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‘3D 낸드’ 기술 경쟁 제 2막 시작된다

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[첨단 헬로티]


전세계 낸드(NAND) 시장에서 삼성은 37.2%이라는 압도적인 점유율로 1위를 유지하고 있다. 이는 2위인 일본 도시바와(18.1%)의 시장 점유율 격차가 2배 이상의 차이를 나타내고 있어 주목된다. 3위는 웨스턴디지털(16.7%), 4위는 마이크론(12.2%), 5위는 SK하이닉스(9.9%), 6위는 인텔(5.9%) 순으로 낸드 시장을 차지하고 있다(D램익스체인지 2017년 3분기 기준). 


3D 낸드 플래시(3D NAND Flash) 시장에서도 선두는 삼성전자다. 삼성전자는 2013년 업계 최초로 24단 제품을 생산하기 시작해 최근 96단까지 출시하며 기술 개발에 앞장서고 있다. 그 결과 삼성전자의 3D 낸드 공급량은 전체 시장의 50% 이상을 차지하며 1위를 기록하고 있다. 그러나 후발주자인 도시바, 웨스턴디지털, 마이크론, SK하이닉스, 인텔 등도 3D 낸드 기술 개발에 뛰어들어 현재 기술 격차를 많이 좁혀놓은 상태다. 또 중국 반도에 업체들도 메모리 반도체에 적극적으로 투자하고 있어서, 낸드 시장의 선두를 차지하기 위한 경쟁 제 2막이 예고된다.


삼성전자 48단 V낸드 기반 ‘800GB Z-SSD’


삼성전자 선두로 3D 낸드 시대 열리다 


삼성 = 2013년 8월 삼성전자는 업계 최초로 1세대 24단 3D 낸드(MLC 방식)를 양산하기 시작했다. 삼성전자는 3D 낸드를 ‘3D V(Vertical)낸드’라는 명칭으로 브랜드화 했고, 현재 5세대까지 출시된 상태다. 1세대 3D V낸드의 경우 단층 구조의 기존 낸드플래시 대비 용량은 2배, 속도는 2배, 내구성은 10배, 전력 효율은 2배 개선됐다. 당시 삼성전자 측은 3D V낸드를 SSD에 탑재함으로써 SSD 사용 수명 기간 확대, 내구성 향상, 소비 전력 감소 등으로 인해 앞으로 대용량 SSD 시장이 확대될 것을 예고했었다. 


3D 낸드 시장을 선점한 삼성전자는 2014년 5월 2세대 32단 3D V낸드(MLC, TLC 방식)를 양산하기 시작했다. 2세대는 1세대 V낸드보다 30% 이상 적층 수를 높였고, 기존 평면구조 MLC 대비 신뢰도 수명을 2배 늘리면서도 전력 소비량은 20% 절감시켰다. 삼성전자는 2세대를 공개한지 5개월 만에 2014년 10월, 3비트 3D V낸드 양산에 성공했다고 발표했다. 삼성의 3비트 V낸드는 2세대(32단) 공정은 그대로 유지하면서 셀 하나에 저장되는 데이터 수를 기존 2개에서 3개로 늘려 셀 저장 용량을 1.5배 확대해 10나노급 128GB를 구현해 냈다. 이로써 3비트 V낸드는 서버용 SSD에서 보급형 PC SSD까지 제품군을 대폭 확대할 수 있게 됐다. 


삼성전자는 32단 공정 성공 후 약 1년 뒤 2015년 8월 3세대 48단 V낸드(TLC 방식) 양산을 시작했다. 3세대 V낸드는 셀이 형성될 단층을 48단으로 쌓고 나서 약 18억 개의 원형 홀을 수직으로 뚫은 다음, 총 853억 개 이상의 셀을 고속 동작시킴으로써 각 셀마다 3개의 데이터(3비트)를 저장할 수 있도록 성능이 향상됐다. 총 2560억 개의 데이터를 읽고 쓸 수 있게 된 것이다. 


▲ 삼성전자 64단 9-Hole 구조 개발로 전체 적층단 하중 분산 한계 극복


특히 ▲3차원 원통형 CTF(3D Charge Trap Flash) 셀 구조 ▲48단 수직 적층 공정 ▲3비트 저장기술을 적용해 2세대 V낸드보다 데이터를 더욱 빠르게 저장하고, 소비 전력량을 30% 이상 줄였다. 또 기존 32단 양산 설비를 최대한 활용함으로써 제품 생산성을 약 40%나 높여 원가 경쟁력도 대폭 강화했다. 


2015년까지만 하더라도 메모리 반도체 시장에서 3D 낸드 기술로 제품을 양산한 업체는 삼성전자가 유일했다. 그리고 2016년이 되서야 다른 낸드 업체들도 3D 낸드 시장에 진출하기 시작하면서 본격적인 경쟁구도가 형성되기 시작했다. 그러나 삼성전자는 선두로 3D 낸드를 양산해온 만큼 가장 먼저 64단 3D 낸드를 선보였다. 


삼성전자는 2016년 8월 미국 산타클라라 컨벤션 센터에서 열린 ‘플래시 메모리 서밋 2016 (Flash Memory Summit)’에서 4세대 64단 V낸드(TLC 방식)를 공개했고, 2017년 1월부터 라인업을 본격 확대해 256Gb V낸드 기반 SSD, 모바일용 eUFS, 소비자용 SSD, 메모리카드 등에 적용시켰다. 4세대 V낸드는 데이터를 저장하는 ‘3차원 셀’을 기존(48단)보다 적층 단수를 1.3배 더 쌓아올리는 기술이 적용됐다. 64단 4세대 V낸드는 512Gb까지 구현할 수 있어 고용량 제품을 소형 패키지로 만들 수 있으며, 입출력 속도를 800Mbps까지 향상시켰다. 


특히 삼성은 64단부터 ‘9-Hole’이라는 ‘초고집적 셀 구조·공정’ 기술을 적용시켜 각 층마다 균일한 홀 패턴을 형성하고 전체 단의 하중을 분산해 한계를 극복했다. 삼성전자는 4세대 V낸드를 계기로 90단 이상의 수직 적층 한계를 극복해 반도체 칩 하나에 1조개 이상의 정보를 저장하는 ‘1테라(Tera) 비트 V낸드’ 시대를 여는 원천 기술도 확보했다.


도시바, 웨스턴디지털(샌디스크) = 2016년 3월 낸드 시장 점유율 2위인 도시바는 샌디스크(2015년 웨스턴디지털에 인수 됨)와 함께 삼성전자에 이어 두 번째로 48단 3D 낸드(TLC 방식) 양산에 성공했다. 이때만 해도 48단 3D 낸드 기술을 보유한 업체는 삼성전자와 도시바 뿐이었다. 삼성과 도시바의 3D 낸드 접근 전략은 기술적으로 차이가 있었다. 도시바는 삼성과 마찬가지로 CTF 기술을 활용해 3D 낸드를 양산하고 있지만, 핵심 영역인 콘트롤 게이트 생산방식은 다르다. 삼성전자는 콘트롤 게이트를 수직으로 쌓고 화학물질로 신소자인 타노스(TANOS) 막질을 입히는 방식을 사용했다면, 도시바는 소노스(SONOS) 막질을 입히는 방식을 사용했다. 업계에서는 도시바의 방식이 당장 적층수를 높이는 데 쉽지만 세대수가 늘어날수록 공정이 복잡해져 생산성이 약해진다고 분석한바 있다. 


2017년 2월 도시바와 웨스턴디지털(샌디스크)는 64단 3D낸드 시험 생산에 성공했다. 웨스턴디지털은 2017년 5월부터 ‘샌디스크’와 ‘WD’등 2개 브랜드로 각각 64단 3D낸드 기반 소비자용 SSD 제품을 출시하면서 한국 업체들보다 소비자용 SSD 제품화에서 있어서 앞서나가고 있는 중이다. 


마이크론, 인텔 = 연이어 낸드 시장 점유율 순위 각각 5위, 6위를 기록하고 있는 마이크론과 인텔도 합작으로 D 낸드 개발에 뛰어들었다. 양사는 기술 협력을 통해 ‘3D 크로스포인트(Xpoint)’라는 독자적인 기술을 2015년 처음으로 공개했고, 이를 바탕으로 2016년 4월에 32단 3D 낸드 양산에 성공했다. 3D 크로스포인트는 MLC 방식으로 양산됐고, 2017년 하반기부터 QLC 방식으로 양산됐다. 


당시 삼성전자와 도시바·샌디스크가 이미 48단 낸드 양산에 성공한 것과 비교하면 인텔과 마이크론의 32단은 기술적으로 다소 늦은 것으로 보여 진다. 그러나 양사는 3D 크로스포인트는 RAM과 플래시 메모리의 중간 형태인 비휘발성 메모리라는 점을 강조하며, “기존의 낸드 형태의 SSD보다 레이턴시가 1000배 더 빠르고, 1000만 번의 쓰기가 가능하며, D램보다 10배 더 높은 집적도를 가진다”고 설명했다. 1993년부터 2016년까지 수년간 전체 반도체 시장 매출 1위였던 인텔은 그동안 메모리 반도체 시장에서는 큰 두각을 보이지 못했었다. 결국 2017년 인텔은 메모리 반도체의 압도적인 강세로 인해 큰 폭으로 매출 성장을 삼성전자에게 전체 반도체 시장 1위를 내주게 됐다. 인텔은 그동안 부진했던 모바일 사업을 2016년 초 과감하게 접고, 인공지능과 데이터 센터 시장 성장에 대응하기 위해 3D 낸드에 투자를 단행하고 있던 중이었다. 인텔은 삼성전자, 도시바 등이 점령한 낸드 플래시 메모리 시장에서 처차별화를 위해 서버, 워크스테이션을 타겟을 목표로 한다는 전략이다. 


SK하이닉스 = 후발주자인 SK하이닉스는 2015년 말에 처음으로 1세대 3D 낸드를 공개했고, 2016년 2분기 2세대 36단 128Gb 3D 낸드를 모바일 시장 타겟으로 양산을 시작했다. 탄력 받은 SK하이닉스는 연이어 2016년 4분기에는 SSD 시장에 본격적으로 36단 3D 낸드 공급을 시작했다. 이어 2017년 4월 10일 72단 256Gb 3D 낸드 개발을 완료 했다.


SK하이닉스는 그동안 D램 시장에서는 선전해왔으나 낸드 시장에서는 뒤처진다는 평가를 받아왔다. 그러나 SK하이닉스가 공격적으로 3D 낸드 개발에 투자하면서 앞으로 낸드 시장 점유율이 확대될 것으로 전망된다.


▲ 업체별 3D 낸드 로드맵 (자료:TechInsights)



96단 낸드 양산화 성공
128단 목표로 제 2막 열리다 


2018년은 64단 낸드가 대중화되면서 점유율이 본격 확대되는 시점이다. 삼성전자의 64층 비중이 50%에 이를 것으로 전망되고, 도시바, SK하이닉스, 마이크론 등의 후발업체들 20~45% 수준일 것으로 기대된다. 또 업체별로 96단 낸드 양산에 성공하면서 이를 적용한 소비자용 SSD 제품 출시를 앞두고 있으며, 이르면 내년에 128단 3D 낸드 양산이 이뤄질 것으로 업계는 기대하고 있다. 더불어 3D 낸드 시장 경쟁은 도시바의 파산 위기로 사실상 삼성전자, 웨스턴디지털, SK하이닉스 등 3파전으로 압축되고 있는 가운데, 3D 낸드 기술 경쟁 제 2막이 시작됐다.


앞서 설명했듯이 SK하이닉스는 2017년 하반기 48단 낸드에서 64단을 건너뛰고 4세대 72단 3D 낸드를 개발했고, 2018년 2월부터 본격 양산을 시작했다. 이 기술로 512Gb 낸드를 사용하면 같은 면적에서 256Gb를 이용할 때보다 2배 높은 용량의 SSD 제품을 만들 수 있다. 이를 기점으로 SK하이닉스는 그동안 기술 장벽이 높아 최대 약점으로 지적 받았던 기업용(Enterprise) SSD 시장에 본격 진출했다. 


한편, 2018년 1월 삼성전자는 기존에 주력했던 PC SSD, 엔터프라이즈 서버 및 스토리지 SSD, 소비자 SSD 시장에 이어서 차세대 슈퍼컴퓨터(HPC)용 SSD 시장에도 진출했다. 3세대(48단) V낸드 기반으로 한 '800GB Z-SSD’는 기존 3비트 기반 고성능 NVMe SSD(PM963)의 응답 속도보다 5배 이상 빨라 인공지능·빅데이터·IoT와 같은 차세대 시장에서 캐시 데이터, 로그 데이터의 초고속 처리·분석에 최고 효율의 솔루션을 제공하게 됐다고 설명했다. 삼성전자는 2018년 7월 또다시 세계 최초로 256Gb 5세대 96단 V낸드 양산에 성공했다. 삼성전자는 5세대 V낸드에 자체 개발한 3대 혁신 기술 ▲초고속·저전압 동작 회로 설계 기술 ▲고속 쓰기·최단 읽기응답 대기시간 회로 설계 기술 ▲텅스텐 원자층박막 공정 기술을 이용해 '3차원 CTF 셀'을 90단 이상 쌓아 세계 최고 적층기술을 상용화했다고 밝혔다. 삼성전자가 96단 적층에 성공한데 이어 웨스턴디지털과 SK하이닉스도 연달아 2018 8월 96단 3D 낸드를 발표했다. 


웨스턴디지털의 2세대 QLC 아키텍처 기반 96단 3D 낸드 기술 개발을 발표하고 본격적인 샘플 출하를 시작했다고 밝혔다. 이 제품은 올해 안에 샌디스크 브랜드의 소비자용 제품부터 탑재될 예정이다. 웨스턴디지털은 96단 BiCS4 디바이스에 QLC 기반으로 1.33 테라비트(Tb) 용량을 구현했다. BiCS4는 웨스턴디지털의 기술력을 바탕으로 파트너사인 도시바와 공동 개발한 차세대 96단 수직 적층 3D 낸드 기술이다. SK하이닉스가 공개한 96단 3D 낸드는 올해 말 샘플 출하를 시작하고, 올해 말 완공 예정인  ‘청주 M15’ 공장에서 생산될 예정이며, 2019년 상반기 시장에 본격 선보일 계획이다. 


96단 낸드는 기존 SK하이닉스의 최상급 모델인 72단 3D 낸드플래시 대비 면적이 20% 줄어들고 읽기와 쓰기 속도는 각각 30%, 25%씩 빨라졌다. 이는 96단 적층에 ‘차지 트랩 플래시(Charge Trap Flash, CTF)’기반으로 ‘퍼리퍼럴 언더 셀(Peripheral Under Cell, PUC)’의 위치를 수평에서 수직으로 바꿔 적용했기 때문이다. 이를 쉽게 설명하면, 아파트(낸드플래시)에 반드시 필요한 주차장(페리)을 기존에 건물 옆에 지었다고 가정하면, 공간 활용을 위해 주차장을 지하로 옮겼다고 보면 된다. 즉, 낸드플래시의 크기는 작아지고, 제조비용은 줄어들게 된 셈이다. 현재 SK하이닉스는 전압을 걸어주는 컨트롤 게이트(CG) 재료로 텅스텐, 그리고 구리와 알루미늄을 적절히 섞어서 사용하고 있다. SK하이닉스는 이 기술을 적용해 128단 낸드플래시도 개발할 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 인텔과 마이크론도 최근 QLC 기술을 적용, 64단 3D 낸드플래시 칩 하나로 테라비트(Tb) 용량을 구현했다고 발표했다. 또 양사는 2018년 3월 3D 크로스포인트 기반의 SSD '옵테인 SSD 800P'을 공개했다. 옵테인 SSD 800P는 시스템 드라이브로 요구되는 NVMe(초고속 비휘발성 메모리 익스프레스) PCIe 3.0 x2 인터페이스를 적용하고, 폼팩터는 M.2 타입이다. 


한편, 인텔과 마이크론은 5년간 이어온 낸드 기술 협력을 2019년 상반기 2세대 3D 크로스포인트(3D Xpoint) 개발을 끝으로 마무리할 계획이다. 업계에서는 3D 낸드와 비교해 높은 가격인 인텔의 3D 크로스포인트가 신규 수요를 창출하기엔 사업성이 떨어진다는 평가다. 사실상 삼성전자, SK하이닉스 등 또한 인텔이 타겟으로 하고 있는 엔터프라이즈용 SSD를 3D 낸드를 적용시켜 활발히 출시하기 시작했기 때문이다.


▲ 인텔 3D Xpoint 적용한 SSD ‘옵테인’


결론 


당분간 낸드 시장에서 삼성전자의 독주는 계속될 것으로 반도체 업계는 보고 있다. 그러나 2016년부터 3D 낸드를 겨냥한 새로운 팹 증설이 올해 완료됐거나 완료를 앞두고 있기 때문에 앞으로 낸드 시장의 순위 변화가 어떻게 변할지는 지켜봐야할 것이다.










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