NAND 기술의 미래

디지털 데이터의 양은 경이로울 정도로 빠르게 증가하고 있으며, 모바일 기기는 그 어느 때보다도 우리의 삶에 친숙하게 녹아들고 있고, 동시에 디지털 솔루션은 계속해서 기존 시스템을 대체하고 있다. 5G 기술의 부상으로 글로벌 데이터 수요의 기하급수적 증가는 멈출 기미가 보이지 않는다. 전문가들의 예측에 따르면 2025년에는 전 세계 데이터의 양이 61% 증가하여 175ZB에 이를 것이라고 한다. 데이터 폭증은 현재의 메모리 기술을 한계로 밀어붙이고 있다. 삼성전자는 이러한 더욱 효과적인 메모리 솔루션에 대한 요구에 최첨단 4비트 V-NAND 기술로 응답했다. 획기적인 3차원 구조를 가진 고용량 V-NAND 기술은 현재와 미래의 데이터 수요를 충족할 신뢰할 수 있는 기반을 제공한다. 평면 NAND 기술의 한계 낸드플래시 드라이브의 용량은 칩에 있는 몇 가지 셀에 따라 달라진다. 최근까지 제조업체에서는 평면 NAND 구조에 작은 크기의 셀을 끼워 넣는 데 집중했다. 이 방법을 사용하면 메모리 셀이 하나의 다이 레이어 내에 나란히 배치되어 메모리 용량을 높여준다. 단 15년 만에 셀 크기가 120나노에서 19나노로 줄었고 용량은 100배가 늘었다. 그러나 셀 크기를 줄이는 데는 기술적인 과제가 몇 가지 따른다. 먼저, 현재 회로를 만드는 데 사용되는 프로세스인 사진 석판술은 결국 한계에 달할 것이며 그렇게 되면 셀이 줄어드는 것도 한계에 봉착하게 될 것이다. 두 번째로, 메모리 셀의 크기가 20나노 미만이 되면 하나의 셀에서 다른 셀로 누출되는 전하의 양이 매우 많아진다. 이런 셀 사이의 간섭은 데이터 손상을 일으킬 수 있기 때문에 플래시 메모리의 신뢰성을 크게 떨어뜨린다. V-NAND: 차세대 메모리 솔루션 삼성전자의 V-NAND 기술은 평면 기술의 한계를 극복하여 신뢰성은 잃지 않으면서 용량을 증대하기 위해 설계되었다. 점점 줄어드는 영역에 더 많은 셀을 끼워 넣기 위해 노력하는 대신 V-NAND 기술은 하나의 셀 위에 다른 셀을 위로 쌓는다. V-NAND의 독특한 구조는 채널 홀 기술로 구현되었다. 채널 홀은 원통형 채널을 통해 셀을 연결하고 100개의 레이어가 넘는 셀을 쌓을 수 있다. 그 결과, 셀 용량이 훨씬 많아진다. 평면 NAND 설계의 최대 컴포넌트 용량은 128GB인 반면, V-NAND 구조는 그 한계를 1TB(테라비트)까지 늘려준다. 이러한 혁신적인 구조에 더해 V-NAND는 CTF(Charge Trap Flash) 기술을 사용하여 셀 간섭을 제거한다. 셀에 비전도성 질화규소 레이어를 사용하는 CTF 기술은 V-NAND 기술에서 전하 누출과 데이터 손상이 일어나지 않게 해준다. V-NAND는 전하 누출로 인한 데이터 손상을 방지해야 할 필요가 없으므로 플래시 메모리는 더 효율적인 프로그램 알고리즘을 실행할 수 있다. 그리고 이 간소화된 알고리즘으로 인해 플래시 메모리는 평면 낸드플래시 메모리에 비해 두 배나 빠르게 데이터를 쓸 수 있으며 동시에 소비 전력을 크게 낮출 수 있다. 전장이 축소되고 전압 분포가 뛰어난 V-NAND의 고유한 구조 덕분에 내구성이 더 높고 오류 발생률은 더 낮다는 장점도 있다. 새로운 성능의 기준 제시 V-NAND 기반 SSD는 2013년 처음 출시된 이래로 계속해서 발전을 거듭해 왔다. 6세대 V-NAND 메모리 기술을 탑재하고 최근 출시된 250GB SATA SSD는 기술 발전에 중대한 이정표를 새롭게 제시했다. 6세대 V-NAND에는 136개의 레이어가 있어 이전 세대 제품보다 셀의 수가 약 40% 증가했다. 높이가 높아졌을 때 일반적으로 발생하는 오류와 읽기 지연 시간을 최소화하기 위해 삼성전자는 새로운 속도 최적화 회로 설계를 도입했다. 이 설계를 통해 칩이 쓰기 작업 시 450μs 미만, 읽기 작업 시 45μs 미만의 데이터 전송 속도를 제공할 수 있게 되었다. 1) 이전 세대와 비교하면 6세대 V-NAND는 10배 더 빠르며 15% 더 적은 에너지를 소비한다. 2) 삼성전자는 성능을 발전시켰을 뿐만 아니라 제조가 더 용이하도록 V-NAND를 수정하기도 했다. 6세대 V-NAND를 사용하면 256GB 칩에 필요한 채널 홀의 수가 9억 3,000만 개에서 6억 7,000만 개로 줄어들기 때문에 제조 생산성을 약 20% 높일 수 있다. 기존 메모리 솔루션의 한계를 극복하기 위해 설계된 삼성전자의 V-NAND 기술은 데이터 중심 세상의 잠재력을 열어줄 열쇠를 쥐고 있다. 6세대 V-NAND의 개발로 이룬 발전을 통해 삼성전자는 메모리 기술 향상의 다음 단계로 나아갈 수 있을 것다. 이렇게 속도에 최적화된 설계는 특히 레이어의 수가 300개가 넘는 V-NAND 솔루션을 개발하는 데 핵심 요소가 될 것으로 보인다. 용량에서부터 성능까지, 이 획기적인 플래시 기술은 오늘날과 미래의 데이터 수요에 완벽하게 맞아떨어진다.

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_{¹⁾ 이 결과는 일반적인 컴퓨팅 환경에서 측정된 것이다 ²⁾ 이전 세대의 V-NAND는 쓰기 작업 시 500μs, 읽기 작업 시 50μs 미만의 데이터 전송 속도를 제공하며 약 16.9mA의 에너지를 소비하지만, 6세대 V-NAND의 에너지 소비량은 약 13.8mA이다.}