나오게 된다. 반대로 In 단자에 0이 들어가면(전압이 걸지 않으면) pMOSFET는 켜지고 nMOSFET는 꺼지면서 Out 단자는 전압이 높은 V_DD 선과 연결된다. 그래서 높은 전압이 되므로 1이라는 신호가 나오게 된다. 이렇게 0이 들어가면 1이 나오고 1이 들어가면 0이 나오게 되므로 논리 회로에서 NOT 논리 연산을 수행하는 인버터(Inverter)가 된다.

물론 nMOSFET 하나를 사용한 스위치로도 구성 가능하다. 위 예시를 보면 저항과 nMOSFET을 직렬로 연결했고 저항의 윗단은 전압이 걸려 있다. nMOSFET의 아래 단은 접지되어 있다. In 단자에 0이 들어가서(전압이 걸리지 않아서) nMOSFET이 꺼져 있다면 Out 단자는 저항을 통해서 V_DD 선과 연결되므로 1이라는 상태가 된다. 또 In 단자에 1이 되는 경우(전압이 걸리는 경우)는 nMOSFET이 켜진다. 이때 nMOSFET 스위치의 저항은 위에 달린 저항에 비해서 매우 미미하므로 Out은 아래의 접지와 연결되는 셈이 되어 0이 된다. 이렇게 해서 예시 회로의 경우 In에 0을 넣으면 1이 나오고, 1을 넣으면 0이 나오는 인버터가 되는 것이다.

사실 이렇게 nMOSFET만 사용하는 것은 CMOS 기술을 사용하는 것 대비 장점이 많다. 우선 CMOS 기술은 같은 수의 nMOSFET과 pMOSFET을 사용해야 하므로 한 가지 종류를 사용했을 때와 비교해 단위 소자 수가 두 배다. 물론 저항을 만들어야 하지만 이것은 nMOSFET을 pMOSFET과 같은 웨이퍼에 만드는 복잡함에 비하면 매우 쉬운 일이다.

nMOSFET은 p형 반도체 위에 만들어야 하고 pMOSFET은 n형 반도체 위에 만들어야 한다. 또, 한 웨이퍼에 구성하려면 각각의 MOSFET을 만들기 위해 n형과 p형의 반도체 구역(Well)을 나눠야 한다. 그런데 소스(Source)와 드레인(Drain)을 다른 종류로 만들어야 하므로 도핑 공정도 두 번 해야 하며 각 도핑 공정이 반대 소자에는 영향을 주지 않도록 해야 한다. 그래서 공정 복잡도는 두 배 이상이 된다.

이런 공정의 복잡함에도 불구하고 CMOS 기술이 사용된 이유는 CMOS 기술의 낮은 전력 소모에 있다. 위의 nMOSFET으로 만든 인버터 회로를 보면 In 단자에 1이 들어가서 nMOSFET이 켜졌을 때 V_DD 와 접지가 직접 연결되는 순간이 생긴다. 그때 상당히 많은 전류가 흐른다. 그러나 CMOS 기술의 경우는 nMOSFET이 켜지면 pMOSFET이 꺼지고 pMOSFET이 켜지면 nMOSFET이 꺼진다. 그러므로 V_DD 와 접지가 연결되는 일은 발생하지 않는다. 소모 전력이 nMOS 대비 비교할 수 없을 만큼 줄어든다. 이런 장점으로 CMOS가 nMOS 등 경쟁 기술을 제치고 로직 회로를 만드는 대표 반도체 기술이 된 것이다.

CMOS가 표준이 된 이후 소자 기업 연구의 대부분은 ‘어떻게 이 MOSFET을 더 작고, 빠르게 만드는가’가 전부라고 해도 과언은 아니다. 소자 미세화는 이 두 가지 목표를 동시에 달성하게 해주었다. 우리가 기사에서 자주 접하는 5㎚ 기술 노드(Node)*, 3㎚ 기술 노드 등의 단어는 보다 작고 빠른 스위치를 만들었다는 이야기다.

* 노드(Node) : 소자를 연결하는 회로선이 만나는 점으로 소자 간 간격을 표현할 때 사용

정리하자면, 이번 글에서 하고 싶은 이야기는 폰노이만 구조에서 로직을 처리하기 위해 스위치 소자가 필요했고 그 스위치 소자는 기술 발전에 따라 진공관에서 BJT로, MOSFET으로 변해 왔다는 것이다. 집적도를 증가시켜 제품 부피와 전력을 줄이려는 시스템의 요구가 이러한 변화를 이끌었다. 물론 집적 공정에 따른 비용의 감소, 소자 미세화에 의한 속도 증가도 중요한 요소였다.

현재 우리나라 대학 반도체 연구의 많은 부분이 이러한 대체 소자 연구에 치중되어 있다. 그러한 소자들이 가장 큰 시장인 컴퓨팅에서 MOSFET을 대체하기 위해서는 MOSFET처럼 작게 만들어지고 많은 수의 집적(1,000억/㎠ 이상)이 가능해야 한다. 또한, 더 작은 전력으로 구동돼야 한다. 아울러 10년 이상의 신뢰성을 보여야 하며 100도 이상의 온도에서도 구동할 수 있어야 한다. 아쉽게도 지금까지 이러한 희망을 보이는 대체 소자는 없는 것이 현실이긴 하다. 다음 연재에서는 메모리에 관해 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠다.

※ 본 칼럼은 반도체에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체는 부품이다. 부품은 그 자체로 쓰이지 못하고 어떤 제품(세트 또는 시스템) 내에서 사용된다. 그 제품이 추구하는 바는 반도체의 탄생과 발전을 가져왔고, 앞으로 나올 새로운 제품은 반도체의 성장과 변화를 요구하고 있다. 본 연재에서는 반도체를 시스템과 연결해 설명하며 과거와 현재, 미래의 발전 방향에 관해 7편에 걸쳐 이야기하고자 한다. (필자 주)

반도체 역사에서 가장 중요한 순간은 언제였을까? 여러 장면이 떠오를 것이다. 1883년 영국 물리학자 마이클 페어데이(Michael Faraday)가 황화은(AgS)에서 반도체라는 물질의 특성을 처음 발견한 순간? 또는 1947년 벨 연구소(Bell Lab) 윌리엄 쇼클리(William Bradford Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter Brattain) 3인에 의해 처음으로 반도체 기반 트랜지스터가 만들어진 순간?

필자는 반도체 산업에서 가장 중요한 장면으로 ‘반도체 집적회로가 만들어진 순간’을 꼽고 싶다.

집적할수록 무너지는 신뢰성… 숫자의 폭정에 맞닥뜨리다

1947년, 최초로 트랜지스터 반도체 소자가 만들어진 이래 전자 산업은 진공관 소자를 반도체 소자로 바꾸면서 비약적으로 발전했다. 라디오, 텔레비전, 컴퓨터 등 여러 전자제품에는 크고 깨지기 쉽고 사용 전력도 많이 들었던 진공관 소자를 사용했는데, 이제 오래 사용 가능하고 전력도 훨씬 덜 쓰는 반도체 소자를 사용할 수 있게 됐다. 이런 비약적인 발전도 집적회로가 만들어진 사건에 비하면 그 변화는 제한적이었다.

1만 8,000개의 진공관 소자를 연결하여 디지털 회로를 구성했던 최초의 범용 컴퓨터 에니악(ENIAC)과 반도체 소자가 나온 직후 만들어진 컴퓨터를 비교해 보자. 165m²(약 50평)의 공간을 차지했던 에니악에 비하면 반도체 소자를 이용한 컴퓨터 크기는 상당히 작았다. 물론 지금과 같이 손에 들고 다니며 사용할 수 있는 제품과는 비교할 수 없이 커다란 크기다.

▲ 개별 소자 트랜지스터로 만들어진 컴퓨터(출처. wikipedia)

컴퓨터는 반도체 소자의 탄생보다는 집적회로가 만들어진 이후 더욱더 커다란 변화를 맞는다. 집적회로 탄생 이전의 전자회로는 개별적으로 만들어진 반도체 소자(Discrete Device)를 직접 납땜으로 연결하거나 커넥터와 함께 인쇄 회로 기판에 손으로 납땜하여 특정한 역할을 하는 모듈로 만들어 사용했다.

이 방식은 수작업으로 해야 해서 시간이 매우 오래 걸리고 생산성 증가가 제한적일 수밖에 없다. 시스템 성능을 올리기 위해선 더 많은 단위 소자를 연결하는 것이 필요했는데, 많은 수의 단위 소자를 연결하면 그에 비례하여 납땜 조인트와 배선이 많아진다. 이렇게 많은 요소 중 단위 소자나 커넥터, 납땜 불량이 하나라도 발생하면 전체 시스템은 동작하지 않는다. 이에 따라 신뢰성 문제가 생길 여지가 커지며 시스템을 정상적으로 작동시키는 일은 점점 더 어려워진다. 이러한 문제는 시스템이 복잡해지면 복잡해질수록 더 커질 수밖에 없어서 ‘숫자의 폭정(Tyranny of Numbers)’이라고 부른다.

이 숫자의 폭정을 넘어서 더욱 성능 좋은 시스템을 만드는 것은 모든 엔지니어의 목표가 되었다. 숫자의 폭정을 넘기 위해서는 단위 소자 연결을 보다 간단하게, 문제가 덜 생기는 방법으로 바꿔야 했다.

현대적 의미의 집적회로 공정이 탄생하다

많은 회사가 경쟁하는 가운데 실마리는 미국 중부 텍사스에서 풀리기 시작했다. 벨 연구소에서 반도체 소자가 처음 발명된 후 1950년대 미국 전역에서는 반도체 소자로 새로운 전자제품을 만드는 붐이 일어나고 있었다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, TI)도 반도체 소자 생산에 뛰어들었다.

그 무렵 엔지니어 잭 킬비(Jack Kilby)가 입사한다. 직원 대부분이 여름휴가를 떠났으나 신입으로 연차가 없었던 킬비는 혼자 사무실에 나와 ‘숫자의 폭정’ 문제를 해결할 실마리를 발견한다. 저마늄(Germanium, 원소기호 Ge) 한 덩어리 조각 위에 트랜지스터, 캐퍼시터(Capacitor), 저항소자(Resistor Elements) 등 여러 가지 단위 소자를 함께 만들고 이 소자를 금으로 만든 실처럼 얇은 와이어로 모두 연결하는 제조 방법을 고안해 낸 것이다.

1958년 9월 킬비는 이 방법으로 만든 회로가 작동하는 것을 시현했고 이듬해 2월 특허를 출원한다. 이 방법은 전통적인 마이크로 모듈과 비교하여 훨씬 더 작은 사이즈로 만들 수 있었다. 또한, 각 요소를 개별적으로 만들어 조립하는 방식에 비해 고장 확률이 낮았고 가격도 훨씬 저렴하게 만들 수 있었다.

그러나 킬비의 발명은 절반의 성공이었다. 와이어 본딩 방식의 배선은 이전에 비해 신뢰도를 높였으나 그래도 많은 수의 소자를 연결하는 데는 문제가 있었다. 같은 시기 캘리포니아에서도 비슷한 생각으로 기술을 개발하는 사람이 있었다. 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductor Inc.)의 로버트 노이스(Robert Norton Noyce)였다.

1957년 페어차일드 반도체에서 기술 개발을 총괄했던 노이스는 진 호에르니(Jean Hoerni)가 개발한 평면 소자 공정 기술에 주목했다. 입체 형태의 트랜지스터를 만든 후 노출된 상태로 연결하는 것이 아니고 트랜지스터를 만들고 산화막을 위에 남겨 트랜지스터를 보호하는 기술이었다. 당시만 해도 공정이 좋지 못한 까닭에 질 낮은 산화막이 트랜지스터를 오염시켜 망가뜨린다는 이유로 금기시되는 일이었다.

▲ 반도체 개별 소자(좌)와 집적회로 Intel 4004 CPU(우)(출처. wikipedia)

하지만 기술 발전으로 질 좋은 산화막을 형성하는 것이 가능해졌다. 이렇게 산화막으로 트랜지스터를 덮으면 표면이 편평해진다. 노이스는 이 평면 소자 공정 기술의 편평한 면에 주목했다. 다이오드, 트랜지스터, 레지스터, 축전기 등 단위 소자를 실리콘 위에 한꺼번에 만들고 그 위를 산화막으로 덮은 후에 편평한 산화막 위에 금속을 증착하고 식각하는 방식으로 배선을 만드는 것이다. 이런 방법으로 배선을 만들어서 연결해 집적회로(Integrated Circuit, IC)를 제작하는 방법을 고안했다. 현대적 의미의 집적회로 공정의 시작이었다.

이로써 위에 널려 있는 연결선을 없애 깔끔한 칩(Monolithic Chip) 구현이 가능해졌다. 단일 집적회로 공정이 가능해지며 전자 산업은 완전히 새로운 시대로 들어가게 된다. 완성품이 아닌 부품을 만드는 산업이 압도적으로 발전하며 오히려 시스템 산업을 이끄는 시대가 만들어진 것이다.

앞서 언급한 에니악은 50평 정도의 방을 차지하고 있었다. 반면 집적회로는 소자와 배선을 동시에 작은 공간에 집어넣을 수 있어서 엄청난 소형화가 가능했다. 1971년 출시된 최초의 상업용 집적회로 CPU인 ‘Intel 4004’는 에니악보다 약 17배 빠른 성능이었지만, 손톱만 한 크기로 출시됐다. 총 2,300개의 트랜지스터가 평면에 집적되어 연결된 Intel 4004는 1W 정도의 전력을 소모했다. 17만 4,000W를 소모하던 에니악과 비교하면 상상할 수 없을 만큼 적은 전력을 쓰는 것이다. 소자 하나하나가 사용하는 전력도 이전의 개별 소자보다 감소했지만 배선 길이가 짧아지며 줄어든 전력도 매우 크다. 개별 칩을 연결하는 배선은 적어도 수 ㎝가 되므로 집적회로 내에서 연결하는 배선 길이인 수백 ㎛ ~ 수 ㎜와 비교하면 매우 큰 전력이 소모됨을 알 수 있다.

가격도 개별 소자를 연결하여 만드는 것과 비교하면 장점 중 하나다. 물론 집적회로의 설계 비용이 추가가 되고 매우 비싼 제조 공정 장비가 필요하지만, 어느 수준 이상의 물량을 대량 생산하게 되면 집적회로의 가격은 비교할 수 없을 만큼 저렴해진다.

부피와 소모 전력, 가격이 획기적으로 줄면서 이전에는 상상하지 못했던 제품도 출현했다. 컴퓨터는 과거 회사나 연구소 등에서만 쓸 수 있는 기업용 제품이었다. 그러나 집적회로가 나오면서 일반 가정에서도 감당할 만한 크기와 전력이 된 것이다. 그래서 컴퓨터는 개인이 사용하는 기계로 변화했다. 이렇게 반도체라는 ‘부품 성능의 발전’이 ‘새로운 시스템의 탄생’을 이끄는 시대가 열린 것이다.

집적회로, 소자 미세화 시대로 나아가다

집적회로 탄생의 진정한 의미는 소자 미세화 시대를 열었다는 점에 있다. 소자 미세화 이야기에 앞서, 집적 공정에 관해 조금 더 알아보자. 반도체 집적 공정은 평면 공정, 조각, 인쇄 공정, 융단 폭격 등으로 특징지어 이야기할 수 있다.

▲ 반도체 소자 집적 공정과 아파트 단지 건축의 비유

이해를 돕기 위해 아파트 단지 짓는 것을 예를 들겠다. 반도체 집적 공정으로 아파트 단지를 짓는다면 이렇게 할 것이다. 우선 전체 단지 땅을 평평하게 만든다. 그 위에 시멘트를 일정한 두께로 전체 단지를 완전히 덮는다. 시멘트가 남아 있어야 할 부분(벽이 될 부분)과 없어야 할 부분(집 내, 외부 공간이 될 부분)을 인쇄하여 표시하고 벽이 될 부분을 보호할 수 있는 것으로 덮는다. 이후 단지를 융단 폭격하여 보호가 안 되어 있는 시멘트 부분을 모두 날려버린다. 이렇게 하면 벽만 남고 나머지 부분의 시멘트는 날아가게 된다. 이러한 방법을 반복하며 아파트 전체 동의 한 층, 한 층을 동시에 쌓아 올린다. 현재 건설 공법과는 달리 아파트 단지의 모든 동을 한꺼번에 지어 올라가는 식이다.

어찌 보면 재료를 낭비하는 방법으로 보인다. 또 아파트 단지 전체 면적을 처리해야 하므로 필요한 기계 장비도 매우 비쌀 것이다. 왜 이런 방법으로 만들어야 할까? 아파트 10동을 짓는다면 현재와 같이 한 동, 한 동 짓는 건설 공법이 재료도 아끼고 훨씬 경제적이다. 그러나 지어야 할 아파트가 수만 동이 된다면, 아니 수백억 동이 된다면 어떻게 될까? 이렇게 아파트의 동 수가 엄청나게 많아지면 전혀 다른 이야기가 된다. 한 동, 한 동 만드는 식으로는 이 단지를 만드는 데 너무 많은 시간이 소요된다. 거의 불가능하다고 볼 수 있다. 그래서 이러한 반도체 집적 공정을 이용해 만들어야만 하는 것이다. 이 때 덮는 공정을 증착, 필요한 부분과 필요 없는 부분을 인쇄하는 공정을 리소그라피(Lithography), 깎아내는 공정을 식각이라고 부른다.

▲ 크기가 다른 다이(Die)를 갖고 있는 웨이퍼

이러한 현대적인 반도체 집적 공정의 특징은 한 웨이퍼 위에 소자를 만드는 비용이 그 안에 그려진 소자의 수에 거의 영향을 받지 않고 비슷하다는 점이다. 즉, 웨이퍼 위에 같은 성능의 다이(Die, 칩을 만드는 단위) 한 개를 그려 넣고 만드는 것이나 1,000개를 만드는 것이나 비슷한 비용이 든다. 그러나 한 개를 만드는 비용을 비교하면 1/1,000이 되므로 굉장한 원가 절감이 가능해진다. 그러므로 집적회로의 시대에는 트랜지스터와 같은 단위 소자를 작게 만들어 같은 면적에 더 많은 다이를 넣는 회사가 더 많은 돈을 벌 수 있는 것이다.

단위 소자 크기를 작게 만드는 것은 회사에만 유리한 것이 아니다. 소자를 더 작은 사이즈로 만들면 구동 전류가 커지며 더욱 빠른 성능의 소자가 된다. 그래서 칩 성능이 향상된다. 이처럼 성능 좋은 칩은 소비자의 니즈를 충족시킨다. 결국, 스케일링(Scaling)이라 불리는 소자 미세화는 회사와 고객 모두를 좋게 만드는 길인 것이다. 그러므로 이때부터는 소자를 작게 만드는 데 총력을 다하는 시대가 된다.

집적회로를 가장 많이 사용한 전자제품은 컴퓨터다. 컴퓨터용 CPU나 메모리를 만드는 데는 집적회로가 큰 역할을 했다. CPU와 같은 논리 회로는 우리의 두뇌가 할 수 있는 여러 가지 논리 연산[관련기사], 그리고 덧셈과 뺄셈, 나눗셈, 곱셈 등의 수리 연산을 해야 한다. 필요한 연산의 숫자가 늘어나며 사용되는 스위치 소자의 숫자도 기하급수적으로 늘어갔다.

이러한 스위치 소자의 증가를 가능하게 한 것이 집적회로다. 집적회로로 만들어지는 메모리 역시 더 많은 정보를 저장하기 위해서는 집적하는 메모리 셀의 숫자를 늘려야 했다. 소자 미세화를 통해서 셀의 크기를 줄여 더욱 많은 셀을 같은 면적에 넣는 것이다.

▲ 반도체 산업의 선순환

덕분에 현재 우리는 엄청난 수의 단위 소자(트랜지스터, 캐퍼시터 등)를 한 칩에 넣고, 새로운 제품도 사용할 수 있게 됐다. 예컨대 낸드플래시의 경우 기존 컴퓨터 하드디스크를 대체하고, SSD 등 새로운 시장도 형성했다.

이처럼 소자 미세화를 통해 반도체 성능이 발전하면서 새로운 제품 시장을 만들어내고 이것이 다시 반도체의 발전을 이끄는 선순환 체제가 완성된 것이다. 이 모든 것이 집적회로의 등장에 의해 이루어졌다고 해도 과언이 아니다.

※ 본 칼럼은 반도체에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체는 부품이다. 부품은 그 자체로 쓰이지 못하고 어떤 제품(세트 또는 시스템) 내에서 사용된다. 시스템이 추구하는 바가 그 부품인 반도체의 탄생과 발전을 가져왔고, 앞으로 나올 새로운 시스템은 반도체의 변화를 요구하고 있다. 본 연재에서는 반도체를 시스템과 연결해 설명하며 과거와 현재, 미래의 발전 방향에 관해 7편에 걸쳐 이야기하고자 한다. (필자 주)

얼마 전 방송에서 ‘반도체란 무엇인가’라는 질문을 받은 적 있다. 일반인들이 말하는 반도체는 ‘반도체 소자’를 일컫는 것이며, 반도체라는 물질을 이용해 전기적 신호를 받고 어떠한 기능(Function)을 수행하도록 만든 장치라고 답했다. 당시 진행자가 고개를 갸우뚱하며 다시 한번 질문하여 곤란했던 적이 있다. 그 경험으로 반도체를 어떻게 설명해야 이 분야를 전문하지 않은 사람들이 잘 이해할 수 있을까 고민했다.

고민 끝에 찾은 답은 반도체를 설명하기 위해서는 ‘반도체가 왜 쓰이게 되었는지’에서 시작해야 한다는 것이다. 자동차의 부품, ‘예컨대 에어백이 무엇인가’라는 질문을 받았다고 가정하자. 그때 ‘충격을 받으면 내부 화약이 터져서 기체를 방출하여 부풀어 오르게 만든 장치’라고 답한다면 이해가 될까? 당연히 에어백을 설명하기 위해서는 자동차와 자동차의 충돌에 대한 이야기를 먼저 해야 할 것이다. 이처럼 반도체에 대한 설명 역시 이 부품을 필요로 하는 시스템 이야기에서 출발해야 한다.

반도체를 등장시킨 사건 1 : 통신 시스템과 진공관

반도체라는 부품을 가장 먼저 필요로 한 곳은 전화망 구축을 위한 ‘통신 시스템’이었다. 19세기 말 전구와 전기의 송배전 시스템을 만든 것으로 유명한 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison)은 전기의 시대를 열었다. 이 시대에 사람들은 이전에 존재하지 않았던 많은 새로운 시스템을 쓸 수 있게 되었다. 멀리 있는 사람과 만나지 않고 소식을 주고받을 수 있게 만들어 준 전신 또한 전기 시대의 산물이었다. 전신이 발전할수록 사람의 목소리로 소식을 전하고자 하는 욕구가 커졌다. 이 바람을 해결해 준 사람이 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)이다.

벨은 음성의 떨림을 기록하고 전기적으로 전달할 방법을 알아냈고, 결국 1876년 전화기 특허를 출원한다. 벨은 특허를 기반으로 Bell Telephone Company(AT&T의 전신)를 세우고 전화 사업을 시작한다. 사업의 성장을 위해서는 미 대륙을 전부 연결하는 전국망 서비스가 필요했다. 미국 동부에서 서부까지 연결하는 통화 서비스를 하기 위해서는 구리선을 통해 전달되며 약화하는 전기 신호를 증폭하는 ‘리피터(Repeater)’가 필요했다.

이 장치는 1907년 미국의 발명가 리 디 포리스트(Lee de Forest)가 개발한 ‘3극 진공관’이 만들어지며 가능해졌다. 백열전구에 양극 금속 전극을 넣은 이전 진공관과 달리 3극 진공관은, 음극 필라멘트와 양극 금속 전극 사이에 금속망(Grid)이 추가된 형태였다. 이 진공관은 금속망에 들어오는 작은 전기신호로 음극 필라멘트와 양극 금속 전극 사이의 전류를 조절하여 신호를 증폭할 수 있었다. 사람들은 3극 진공관 증폭 소자를 이용해 리피터뿐만 아니라 무선통신, 라디오, TV 등 현재 전자 산업의 모태가 되는 모든 시스템을 만들게 된다.

반도체를 등장시킨 사건 2 : 부울대수와 트랜지스터 그리고 컴퓨터 시스템

‘컴퓨터 시스템’의 시초인 전자계산기에도 진공관이 쓰였다. 이에 앞서, 계산하는 기계를 어떻게 만들 수 있는지에 대한 아이디어는 1854년 영국 수학자 조지 부울(George Boole)의 ‘부울대수’에서 출발했다. 조지 부울은 명제의 참과 거짓을 이진값인 1과 0에 대응시키고 논리 연산을 하는 새로운 대수를 만들었다. 예컨대 도로 가로등이 아래와 같은 조건에서 켜진다고 가정해 보자.

해가 졌는데 차가 다니면 가로등을 켠다
비가 내리면 가로등을 켠다

해가 뜨는 걸 알 수 있는 센서(A), 차가 다니는 걸 알 수 있는 센서(B), 비가 내리는 걸 알 수 있는 센서(C)가 있다면, 각 센서와 가로등 상태를 아래 표의 경우에 참(1)으로 표현할 수 있으며, 이 출력(Output)이 나오도록 부울대수 식으로 나타내면  가 된다. 이것을 회로로 구성하면 아래와 같다.

부울대수의 참과 거짓을 전기가 들어오고 나가는 상태에 대응하면 부울대수가 전기적으로 구현된다. 1937년 클로드 섀넌(Claude Elwood Shannon)은 스위치 소자*로 구성된 전기 회로로 부울대수 푸는 법을 정리했다. 이를 활용하면 어떠한 논리적, 수리적 연산도 모두 스위치로 표현할 수 있었다. 디지털 회로 설계의 시작이자 자동화 장치의 탄생이었다.

초기 전자계산기에 사용한 스위치는 3극 진공관 소자였다. 증폭하지 않고 같은 크기의 신호를 내도록 하면 되므로 증폭 소자는 스위치로도 사용할 수 있다. 진공관 소자는 증폭, 스위치, 정류, 발전, 발광, 수광 등 반도체 소자가 나오기 전까지 현재 반도체 소자가 하는 모든 일을 하고 있었다.

그러나 이 진공관은 치명적인 약점이 있었다. 필라멘트에서 나오는 전자를 모아서 전류를 흐르게 하므로 필라멘트 온도를 높게 해야 한다. 또한, 많은 전력을 사용했고, 뜨거워질 때까지 시간이 필요해 빠르게 작동할 수 없었다. 고온에서 사용하므로 중간에 필라멘트가 못 견디고 끊어져 망가지는 것도 문제였다. 외관이 유리로 만들어져서 운송이나 보관 중 쉽게 깨지는 문제도 있었다.

트랜지스터의 최초 발명자로 인정받은 존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼(왼쪽부터) 출처. Wikimedia Commons

때문에 ‘어떻게 하면 유통과 보관이 용이하고 오래 사용하면서도 전기를 적게 쓰는 증폭기를 만들까’가 큰 숙제일 수밖에 없었다. 그래서 Bell Telephone Company는 벨 연구소(Bell Labs)를 만들고 이 숙제를 연구했다. 마침내 1947년 12월 16일 벨 연구소는 반도체인 저마늄(Germanium)에 금(Gold)을 붙여서 전기 신호를 증폭하는 고체 기반 소자를 만드는 데 성공하고, 이 소자에 ‘트랜지스터(Transistor)’라는 이름을 붙였다.

이렇게 탄생한 트랜지스터는 진공관 자리를 빠르게 대체하며 전자 산업을 크게 발전시켰다. 특히 컴퓨터 시스템에서 수요가 넘쳤는데, 당시 에니악(ENIAC)과 같은 초기 컴퓨터를 가동하기 위해선 많은 전력과 넓은 공간이 필수였다. 이에 더 작고 전기를 많이 사용하지 않는 스위치 소자가 필요했다. 트랜지스터는 이러한 수요를 맞춰주는 데 안성맞춤이었다. 이후 트랜지스터는 컴퓨터 논리 연산을 위한 스위치 소자로 폭발적인 수요를 갖게 된다.

반도체를 등장시킨 사건 3 : 폰노이만 구조

훗날 트랜지스터는 집적 소자로 발전하면서, 우리가 알고 있는 ‘반도체’ 형태를 띠게 되는데, 여기서 주목할 사건이 폰노이만 구조의 등장이다. 사실 에니악은 현대의 컴퓨터와 같이 다양한 프로그램을 수행할 수 있는 ‘범용 컴퓨터’는 아니었다. 다른 종류의 작업을 하기 위해서는 논리 회로의 구성을 바꿔야 했다. 소자를 연결하고 있던 전선을 다시 배열해 연결하는 과정이 필요했다. 이것은 시간과 인력이 매우 필요한 작업이므로 사람들은 컴퓨터의 구성(하드웨어)은 그냥 두고 소프트웨어만 바꾸어 다른 작업을 할 수 있는 범용 컴퓨터를 만들고 싶어 했다.

범용 컴퓨터 역사에서 빼놓을 수 없는 사람은 존 폰노이만(John von Neumann)이다. 그는 IAS 머신(IAS Machine)이라는 초기 범용 컴퓨터 개발에 참여했는데, 이 프로젝트에서 본인이 제안한 ‘폰노이만 구조(아키텍처)’를 바탕으로 컴퓨터를 만들도록 감독했다. 이 폰노이만 구조는 이후에 나온 거의 모든 컴퓨터의 기본 구조가 되었다.

현재의 시각으로 봐서는 너무 당연한 구조이나 최초로 컴퓨터를 만들 때는 폰노이만 구조와 함께 다른 후보가 경쟁했다. 그중에는 명령어를 저장하는 메모리와 데이터를 저장하는 메모리를 분리한 ‘하버드 구조(아키텍처)’도 있었다. 이 구조는 프로그램을 불러들이는 통로와 데이터를 저장하는 통로가 달라 병렬적으로 사용할 수 있었고 더 빠른 속도를 낼 수 있었다. 하지만 보다 많은 전기 회로가 필요하고 복잡한 구성이 단점으로 작용했다. 결국 폰노이만 구조가 경쟁에서 승리하며, 현재까지도 범용 컴퓨터의 표준으로 쓰이고 있다.

폰노이만 구조는 시스템을 통제하고 프로그램을 실행하는 CPU와 사용할 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리로 구성된다. CPU는 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석해 연산하고, 외부로 출력하는 역할을 한다. 컴퓨터의 모든 작동 과정은 이 CPU에 의해 제어된다. CPU는 뒤에서 다룰 논리 소자로 구성되어 있고, 안에는 많은 수의 스위치 소자가 결합되어 있다.

메모리에는 CPU에서 사용할 프로그램과 데이터가 저장된다. 모든 CPU는 메모리에 저장된 프로그램을 불러와 실행한다. 그러므로 메모리에 저장된 프로그램만 바꾸면 하드웨어 변경 없이 다른 작업을 할 수 있는 것이다. CPU는 동작을 수행하기 위해 메모리의 데이터를 꺼내고, 해독하고, 실행하는 단계가 필요하다. 그 이후 발생한 데이터를 다시 메모리에 저장하거나 다음 명령어에 사용한다. 컴퓨터 외에도 간단한 밥솥부터 스마트폰까지 많은 제품이 이와 같은 폰노이만 구조로 이뤄져 있다.

CPU로 대표되는 논리 소자는 스위치를 연결해 논리 연산을 풀어내는 것이다. 그러므로 많은 수의 스위치가 연결되어 있는 것으로 이해하면 된다. 연결된 스위치가 많으면 많을수록 더 복잡한 연산과 제어가 가능하므로 좋은 스위치를 많이 연결하는 것이 중요하다.

이전까지 스위치로 사용했던 진공관 소자는 성능, 전력 소모, 면적, 비용(Performance, Power, Area, Cost) 측면에서 반도체 소자에 모두 뒤지며 서서히 자리를 내주게 된다. 더욱 중요한 것은 반도체 소자는 진공관 소자와 달리 집적 소자(Integrated Circuit, IC)로 만드는 게 가능하다는 것이다. 집적 소자는 소자 미세화를 통해 어마어마한 숫자의 스위치를 연결하는 것이 가능하다. 또, 소자 미세화를 통해 반도체 스위치는 점점 더 빠른 속도의 스위치가 된다. 그래서 반도체 집적 소자가 발전하면 엄청난 계산을 매우 빠르게 연산하는 것이 가능해진다. 이렇게 반도체 소자와 컴퓨터의 발전은 서로 밀고 당기며 마치 이인삼각처럼 함께 발전해 나가게 된 것이다.

메모리는 정보를 저장하는 장치다. 정보를 2진수로 바꾸어(문자들도 번호를 주어서 2진수로 바꿀 수 있다) 1과 0의 상태를 저장시켜 놓는다. 두 가지 명확한 상태를 안정적으로 가질 수 있다면 무엇이든 메모리가 될 수 있다. 높거나 낮은 물의 높이, 주판의 알이 내려가 있거나 올라가 있는 것도 일종의 메모리다. 메모리에서 중요한 것은 저장 용량, 즉 얼마나 많이 저장할 수 있느냐다. 반도체 소자의 미세 집적 기술을 받아들이며 메모리 반도체 역시 기하급수적 성장을 이룩하게 된다.

폰노이만 구조로 인해 현재 반도체 산업의 영역이 만들어졌다. CPU를 만드는 인텔·AMD, 모바일 AP(Application Processor)를 만드는 애플·퀄컴·삼성전자·미디어텍 등 시스템 반도체 회사가 등장했고, SK하이닉스·삼성전자·마이크론 등 메모리 기업이 등장했다. 폰노이만 구조는 이들이 각각 전문화되어 발전하는 계기를 마련했다.

처음 질문으로 돌아와 보자. 반도체는 무엇인가? 반도체는 부품이다. 반도체는 통신 시스템 증폭기를 만들기 위해 발명된 부품이다. 그 후 컴퓨터 등 폰노이만 구조의 전자제품이 발명되며 반도체는 논리 연산을 수행하는 스위치로 폭발적으로 사용됐다. 또한, 메모리에서 정보를 저장하는 역할로도 사용하게 된 부품이다.

이처럼 우리가 반도체 소자를 이해하기 전에 알아야 할 것은 시스템이라고도 불리는 제품 기능에 대한 요구가 먼저 있었으며, 이를 만족하기 위해 소자가 만들어졌다는 점이다.

앞으로 반도체는 또 다른 시스템의 부품으로 사용될 것이다. 요즘 떠오르는 두뇌 모사 컴퓨팅(Neuromorphic Computing) 등은 폰노이만 구조의 시스템이 아니다. 그렇다면 거기에 맞는 다른 요구가 있고 반도체 소자는 요구에 맞게 발전해야 할 것이다. 이어지는 이야기에서 이에 대한 주제도 다루도록 하겠다.

※ 본 칼럼은 반도체에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체 역사를 부탁해

“SK하이닉스의 기념비적인 제품을 조명합니다.”

세계 무대를 수놓은 ‘최초 · 최고의 반도체’와 그 시절의 IT 트렌드를 모두 담았습니다. 2000년부터 현재까지 이어지는 SK하이닉스 반도체 대서사시를 3부에 걸쳐 소개합니다.

“올해를 ‘SK하이닉스 르네상스’의 원년으로 만들어 봅시다.”

SK하이닉스 출범 1주년이자 창립 30주년이 되던 2013년은 여느 해와 달랐다. 지난 1년간 사내에는 SK 기업문화가 자리 잡았고, 경영철학을 내재화하며 SK의 지원을 받은 구성원들은 ‘다시 할 수 있다’는 자신감을 키워가고 있었다. 출범 1주년을 맞아 대대적인 부흥을 선언한 SK하이닉스, 이들은 머지않아 사상 최대 실적을 갈아치우고 최초 · 최고의 제품을 쏟아낸다.

반도체 역사 시리즈의 마지막을 장식할 이야기, SK하이닉스 르네상스는 그렇게 시작되고 있었다.

모바일 황금기, 글로벌 5대 기업으로 도약하다

“What’s Next?”

2010년대가 시작되며 모든 것이 빠르게 변했다. 대한민국도, SK하이닉스도 격변의 시대를 지나고 있었다. 무섭게 치솟았던 스마트폰은 보급률은 2013년 연말께 75%에 도달*했다.

모바일이 황금기에 다다르자 세상은 포스트 스마트폰에 눈길을 돌렸다. 주목받은 시장은 스마트워치였다. 2013년 스마트워치 출하량은 약 190만 대**로 당대 최대치를 기록했다. 비록 찻잔 속 태풍에 그치고 말았지만, 이때까지만 해도 스마트워치는 모든 스마트폰을 대체할 것처럼 보였다.

* 2012-2021 스마트폰 사용률 & 브랜드, 갤럽리포트, 한국갤럽조사연구소
** Android Captures 61% Share of Global Smartwatch Shipments in 2013, strategy analytics, 2014.02.13

웨어러블 PC의 부상과 함께 저전력으로 고성능을 내는 모바일 D램의 역할은 더욱 중요해졌다. SK하이닉스의 최초 · 최고 제품도 이 영역에도 두각을 드러냈다.

2013년 6월 발표한 ‘8Gb LPDDR3*는 20나노급 기술이 적용된 세계 최초의 고용량 모바일 D램’이었다. 4단 적층 시 32Gb 고용량을 하나의 패키지에서 구현할 수 있었다. SK하이닉스는 같은 해 12월 ‘세계 최초 20나노급 8Gb LPDDR4’도 공개했다. 데이터 전송 속도 3,200Mbps, 동작전압 1.1V 등 LPDDR3 대비 성능이 개선된 제품이었다. 최초 제품을 연이어 내놓은 SK하이닉스는 모바일 D램 시장에서 주도권을 잡게 된다. 이 제품들은 글로벌 주요 스마트폰에 높은 점유율로 탑재되며 모바일 필수 부품으로 자리 잡는다.

* LPDDR(Low Power DDR): D램 중에서도 크기가 작고 전력 소모가 적어 모바일에 주로 쓰이는 반도체.

SK하이닉스는 최초 · 최고의 제품을 개발하고, 사업 역량을 강화하는 과정에서 글로벌 5대 반도체 기업으로 성장*하기도 했다. 인텔 · 삼성전자 · TSMC · 퀄컴과 어깨를 견주는 대한민국 대표 종합 반도체 기업으로 거듭난 것이다.

* IC Insights Expects Big Changes to 2013 Top 20 Semi Supplier Ranking, IC Insights, 2013.11.06

이러한 성장세를 이어 SK하이닉스는 2014년 최대 영업이익을 달성하게 된다. 14년도 영업이익 5조 1,000억 원, 15년도 영업이익 5조 3,000억 원, 16년도 영업이익 3조 2,000억 원을 기록, 3년 연속 큰 폭의 흑자를 냈다.

SK하이닉스 르네상스 시대를 맞다

2017년에 접어들자 모바일은 완전한 성숙기를 맞았다. 뉴럴 엔진, 멀티 카메라 등 현재 스마트폰의 뼈대를 이루는 구성은 이때 완성됐다. 한편, 2016년 알파고와 이세돌 9단의 대국은 AI 기술 발전을 이끄는 촉매가 됐다. 2017년에는 특히 AI 스피커가 대중화했는데, 국내에서는 SK텔레콤의 누구(NUGU)를 시작으로 KT · LGU+ · 네이버 · 카카오 등이 AI 서비스를 내놓았다.

이 시기 SK하이닉스는 모바일 D램 · 그래픽용 D램 · 낸드플래시 등 전 영역에서 혁신을 이뤘다. 2017년 1월에는 ‘세계 최대 용량 8GB LPDDR4X’를 출시했다. 데이터입출력(I/O) 동작전압 0.6V, 최대 34.1GB 데이터 처리 속도를 보이면서 8GB LPDDR4 대비 크기는 30% 더 줄어든 제품이었다.

낸드 영역에서는 2017년 4월 ‘업계 최고 적층 72단 256Gb TLC(Triple Level Cell)* 3D 낸드플래시’ 개발, 2018년 11월 ‘세계 최초 CTF 기반 96단 512Gb TLC 4D 낸드플래시’ 개발이라는 기록을 냈다.

* 한 개 셀(Cell)에 몇 개의 정보(비트 단위)를 저장하느냐에 따라 SLC(Single Level Cell, 1개)-MLC(Multi Level Cell, 2개)-TLC(Triple Level Cell, 3개)-QLC(Quadruple Level Cell, 4개)-PLC(Penta Level Cell, 5개)로 나뉨. 저장량이 늘면 같은 면적에 더 많은 데이터 저장.

72단 3D 낸드의 경우 칩 하나로 32GB 용량의 저장장치를 만들 수 있었다. 96단 4D 낸드는 이보다 더 큰 64GB 용량의 저장장치를 칩 하나로 구현할 수 있었다. 여기에는 CTF*와 PUC* 등 첨단 기술이 적용됐다.

* CTF(Charge Trap Flash): 전하를 부도체에 저장해 셀 간 간섭 문제를 해결한 기술. 단위당 셀 면적을 줄이면서 읽기 · 쓰기 성능을 높일 수 있는 게 특징.
* PUC(Peri Under Cell): 주변부(Peri.) 회로를 셀 회로 하단부에 배치해 생산 효율을 극대화하는 기술.

그래픽용 D램에서는 2017년 4월 ‘세계 최초 20나노급 8Gb GDDR6’를 개발하는 성과를 냈다. 이 제품은 핀당 데이터 처리 속도 16Gbps, 초당 768GB 데이터 처리 능력을 자랑했다.

▲ 구성원들이 기술 중심으로 나아간다는 새 슬로건을 홍보하고 있다.

2017년에서 2018년까지는 SK하이닉스가 기술 중심 기업으로 방향성을 정하고, SK하이닉스 시스템아이씨를 설립하며 파운드리* 사업을 강화하는 등 내실을 다진 시기로 볼 수 있다. ‘We Do Technology’라는 기술 지향 슬로건도 2018년 선포됐다.

* 파운드리(Foundry): 외부 업체가 설계한 반도체 제품을 위탁받아 생산 · 공급하는 전문 생산 업체.

SK하이닉스는 업계 최대 호황 속에 사상 최대 이익도 달성했다. 17년도 영업이익은 13조 원에 달했고, 18년도 영업이익은 20조 원을 돌파했다. 이로써 SK하이닉스는 기술 · 품질 · 경쟁력 · 영업이익, 모든 영역에서 업계를 크게 상회하는 르네상스를 맞게 된다.

급변하는 시대… 변화하는 SK하이닉스

2019년 이후에는 모바일이 정체기에 접어들면서 새로운 성장 동력을 찾는 움직임이 거세졌다. 접히는 스마트폰이 주목받았고, 삼성전자는 2019년 9월 갤럭시 폴드를 내놓으며 폴더블 시장을 선점했다.

“신종 코로나바이러스감염증, 확산세가 심상치 않다.”

2020년에는 일상을 근본적으로 뒤바꾼 사건이 전 세계를 강타했다. 코로나바이러스감염증-19(COVID19)였다. 감염병 확산 이후 사회적 거리두기가 본격화함에 따라 비대면 IT 서비스가 급격히 성장했다. 단적인 예로 화상회의 플랫폼 줌(Zoom)은 2020년 195%라는 폭발적인 성장률*을 기록했다.

* Zoom Blog REPORTS, 2022.01.25(blog.zoom.us)

이 가운데 SK하이닉스의 기술 혁신은 계속된다. SK하이닉스는 2019년 6월 ‘세계 최초 128단 1Tb TLC 4D 낸드플래시’를 양산하고, 2020년 12월 ‘업계 최고층 176단 512Gb TLC 4D 낸드플래시’를 개발했다.

128단 1Tb 4D 낸드로 제품을 구현하면, 512Gb 대비 낸드 개수를 줄일 수 있었다. 소비 전력은 20% 낮아지고 패키지 두께도 1㎜ 얇아져 모바일에서 최적의 효과를 냈다. 176단 4D 낸드는 이전 세대보다 35% 향상된 비트 생산성, 20% 빨라진 읽기 속도, 33% 개선된 데이터 전송 속도(1.6Gbps)를 보여줬다.

SK하이닉스는 강세를 유지 중인 D램 영역에선 차세대 제품으로 고도화를 꾀했다. 2013년 12월 TSV* 기반 HBM* 제품을 업계 최초로 내놓은 데 이어 2019년 8월 ‘업계 최고속 HBM2E D램’을 개발했다. 이는 인공지능(AI) · 머신러닝 · 빅데이터 서비스에 적합한 고사양 메모리 솔루션이었다.

* TSV(Through Silicon Via.): 2개 이상의 칩을 수직 관통하는 전극을 형성해 칩 간의 전기적 신호를 전달하는 패키지 방식으로 성능은 높이면서 크기를 줄일 수 있어 차세대 패키지로 주목받음.
* HBM(High Bandwidth Memory, 고대역폭 메모리): TSV 기술을 활용해 기존 D램보다 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올린 고성능 제품.

2020년 10월에는 ‘세계 최초 DDR5’를 출시하며 D램 강자임을 증명했다. 2018년 11월 세계 최초 DDR5 개발에서 이어진 또 한 번의 세계 기록이었다. 이 제품의 전송 속도는 DDR4 대비 1.8배 빨랐고, 동작전압은 1.1V로 이전 세대 대비 20% 감축됐다. 칩 내부에 오류정정회로(ECC, Error Correcting Code)를 내장해 셀(Cell) 내 1비트(bit)의 오류까지 보정하는 능력도 갖췄다.

이렇듯 SK하이닉스는 낸드와 차세대 메모리 개발에 힘을 주는 등 체질을 개선하며 2020년 한 해를 마무리했다. 그 사이 전 세계는 ‘메타버스’라는 새로운 트렌드를 향해 달려가고 있었다.

더 머나먼 미래로

“메타버스는 2024년 약 2,969억 달러까지 성장할 것으로 전망한다.*”

코로나19가 불러온 변화는 상당했다. 비대면이 일상화하며 2021년은 메타버스의 해로 불러도 어색하지 않을 만큼 많은 투자가 이뤄졌고 서비스가 쏟아져 나왔다. 2022년 사회적 거리두기가 완화되고 일상을 회복하면서 성장세가 다소 주춤해졌지만, 기술 개발은 현재도 진행형이다.

* Metaverse potential market opportunity worldwide 2021, by scenario(in trillion U.S. dollars), statista, 2021.12

2021년은 AI에서도 눈에 띄는 발전을 이뤘다. 2020년 공개된 거대 언어 모델 GPT-3*는 AI에 대한 새로운 가능성을 보여줬다. 활용 사례도 속속 등장했다. SK텔레콤은 2022년 5월 GPT-3 기반의 ‘A.(에이닷)’을 론칭했다. 하나의 주제로 대화를 주고받는 ‘맥락 대화’가 가능한 AI 서비스였다.

* GPT-3 : 오픈(Open)AI가 개발한 AI 언어 모델. 1,750억 개의 변수를 가지고 있을 만큼 방대하며, 기계가 인간의 언어를 이해하고, 구사할 수 있도록 해준다.

SK하이닉스의 최초 · 최고 기록에서도 이러한 IT 트렌드를 엿볼 수 있다. SK하이닉스는 저전력 고성능이 중요한 모바일과 메타버스에 대응하고자 LPDDR을 고도화했다. 또한, 방대한 양의 데이터 학습이 핵심인 AI에 대응하기 위해 HBM, PIM* 등 차세대 메모리 반도체에 대한 투자도 아낌없이 진행했다.

* PIM(Processing In Memory) : 메모리 반도체에 연산 기능을 더해 AI, 빅데이터 처리 분야에서 데이터 이동 정체 문제를 해결한 차세대 반도체.

2021년 3월에는 ‘업계 최대 용량 LPDDR5 모바일 D램’을 양산했다. 18GB 제품으로 기존 16GB 제품보다 20% 빠른 6,400Mbps로 동작했다. 10월에는 ‘업계 최초 HBM3 D램’을 개발했다. HBM2E를 잇는 HBM 4세대 제품으로, TSV 기술이 적용됐고 초당 819GB의 데이터를 처리했다. 용량은 24GB로 업계 최대였다.

낸드에서도 기록이 나왔다. SK하이닉스는 2021년 4월 ‘업계 최고 성능 기업용 SSD 신제품(PE8110 E1.S)’을 양산했다. PE6110과 비교해 읽기 속도는 최대 88%, 쓰기 속도는 최대 83% 향상된 제품이었다.

2022년 8월에는 ‘세계 최초 238단 512Gb TLC 4D 낸드’ 개발에 성공했다. 세계 최고층이자 최소 사이즈인 이 제품은 전작 대비 생산성이 34%, 데이터 전송 속도가 50%(초당 2.4Gb) 향상됐고, 읽기 에너지 사용량은 21% 줄었다. SK하이닉스는 FMS 2022(Flash Memory Summit 2022)에서 238단 4D 낸드를 처음 공개하며, 대한민국 낸드 기술의 위상을 다시 한번 높였다.

세계 기록을 세우고 성과를 갱신하는 사이, SK하이닉스는 출범 10주년을 맞는다. 2022년 3월, 이천 캠퍼스에는 지난 세월을 빛낸 하이지니어들이 모였다. SK하이닉스 출범 10주년을 축하하기 위해 모인 구성원들이었다.

▲ 박정호 부회장이 SK하이닉스 출범 10주년 행사에서 향후 100년을 향한 회사의 비전을 발표하고 있다.

“제조기업이라는 틀에 갇혀서는 기업가치를 높이는 데 제약이 있습니다. 고객의 Pain Point(페인 포인트)를 먼저 찾아 해결하는 ‘Solution Provider(솔루션 프로바이더)’로 진화합시다.”

출범 1주년 행사에서 ‘르네상스’를 다짐했던 하이지니어들은 이 자리에서 박정호 부사장과 함께 10주년을 자축했다. 이와 함께 ‘틀을 깨는 초협력’을 외쳤다. ‘회사의 부흥을 넘어 세계를 바꾸는 기업으로 거듭나자’는 선언이었다. 호황과 불황을 오가는 불안정한 업황 속에서 늘 혁신을 주도하며 위기를 극복해온 SK하이닉스. 그동안 써 내려온 역사가 증명하기에 이들의 선언은 더욱 묵직하게 울려퍼졌다.

출범 10주년의 선언처럼, SK하이닉스는 앞으로도 최초 · 최고의 제품, 세계적인 제품을 쏟아내며 ‘We Do Technology’의 가치를 이어 나갈 예정이다.

“창사 이래 최대 매출, 최대 성과를 이뤘다.”

희망찬 CEO 메시지와 함께 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)의 2007년이 포문을 열었다. 지난 2006년 워크아웃을 조기 졸업하고, 연간 매출 2조 원 클럽에 이름을 올리는 등 어느 때보다 값진 한 해를 보냈던 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)였다. 새해를 맞으며 구성원들 얼굴엔 자신감이 가득했고, 가슴 속엔 자긍심이 타올랐다.

하지만 이들이 헤쳐 나가야 할 길은 순탄치만은 않았다. 대만발(發) D램 치킨게임, 글로벌 금융위기 등 숱한 난관이 도사리고 있었다. 그 속에서 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 1Gb GDDR5 D램, 1Gb LPDDR2 등 세계 최초 · 최고 제품을 개발하고, 급변하는 IT 시장에 대응하며 내실을 다져나갔다.

태동하는 모바일 시대, 그리고 M10의 기적

“Today, Apple is going to reinvent the phone(오늘, 애플은 휴대전화를 재발명할 것이다).”

2007년 1월 9일, 故 스티브 잡스의 목소리가 미국 샌프란시스코 모스콘센터에 울려 퍼졌다. 목소리는 흔들림이 없었고 확신에 차 있었다. 모바일 시대가 태동한다는 확신이었다. 같은 해 여름, 애플은 아이폰(iPhone)을 미국 시장에 처음 판매했고, 사람들은 마침내 ‘스마트폰’이라는 신문물을 접하기 시작했다.

아이폰이 시장을 급격히 바꾸진 않았지만, 모바일 시장이 재편되고 있음은 분명해 보였다. 특히 모토로라는 2007년 13.9%의 점유율 급락을 보이며, 피처폰이 황혼기에 접어들었음을 암시했다. 반면 카메라 모듈 시장은 지속 성장했다. 2007년 이후 휴대전화의 카메라 모듈 탑재율은 95%*에 육박했다.

‘폰카’가 대중화하자 UCC*도 급부상했다. 대한민국에서 <원더걸스 – 텔미> 열풍이 분 것도 이즈음이다. 2007년 겨울, 복고풍 안무를 따라 추는 ‘텔미 UCC 영상’은 전국을 떠들썩하게 했다.

* 카메라모듈 센서/부품 수요산업과 지능형 반도체산업 최신 동향분석, R&D정보센터, 지식산업정보원, 2019.06.18
* UCC : User Created Contents. 사용자가 직접 제작한 저작물로 인터넷, 휴대전화 등 정보통신 기술이 발전하며 유행처럼 떠올랐다.

이 무렵 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 성큼 다가온 모바일 시대에 발맞춰 개발에 몰두하고 있었다. 2007년 9월에는 ‘세계 최초 24단 적층형 낸드플래시(NAND Flash) 멀티칩패키지(MCP)*’를 개발했다. 10원짜리 동전 두께로 반도체 칩 24개를 쌓은 제품이었다. 부피가 작은 이 제품은 더 많은 데이터를 저장할 수 있어 휴대용 전자기기에 적합했다.

* MCP : Multi-chip Package. 메모리 칩 여러 개를 쌓아 하나의 패키지로 만든 반도체.

고성능 컴퓨팅 및 그래픽 구현을 위한 D램 개발도 계속됐다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 11월 ‘세계 최초 그래픽용 60나노급 1Gb GDDR5 D램’을 내놨다. 초당 20GB 데이터 처리가 가능한 세계 최고속 D램이었다. 이 제품은 핀당 5Gbps 최대 동작속도를 구현하는 등 고해상 그래픽에 최적화됐다는 평을 받았다.

세계 기록이 이어지는 가운데, 뜻하지 않은 위기도 맞닥뜨렸다. 대만발(發) D램 치킨게임*이었다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 M11(낸드플래시용 300㎜ Fab)을 착공하고, CIS* 사업에 재진출하며 위기에 맞섰다. CIS 재진출은 카메라 모듈 급성장에 대응하는 전략이었다.

* 치킨게임 : 어느 한쪽이 이길 때까지 피해를 무릅쓰며 경쟁하는 게임. 2007년 D램 치킨게임으로 전 세계 D램 가격이 폭락했다.
* CIS : CMOS Image Sensor. CMOS 구조를 가진 저소비 전력형 촬상 소자. 휴대전화 카메라, 스마트TV, 의학용 소형 촬영 장비 등 디지털 기에 탑재된다.

▲ 웨이퍼 월 10만 장 생산 기념 축하 행사에 참여 중인 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체) 구성원들.

위기를 극복하는 동안 의미 있는 성과도 거뒀다. 2007년 4월 M10 Fab에서는 ‘웨이퍼 월 10만 장 생산’이라는 기록이 나왔고, 5월에는 ‘완제품 1억 개 생산’을 돌파했다.

“8㎏ 웨이퍼 박스를 사원들이 번쩍 들어 올려 옮기는 것을 쉽게 발견할 수 있었다. 자동화 장비의 인터벌 타임 1초도 참지 못한 직원들이 직접 옮기고 나선 것이다. 누구의 지시에서 비롯된 것이 아니었다.”

당시에 대한 회상이다. 구성원 스스로 의지에서 탄생한 생산량 신기록. 훗날 사람들은 이를 두고 ‘M10의 기적’이라 불렀다.

넷북 잡고, 모바일 준비하고… 위기 속 준비한 미래 먹거리

한 해의 시작은 늘 설레고 기대되기 마련이지만, 2008년은 사뭇 달랐다. 미국발(發) 서브프라임 모기지 사태로 금융 시장이 불안정해졌고, 세계 경제가 침체에 빠진 탓이었다. 이에 따라 세계 도처에선 가성비 바람이 불었다.

주목할 사건은 인텔 아톰 프로세서(Intel® Atom Processor)의 탄생이었다. 아톰은 저사양, 저전력, 저가 CPU였다. 주로 20~30만 원대 넷북(Netbook)*에 탑재되며, 이 시장이 급성장하는 데 큰 역할을 했다.

* 넷북 : 성능보다 휴대성을 극대화한 초미니 PC로 랩톱보다 얇고 가볍고 작게 만든 제품. 인터넷 검색 및 문서 작업에 최적화.

가성비가 부상하는 와중에 아이러니한 현상도 발생했다. KOTRA 설문 결과 주요 10개국 히트상품 1순위가 아이폰*이었다. 아이폰은 경쟁사 대비 20~30% 비싼 가격을 형성하고 있었다. 이는 불황 속에서도 전 세계가 모바일 시대로 빠르게 진입하고 있음을 시사했다.

* Journal of Korean Electronics, 한국전자산업진흥회, 2009년 1월호

SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)도 모바일향 제품으로 대응했다. 2008년 4월에는 ‘세계 최고속 1Gb LPDDR2*’를 공개했다. 66나노 초미세 공정, 1.2V 저전압에서 800Mbps 데이터 전송 속도를 자랑하는 제품으로, 모바일에 최적화된 반도체였다. 12월에는 ‘세계 최초 2Gb 고용량 모바일 D램’도 선보였다. 54나노 초미세 공정이 적용된 제품으로, 최대 400Mbps 데이터 전송 속도를 냈다. 초당 데이터 처리량은 1.6GB였다.

* LPDDR : Low Power DDR. D램 중에서도 크기가 작고 전력 소모가 적어 모바일에 주로 쓰이는 반도체.

SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 2008년 11월 ‘세계 최고속 그래픽용 54나노 1Gb GDDR5 D램’을 내놓으며, 고사양 그래픽용 D램 선두 자리도 지켰다. 이 제품은 기존 대비 40% 향상된 7Gbps 속도를 보여줬다. 낸드 영역에서는 2008년 6월 ‘세계 최초 3중셀(X3) 기술 기반 32Gb 낸드’를 개발하는 성과를 냈다. 여기에는 하나의 셀 안에 세 개의 정보를 담는 기술(TLC)*이 적용됐다. 덕분에 MLC 대비 칩 면적을 30% 줄여 원가를 절감할 수 있었다.

* 한 개 셀(Cell)에 몇 개의 정보(비트 단위)를 저장하느냐에 따라 SLC(Single Level Cell, 1개)-MLC(Multi Level Cell, 2개)-TLC(Triple Level Cell, 3개)-QLC(Quadruple Level Cell, 4개)-PLC(Penta Level Cell, 5개)로 나뉨. 저장량이 늘면 같은 면적에 더 많은 데이터 저장.

▲ 세계 최초 양면 기판 기술을 적용한 모습.

SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 ‘세계 최초 양면 기판(Double Substrate) 기술’ 개발로 비용 절감을 추진하며, 지속되는 불황에 맞서기도 했다. 한 번의 공정에 두 개의 기판을 위 · 아래로 붙여 생산하는 기술을 통해 생산설비 추가 없이 생산성을 2배 높일 수 있었다.

살아남는 자가 강자… 불황 속 쏟아진 혁신

불황의 그림자는 2009년에도 깊게 드리웠다. 그럼에도 변화는 계속됐고, 혁신은 끊임없었다. 사회 분위기에 활기를 불어넣은 것은 아이폰3GS 국내 상륙 소식이었다. 이는 국내 스마트폰 시장 경쟁을 본격화한 신호탄이 됐다. 같은 해 대학가에선 넷북 열풍이 불었다. 직장인은 세컨드 PC로, 학생들은 학습용 PC로 넷북을 구매했다. 2007년 급성장한 넷북은 어느새 PC 시장의 20%를 차지할 만큼* 성장해 있었다.

* Quarterly Notebook PC Shipment and Forecast Report, DisplaySearch, 2009

이 시기 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 모바일과 PC 두 분야에서 승기를 잡고자 고군분투했다. 모바일 D램에서는 2009년 4월 ‘세계 최고 성능 1Gb LPDDR2’ 개발 기록이 나왔다. 54나노 초미세 공정이 적용된 이 제품은 1.2V(최대 1.14V) 저전압에서 1,066Mbps 속도를 자랑했다. 소비전력은 기존 모바일 D램의 50%였다.

컴퓨팅 D램에서는 2009년 2월 ‘세계 최초 44나노 DDR3 D램’ 개발이라는 기록을 세웠다. 54나노 제품과 비교해 생산성이 50% 향상된 제품이었다. 최대 속도는 2,133Mbps를 지원했다. 12월에는 ‘세계 최초 그래픽용 40나노급 2Gb GDDR5 D램’을 공개했다. 7Gbps 속도, 초당 28GB 데이터를 처리하면서 1.35V 저전력으로 동작하는 제품이었다. 그러면서 50나노급 1Gb 제품보다 용량이 두 배 증가했다.

▲ 구성원들이 ‘다물 프로젝트’를 공유하며 위기 극복 의지를 다지고 있다. 다물에는 ‘과거의 영광을 되찾겠다’는 의미가 담겼다.

SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)가 세계 기록을 갈아치우고 있는 사이 업계에선 지각변동이 일어났다. D램 치킨게임을 견디지 못한 기업이 휘청이기 시작했다. 반면 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 독자생존을 이뤄내며, 치킨게임 승자로 거론되고 있었다. 2009년 3분기, 회사는 8분기 만에 다시 흑자전환에 성공하게 된다.

변동성 큰 시장에서 휘청… SK 손잡은 하이닉스반도체

2010년 무렵에는 흥미로운 논쟁이 인터넷을 뜨겁게 달궜다. 애플과 삼성전자 팬들의 스마트폰 우위 논쟁이 서막을 연 것. 이것이 상징하는 바는 명확했다. 모바일 선택지가 다양해졌다는 이야기다. 2010년을 기점으로 스마트폰 열풍의 결은 달라졌다. 국내 제품이 부상했는데, 특히 갤럭시 시리즈의 선전이 돋보였다. 그 결과, 2009년 70만 대였던 국내 스마트폰 판매 대수는 2010년 700만대로 폭발했다.

2011년 8월에는 PC 기반 SNS ‘싸이월드’가 모바일 기반 SNS ‘페이스북’에 왕좌를 내어준 사건*도 발생했다. 치열한 경쟁 끝에 방문자 수를 앞지른 것이다. 모바일 SNS 시대가 도래했음을 의미했다.*

* ‘페북 대 구글’ SNS 불꽃경쟁, 소비자는 즐겁다, 정유경 기자, 한겨레, 2011.10.10

이에 따라 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)도 모바일 전략에 속도를 냈다. 2010년 1월에는 ‘세계 최초 40나노급 2Gb 모바일 D램’을 발표했다. 성능은 1Gb LPDDR2 제품과 동일하지만, 용량은 두 배 늘었다. 12월에는 ‘세계 최초 30나노급 4Gb DDR3 D램’을 공개하며 프리미엄 D램 시장도 선도했다. 서버에 특화된 이 제품은 40나노급 DDR3 D램 대비 생산성이 70% 높았다. 최대 2,133Mbps 데이터 전송 속도를 보이며, 1.25V 저전압 구동도 가능했다.

2011년 3월에는 ‘TSV 기술을 활용한 세계 최대 용량 D램’도 개발했다. TSV(관통 전극)* 기술로 40나노급 2Gb DDR3 D램을 8단으로 적층했는데, 이로써 단일 패키지에서 16Gb를 구현할 수 있었다. TSV는 기존 와이어본딩* 대비 2배 이상 적층하고, 동작 속도는 50% 향상하며, 소비 전력은 40% 감소하는 효과를 냈다.

* TSV : Through Silicon Via. 2개 이상의 칩을 수직 관통하는 전극을 형성해 칩 간의 전기적 신호를 전달하는 패키지 방식으로 성능은 높이면서 크기를 줄일 수 있어 차세대 패키지로 주목받음.
* 와이어본딩 : 반도체 전극부와 리드 프레임 사이를 가느다란 금이나 알루미늄 선으로 접속해 외부 회로와 연결하는 것.

이 같은 기술 혁신은 크고 작은 부침 끝에 탄생한 것이기에 더욱 의미 있었다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 변동성이 큰 환경에서도 연구 개발에 투자를 아끼지 않았는데, 이는 곧 기술 혁신의 원천이었다.

▲ 임직원들이 모여 SK하이닉스 공식 출범을 알렸다.

한편, 흑자와 적자전환을 오가는 불투명한 미래는 회사의 발목을 잡기도 했다. 지난 2009년 주주단은 회사 매각을 본격화했는데 2차례나 불발된 바 있다. 사업 변동성과 대규모 투자금이 원인이었다. 그러던 2011년 7월, SK그룹이 인수 의사를 밝혔다. D램 불황, 주춤한 실적 등 미래가 불투명한 상황에서도 SK의 인수의지는 확고했다.

▲ SK그룹 최태원 회장이 SK하이닉스 출범식에 참석해 ‘한마음 한뜻으로 함께 성장해 나갈 것’을 약속했다.

“무슨 일이 있어도 반도체 사업은 한다.”

최태원 회장의 입장이었다. 그리고 2012년 3월 26일, 하이닉스반도체가 ‘SK하이닉스’란 이름으로 출범했다.

시가총액 13조에서 95.3조 기업으로 거듭난 고속 성장의 역사, 최고속 모바일 D램부터 세계 최고층 낸드, 지능형 메모리 개발까지 이어지는 ‘차세대 반도체 역사’가 마침내 시작된 것이다.

[3부에서 계속]

반도체 역사를 부탁해

“SK하이닉스의 기념비적인 제품을 조명합니다.”

세계 무대를 수놓은 ‘최초 · 최고의 반도체’와 그 시절의 IT 트렌드를 모두 담았습니다. 2000년부터 현재까지 이어지는 SK하이닉스 반도체 대서사시를 3부에 걸쳐 소개합니다.

“마침내 최초의 결실이 맺어졌다.”

지난 1984년 12월. 16K S램 굿 다이(Good Die)* 시험생산 소식이 사내 방송을 타고 울려 퍼졌다. SK하이닉스가 창립 이래 내놓은 첫 반도체였다. ‘반도체 굿 다이 생산 1호 소식’에 사내는 감격과 흥분의 목소리로 가득 찼고, 이천 읍내에선 한바탕 잔치가 펼쳐졌다. 1984년 당시의 기록이다.

* 제대로 작동하는 반도체 칩을 일컫는 단어

성공적으로 첫발을 내디딘 이들은 1998년 세계 최고속 128M SDRAM, 2001년 세계 최고속 그래픽용 128M DDR SDRAM 등을 개발, 최초 · 최고 기록을 갈아치우며 세계 굴지의 종합 반도체 기업으로 거듭났다. 그리고 SK하이닉스의 혁신은 2021년 업계 최초 24Gb DDR5 램 출하, 최고 사양 HBM3 개발 등 현재까지 명맥을 이어가고 있다.

38년간 이어온 혁신의 역사이자 세계적인 기록들. SK하이닉스 최초 · 최고의 순간을 뉴스룸에서 소개한다.

“0.16 미크론으로 통일하라” 위기가 만든 세계 기록

2000년대 초반, 밀레니엄을 맞은 흥분이 채 가시기도 전이었다. 온 세상은 새 시대, 새천년을 외치며 한껏 들떠 있었고, 사람들은 또 한 번 극적인 변화에 맞닥뜨렸다.

일상을 바꿔놓은 것은 단연 인터넷이었다. 고작해야 PC 통신이 네트워킹의 전부였던 사람들에게 인터넷은 그야말로 혁명에 가까운 도구였다. 동네에선 ADSL · 초고속 인터넷 설치 따위의 전단을 흔치 않게 볼 수 있었고, 인터넷 설치 가구는 해를 거듭하며 불어났다. 그 사이 가정용 PC는 사치품에서 필수품의 영역으로 들어왔다. 1994년 30.7%였던 국내 가정용 PC 보급률은 2001년 80%에 육박했다.

학생들은 MP3 플레이어를 하나씩 손에 쥐기 시작했다. 플래시 메모리가 고가였기에 32MB 용량의 기기도 20만 원을 훌쩍 넘겼지만, 인기는 식을 줄 몰랐다.

대한민국이 2002 한일월드컵을 지나 디지털 사회로 빠르게 변화하는 사이 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)에도 역사적인 사건이 연이어 터졌다. 특히 가정용 PC 보급과 인터넷의 대중화, 새로운 기기의 등장은 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)에도 적지 않은 영향을 주었고, 세계 최초 · 최고의 기록을 부추겼다.

새 천년을 장식한 첫 번째 기록은 세계 최고속 ‘그래픽용 64M DDR SDRAM’이었다. 2001년 4월 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 회로선폭 0.18미크론* 가공 기술을 활용, 200~275㎒ 주파수에 동기화하고, 초당 550만 개의 데이터를 처리할 수 있는 64M DDR SDRAM을 내놨다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 이 DRAM을 두고 “WAN(광역 네트워크), LAN, 인터넷 라우터용 메모리에서 수요가 예상된다”고 했다. 당시 시대상이 드러나는 대목이다.

* 1미크론=100만분의 1미터

같은 해 12월, SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 회로선폭을 더욱 줄인 신제품을 출시했다. 0.16미크론 미세 회로선폭 기술이 적용된 ‘그래픽용 128M DDR SDRAM’이었다. 세계 최고속 375㎒ 속도를 자랑했다. 처리 가능한 데이터는 초당 최대 750만 개였다. 2002년 12월에는 업계 최고속 ‘그래픽용 256M DDR SDRAM’ 샘플을 공개했다. 256M에서 업계 최고속 300㎒ 동작속도를 구현한 제품이다.

▲ 128M DDR 개발을 기념하며 현판식을 하고 있다

한편, SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)의 혁신 배경에는 위기극복 DNA가 자리하고 있었다. 2000년대 초 회사는 IT버블 등 악재를 겪으며 고강도 자구책을 추진했다. 그중 하나가 각 공정의 FAB 기술을 0.16미크론으로 통합하는 기술 고도화였다. 어려움 속에서도 기술 개발의 끈을 놓지 않았던 위기극복 정신이 결국 2001년 세계 기록의 밑거름이 된 셈이다.

“프라임칩 넘어 골든칩 향한다” 끊임없는 혁신

2003년에 접어들며 IT 시장은 변화의 흐름을 보였다. 90년대 후반부터 지속 성장했던 PC 산업은 완만한 곡선을 그리기 시작했다. 시장은 성숙기로 접어들었으며, 가정용 PC 시장은 2002년 대비 14.9% 감소한 수치*를 보였다.

* Journal of Korean Electronics, 한국전자산업진흥회, 2004년 1월호

이 틈을 비집고 나온 디바이스가 있으니, PDA와 태블릿 PC였다. 설문*에 따르면 많은 얼리어답터가 PDA를 1순위(60%) 포스트 PC로 꼽았다. 태블릿 PC(24%)와 스마트폰(15%)이 차례로 뒤를 이었다.

* 2003년 포스트PC산업 백서, 산업자원부

▲ 0.13미크론 프라임칩 수율 확보를 위해 업무에 몰두하고 있다.

차세대 PC 논쟁이 뜨거운 가운데, SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 창립 20주년을 맞았다. 당시엔 IT버블에 대응하고, 채권단 공동관리(워크아웃) 속에서 고군분투하고 있었다. ‘칩패밀리’가 탄생한 것도 이즈음이다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 새로 개발한 칩에 별칭을 붙여 칩패밀리를 완성했다. 블루칩, 프라임칩, 골든칩*이 대표적이다.

* 블루칩: 0.15미크론 이하 공정개발을 위해 핵심 공정장비인 노광장비의 성능을 향상시키고, 첨단 공정기술로 투자비용을 경쟁사 대비 3분의 1로 줄인 기술
* 프라임칩: 블루칩 기술 향상 및 0.13미크론 이하 첨단 공정기술. 블루칩 공정과 95% 이상 통일성 유지
* 골든칩: 블루칩, 프라임칩 핵심기술을 0.10~0.11미크론 제품까지 확대 적용, 추가 투자비용을 경쟁사 대비 50% 줄인 기술

DDR500은 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)가 2003년 7월 출시한 프라임칩이었다. 0.13미크론 기술이 적용된 ‘256M DDR SDRAM’으로, 세계 최고속 500㎒ 동작속도를 자랑했다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 가격 프리미엄이 높은 DDR500을 통해 세계적인 기술력을 입증하는 동시에 수익성 확보라는 두 마리 토끼를 잡게 된다.

2003년 8월에는 또 다른 세계 기록이 나왔다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 0.11미크론(골든칩) ‘1G DDR2 DRAM’을 세계 최초로 개발했다. 기존 DDR 제품보다 동작전압은 낮고, 데이터 처리 속도는 2배 이상 빠른 DRAM이었다. 이 제품은 업계에서 흔치 않은 1G 스펙으로 더욱 높은 관심을 받았다.

그리고 경쟁력 높은 제품을 앞세운 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 2003년 흑자전환에 성공하게 된다. 6분기 만에 이뤄낸 흑자전환이었다.

“MP3 · 디카 · 폰카 잡아라” 황금기 맞아 생존에서 성장으로

“너에게 난 해질녘 노을처럼~”

2003년 가을, 익숙한 멜로디의 노랫말이 TV 광고에 실려 전파를 탔다. 광고와 함께 인기를 얻은 제품은 디지털카메라였다. 2000년 1,034만 대 규모의 전 세계 디지털카메라 시장은 2003년 4,341만 대로 무려 60% 이상 치솟은 상황이었다. 열풍은 2004년에도 지속됐다.

사진에 대한 사람들의 열망은 산업계 곳곳으로 번져 카메라폰 시장을 키웠다. 국내 휴대폰 시장에서 카메라폰이 차지하는 비중은 2004년 1분기에 이미 80%에 육박*했다. MP3 플레이어도 고속 성장하여 2004년엔 180만 대 규모의 시장을 형성했다. 2003년 대비 100만 대 넘게 치솟은 규모였다.

* 카메라폰과 디지털카메라, 동반인가 경쟁인가, LG주간경제, 2004.07.21

디지털카메라, 카메라폰, MP3 등의 폭발적인 수요는 DRAM 호황으로 이어졌다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)의 최초 · 최고 기록도 줄줄이 나왔다. 2004년 3월에는 업계 최초 ‘랩톱(Laptop)용 1GB DDR2 모듈(SODIMM)’과 ‘고성능 서버용 2GB DDR2 모듈(RDIMM)’이 출시됐다. 골든칩 기술 적용 제품으로 533㎒ 동작속도를 보여줬다. 두 제품은 3.8㎜ 초박형을 자랑하며, 공간 및 냉각 효율이 높은 제품으로 이름을 알렸다.

2004년 4월에는 세계 최고속 ‘DDR SDRAM 550㎒’가 양산됐다. 2003년 7월 500㎒ 제품을 출시한 지 8개월 만의 성과였다. 550㎒ 제품은 고성능 PC를 선호하는 게이머 등으로부터 많은 사랑을 받았다. 특히 이 제품은 DDR SDRAM 400㎒ 대비 두 배 높은 가격으로 매출을 이끄는 일등공신 역할을 했다.

같은 해 NAND Flash에서도 최초 기록이 나왔다. 2월 초 개발된 ‘512Mb NAND Flash’ 제품은 곧바로 양산에 들어갔고, 첫 매출을 올렸다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)가 생산한 NAND 제품으로는 최초의 매출이었다.

▲ T1프로젝트 추진 중, M10라인 300㎜ 장비 반입식이 열리고 있다

한편, SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 DRAM 호황과 경쟁력 높은 제품을 바탕으로 2004년 손에 꼽는 성과를 거두게 된다. DRAM 매출은 전년 대비 68.3% 급증했다. T1프로젝트* 성공부터 고부가가치 제품 출시, 최대 매출 달성까지.SK하이닉스(당시 하이닉스반도체) 역사상 가장 의미 있던 한 해가 그렇게 저물고 있었다.

* 웨이퍼 라인을 300㎜ 웨이퍼 라인(M10)으로 리모델링하는 프로젝트

경영 안정화, 혁신은 계속된다

2006년은 맷돌춤을 앞세운 휴대전화 광고가 전국을 휩쓸었다. 스카이 브랜드의 PMP(Portable Multimedia Player)* 폰 광고였다.

* Portable Multimedia Player, 휴대용 동영상 플레이어

TVC가 보여주듯 2005년 이후 IT 키워드는 디지털 컨버전스로 대표된다. 소비자들은 하나의 기기에서 다양한 기능을 이용하길 원했고, MP3 플레이어, PMP, 카메라 등 온갖 기능이 휴대전화로 통합되기 시작했다. 고유가에 따른 불황이 지속되는 상황이었지만, 컨버전스 제품에 대한 세계적인 수요 증가로, 디지털 기기와 반도체 분야는 불황 속 호황을 맞고 있었다.

같은 시기 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 워크아웃을 조기에 졸업하고, 안정화에 나섰다. 2005년 2분기에는 DRAM 업계 매출 2위 자리를 탈환했다. NAND Flash 실적도 호조였다. 8월 NAND 분야에서는 세계 매출 3위 자리를 꿰찼다. 2006년 4분기에는 순이익 1조 원을 돌파하며, 연간 순이익 2조 원 클럽에 이름을 올렸다.

최초 · 최고의 기록도 모바일이 급부상하는 트렌드와 맞물렸다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 2006년 12월 세계 최고속 · 최소형 ‘512Mb 모바일 DRAM’ 개발에 성공했다. 동작속도는 200㎒이며, 기존 제품 대비 1.5배 빨랐다. 초당 데이터 처리량은 1.6GB였다. 크기는 8×10㎜로 모바일에 최적화됐다.

DDR2 DRAM의 성능 향상도 꾸준했다. 같은 해 SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 세계 최초로 ‘60나노급 1Gb DDR2 DRAM’을 사용하여 세계 최고속 800㎒ 동작속도를 구현하는 메모리 모듈을 개발했다. 이제 초미세 공정기술은 미크론과 90나노, 80나노를 거쳐 60나노급에 이르게 된다. SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 최고속 · 저전력 특성을 가진 이 제품으로, 모바일 DRAM에 확대 적용할 수 있는 기반도 다졌다.

GDDR 분야에서는 2005년 12월 세계 최고속 · 최대 용량 ‘512Mb GDDR4 DRAM’을 개발하는 성과를 냈다. GDDR3 그래픽 메모리 대비 데이터 처리 속도가 약 2배 향상(11.6GBps)된 제품이었다. 당시 DRAM 속도 한계로 여겨졌던 10GBps를 완벽히 뛰어넘는다는 평가를 받았다.

이렇게 최초 · 최고 기록을 경신하며 승승장구하는 가운데, 매출과 대외적인 평가는 하루가 다르게 치솟았다. 2006년의 해가 넘어갈 무렵, SK하이닉스(당시 하이닉스반도체)는 인텔 · 삼성전자 · TI · 도시바 · AMD 등 전 세계 10대 반도체 기업과 어깨를 견주고 있었다*. [2부에서 계속]

* 2006년 세계 반도체 기업 매출 순위, 아이서플라이