[메모리 테크 데이 2023] 내일을 담은 메모리 반도체

이제는 육안으로 확인하기 어려울 정도로 작은 메모리 칩이 정말 전 세계적으로 영향을 끼치는지 묻는다면 대답은 ‘그렇다’다. 특히 데이터센터를 중심으로 급속한 변화를 겪고 있는 글로벌 환경에서 메모리는 그 핵심에 있다. 지난해 미국 산호세에서 열린 삼성 메모리 테크 데이에서는 ‘시스템 레벨의 협업과 새로운 기회’를 관련 세션 주제로 업계가 공감하는 내용을 자세히 설명하는 시간을 가졌다. 발표자들은 DRAM과 플래시 스토리지의 놀라운 발전에 힘입어 글로벌 중심에 있는 데이터센터에서 동적 클라우드를 구현할 수 있었다고 말했다. 특히 PCIe 6.0은 PCIe 5.0을 개선한 것으로, 설계 및 IP 공급업체 간의 협업을 통해 새로운 프로젝트에 활기를 불어넣었다. 하지만 모두가 언급하기를 꺼리는 문제, 즉 어떻게 에너지 소비 증가와 천연자원 고갈 없이도 클라우드 용량과 기능을 높일 수 있을지에 대한 논의 없이는 이야기가 끝나지 않을 것이다. 실제로 그 간 발전된 기술로 인해 한 세기 이상 지속된 탄소 배출량 증가 추세를 되돌릴 수 있도록 도와주었다. 세계는 이토록 작은 메모리 디바이스에 큰 성과를 기대하고 있다. 그렇다면 이러한 기대와 삼성의 역할은 무엇일까. 미래에 데이터센터를 구축하는 기업은 다음과 같은 일을 하게 될 것이다.

• • 더욱 정교한 플랫폼의 신속한 구현을 전담하는 지원 파트너의 협업 슈퍼 네트워크를 통해 서버를 설계
  • 위험 비용 부담 없이 기술을 비약적으로 발전시킬 수 있는 전문 연구소에서 설계와 이론 테스트

그리고 데이터센터가 운영되기 시작하면 다음과 같은 일을 수행할 것이다.

• • 전 세계 바다 깊은 곳에서 자유 냉각을 활용하여 메모리를 그 어느 때보다 더 빠르고 더 고부하 상태에서 실행
  • 더 많은 성능과 용량을 가졌지만 더 낮은 전력을 소비하는 디바이스를 기대
  • 서버 수명 주기 동안 엄청난 수의 디바이스를 재활용

'클라우드'를 통해 데이터 센터에 접근하는 사용자는 다음과 같이 할 수 있다.

• • 거대 다국적 대기업부터 소규모 스타트업까지, 각자의 특정 요구 사항에 대한 맞춤형 처리
  • 확장 용이성, 비용 및 보안의 균형을 유지하면서 선택한 퍼블릭 또는 프라이빗 클라우드에서 운영

이러한 메모리 기술을 선도하는 기업인 삼성은 미래의 더 나은 세상을 위해 미래의 기술 계획과 환경 보호에 대한 책임이 차세대 메모리 제품과 자연스럽게 조화를 이루도록 해야 한다는 책임을 절감하고 있다. 세션 1 Cloud Platform그룹을 이끄는 김형진 그룹장은 퍼블릭 클라우드와 프라이빗 클라우드의 장점과 삼성이 자체 클라우드를 사내에 도입한 이유에 대해 설명하며 세션을 시작했다. 실제로 클라우드 사업은 성행하고 있으며, 지난 10년 동안 클라우드 사업은 매년 약 20%씩 성장했다. 퍼블릭 클라우드 다양한 퍼블릭 클라우드는 아래와 같은 이유로 인기가 있다.

• • 종량제 모델은 동적으로 변화하는 워크로드를 처리하기 위해 적절한 수의 가상화된 CPU를 인스턴스화할 수 있는 서버에서 널리 사용
  • 퍼블릭 클라우드 데이터 센터를 구현하는 데 사용되는 하드웨어는 표준화된 모듈식 설계(OCP 방법론에 따른 호스트 프로세서, 메모리, 스토리지)로 다양한 요구 사항에 맞게 조정할 수 있으므로 비용 효율성이 매우 높음
  • 공유 리소스를 대규모로 확장 시, 총 소유 비용이 절감됨
  • 보다 효율적인 에너지 방법론과 대규모 운영에서만 빛을 발하는 고급 냉각 개념 등을 도입하여 지속 가능한 자원 조달을 강화할 수 있고, 이는 탄소 발자국을 관리할 수 있게 만들어 주며, 보다 친환경적인 IT로 발전시킬 수 있음
  • 잘 문서화된 메커니즘과 널리 알려진 API를 통해 클라우드에서 새 프로젝트를 더욱 쉽게 시작

그러나 모든 것이 이상적인 것은 아니다. 가상화된 CPU는 하이퍼바이저에 의해 구현되고 관리된다. 코드 컴파일과 같이 컴퓨팅 집약적이지만 변동이 심한 작업의 경우 하이퍼바이저는 최대 수요에 맞춰 자원을 공급하며, 이러한 경우 200%의 오버 프로비저닝 비율도 드물지 않다. 따라서 가상화된 접근 방식은 전용 베어메탈 리소스보다 많은 비용이 발생할 수 있다. 삼성 사내 클라우드 삼성이 사내 클라우드 개발을 선택한 데에도 그럴 만한 이유가 있다.

• • 국가 안보: 귀중한 기술은 프라이빗 클라우드에 속해 있을 때 가장 잘 보호될 수 있음
  • 주요 운영의 최적화: 각 제조 단계에는 자체 로컬 IT의 최적화(제조 그룹과 IT 그룹 간의 긴밀한 커뮤니케이션)가 필요하며 이는 사내 환경에서 훨씬 쉽게 제어할 수 있음
  • 규모: 삼성은 막대한 양의 클라우드 컴퓨팅 기능과 스토리지 용량이 필요하므로 자체 프라이빗 클라우드가 합리적임
  • 혁신: 삼성은 자체 프라이빗 클라우드를 보유함으로써 최첨단 기술을 실험하고 개발할 수 있으며, 레퍼런스 아키텍처, 가상 사용 사례 및 개발 가속화를 위한 제품 테스트 베드를 제공함

세션 2 세션 2에서는 삼성전자 IP 개발 담당 곽명보 마스터가 메모리 IP와 EDA를 주제로 현재와 미래의 기술 수요를 충족하기 위한 협업의 중요성을 강조하며 발표를 진행했다. PCIe 5.0 삼성의 PM1743은 SSD(Solid State Drive)에서 가장 빠른 속도를 자랑하며, 보드 디자인은 아래와 같은 문제를 완화하는 핵심 요소이다.

• • 고속 운영으로 인한 채널 성능 장애
  • 삽입 손실, 반사 손실 및 혼색
  • 입출력(I/O, input/output) 마진 오류 및 시스템 기능 문제

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 삼성은 다음과 같이 고객의 보드 설계를 지원한다.

• • 채널 분석
  - TDR(Zo, Reflection)
  - 전체 채널 삽입, 반사 손실 및 혼색

• • 채널 최적화
  - 설계를 통한 차등화
  - 불연속점의 최소화

• • OMT 예측
  - 입출력 마진 시뮬레이션
  - 시뮬레이션과 테스트의 상관관계

삼성은 또한 세트 레벨 DRAM PI 분석의 필요성 증가, 고속 저전력에 대한 필요성, DRAM 전류 증가 추세, 세트 전력 배분망 설계의 어려움 등으로 인해 조기 전력 무결성 최적화도 지원합니다. 프로세스는 다음과 같이 작동한다.

• • 세트 메이커 고객이 시스템 정보 제공
  - 시스템 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 설계, 캡 및 전력관리 IC 모델

• • 삼성은 세트 레벨 분석 지원
  - DC IR-drop 및 전력망 임피던스
  - 전력망 설계 최적화
  - 전력 노이즈 레벨 예측

그 결과 IR-drop 개선으로 세트 레벨 시스템 PI 성능이 평균 25% 향상되었다. PCIe 6.0 스토리지 인터페이스는 eMMC(embedded Multimedia Card)의 병렬 디지털 인터페이스에서 5G 모바일 및 자동차 애플리케이션 모두에 필수 기술인 범용 플래시 스토리지(UFS, Universal Flash Storage)의 LVDS 인터페이스로 이동하고 있다. 모바일 애플리케이션에는 삽입 손실로 인해 PAM4 신호가 필요하다.

• • PCIe 6.0을 사용하면 신호 인터페이스가 NRZ 2레벨 신호에서 기가 이더넷에서 사용되는 PAM4 4레벨 신호로 이동하므로, 데이터가 잘 작동하는지 확인하려면 보드 설계에 대한 다양한 접근 방식이 필요
  • 클록 및 데이터 복원 회로 로직은 인터페이스 속도를 제한하는 요소인 클록 복구 루프의 지연 시간에 초점이 맞춰지면서 PCIe 6.0에서 훨씬 더 많이 디지털 방식으로 작업이 수행됨

삼성은 PCIe 6.0 IP 조기 공동 검증을 추진하고 있다. 파트너사의 테스트 칩을 사용하여 프로토콜 레벨을 조기에 테스트하면 출시 기간을 단축할 수 있다. 삼성과 파트너사는 단일 캔버스 이니셔티브의 2.5D/3DIC 디자인 플랫폼을 통해 고객에게 사전 검증된 워크플로를 제공하기 위해 협력하고 있다.

• • 네이티브 3D 흐름
  • 시스템 계획
  • 분석(SI/PI/서멀/IR-drop)

또한 삼성은 전자설계자동화 파트너사와 협력하여 고객과 함께 개방형 플랫폼 가치 사슬을 구축하기 위해 노력하고 있다. 우리는 이것을 3방향 오픈 이노베이션이라고 부른다. 삼성은 최첨단 툴, 디자인 플로우, 설계 방법론이 결합된 설계 표준을 사용하여 이 개방형 플랫폼을 개발했다. 세션을 마무리하며, Synopsys의 마이크 맥스위니(Mike McSweeney)는 Synopsys가 메모리 IP 조기 검증 협업에 어떻게 참여하는지에 대한 개요를 설명했다. 세션 3 메모리 테크 데이의 세션 3에서는 삼성전자 메모리 제품기획팀 프로그램 매니저인 이베트 리(Yvette Lee) 박사가 SMRC(삼성 메모리 연구센터)에 대해 발표했다. 한마디로 SMRC는 고객과 파트너사가 소규모 데이터 센터 시설을 사용하여 아이디어를 테스트하고 증명할 수 있는 협업 플랫폼인데, SMRC는 구성 요소, 시스템, 소프트웨어 및 애플리케이션 전문가에게 24개 서버 랙 용량의 랩을 제공하며, 테스트 및 검증을 위해 400Gb 내부 서비스 네트워크를 운영하고 있다. 이런 첨단 기술을 사용해 볼 수 있는 놀이터와 같은 이 곳에에서 무엇을 얻을 수 있을까.

• • 메모리 시맨틱 SSD (CMM-H): 표준 블록 디바이스로 처리하는 대신 CXL(Compute Express Link™) 활용한 차세대 메모리
  • 스마트 SSD: 중앙 연산 장치(CPU, Central Processing Unit) 사용률과 데이터 전송 병목 현상을 줄이는 처리 기술 탑재
  • FDP SSC(QLC 기반 SSD): NVMe(Non-Volatile Memory express) ZNS(Zoned Namespace)를 사용하여 호스트와 데이터를 미디어에 완벽하게 정렬하는 SSD 사이의 영역 블록 스토리지 인터페이스를 노출
  • 초고밀도 스토리지: 랙 규모의 공간 효율성을 높이는 페타바이트 규모의 스토리지 솔루션
  • 삼성 원격측정 분석 플랫폼을 구현하는 저장 장치: 디바이스 상태 점검 및 디바이스 오류 예측 용도

랩에서는 Redhat의 Openstack(IaaS)/Openshift(PaaS), VMware의 vCenter/Tanzu 및 베어메탈과 같은 다양한 플랫폼에서 장치 성능을 비교할 수 있다. OS는 CentOS/Ubuntu, RHEL 등이 될 수 있다. 분석을 위해 선호하는 데이터베이스를 추가할 수도 있다: Oracle DB, Maria DB, MongoDB, 고성능 컴퓨팅 및 인공지능(AI, Artificial Intelligence)/ML/빅데이터 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 데이터베이스, MYSQL 및 PostgreSQL 등.

그런 다음 현재 및 향후 출시될 메모리 및 스토리지 기술을 혼합하여 사용할 수 있다. - CMM-D(DRAM용 CXL 메모리 모듈) - CMM-H/HC(하이브리드/하이브리드 컴퓨팅) - FDP(유연한 데이터 배치) - CSD(컴퓨팅 저장 장치) - 신경망 처리 장치(NPU, Neural Processing Unit) - DPU(데이터 처리 장치)

세션 후반부에는 산호세에 있는 SMRC 연구소의 아이작 최(Isaac Choi)가 SMRC 시설의 저력을 입증하기 위한 네 가지 협업 노력을 발표했다.
HCI(하이퍼컨버지드 인프라)용 VMware vSAN 소프트웨어 솔루션

세션 4 세션 4에서는 최장석 상무와 최삼종 상무가 다가올 탄소 중립 세상에 대한 삼성의 비전과 함께 제품을 재활용할 뿐만 아니라 때로는 제품의 고유한 가치를 더 잘 활용할 수 있도록 '업사이클링'하는 '순환 경제'에 대해 설명했다. 이 비전은 삼성이 자체 탄소 배출량뿐만 아니라 고객의 탄소 배출량을 줄이기 위해 마련한 프로세스와 절차에 초점을 맞춰 전 세계적으로 진행 중인 환경, 사회, 기업 지배구조(ESG) 이니셔티브를 중심으로 전개되고 있다. 세션 전반부에서는 삼성전자 신사업기획팀 최장석 상무가 탄소 중립을 달성하기 위한 또 다른 수단으로 DRAM과 SSD 제품의 재인증에 대한 개요를 설명했다. 후반부에는 삼성전자 소재기술팀을 이끌고 있는 최삼종 박사가 소재 관점에서의 ESG 개요와 삼성의 구체적인 사례를 소개했다.

• • 지구 온난화 지수(GWP)가 크게 감소된 새로운 산업용 가스로의 전환
  • 포토레지스트 용액을 훨씬 적게 사용하면서도 동일한 고품질의 결과물을 얻을 수 있는 새로운 RRC(Reduce Resist Coat) 기술
  • 장비 및 공급 장치에서 가스를 포집하여 재사용하는 새로운 가스 회수 기술
  • 웨이퍼 운송 용기 재사용

현재 삼성에서 이루어지고 있는 메모리 연구와 고민들이 더 밝은 미래, 내일을 위한 메모리 반도체의 가능성으로 이어지길 기대한다.