"카멜레온 같네" 삼성전자 반도체에 미국이 '혁신상' 준 이유

[MK위클리반도체]

[MK위클리반도체] 전 세계 최대의 정보기술(IT)·가전 박람회인 'CES 2022'가 미국 라스베이거스에서 5일(현지시간) 개최됐습니다. CES는 매년 행사에서 그해 가장 뛰어난 기술력으로 소비자들에게 주목받은 제품에 '혁신상'을 수여합니다. 모든 가전제품의 핵심 부품이라고 볼 수 있는 반도체 제품도 평가 대상에 포함되는데요. 그해의 혁신상 수상작들을 살펴보면 반도체 시장의 한 해 트렌드를 예측해볼 수 있습니다. 올해 혁신상에는 삼성전자의 시스템 반도체 1개 종과 메모리 반도체 3종이 혁신상 명예의 전당에 당당하게 이름을 올렸습니다.

업계 최초 2억화소 모바일 이미지센서 '아이소셀 HP1'

아이소셀 HP1은 업계 최초로 '2억화소'의 벽을 뛰어넘은 모바일 이미지센서입니다. 삼성전자는 2019년 메모리 반도체 설계 기술과 노하우를 바탕으로 업계 최초로 1억800만화소 이미지센서를 출시한 이후 2년 만에 다시 업계 최초로 2억화소 제품을 출시했습니다. 특히 이 제품은 0.64마이크로미터(㎛) 픽셀을 이용해 기존 1억800만화소 제품 대비 화소 수를 약 85% 많이 탑재하면서도 옵티컬포맷의 크기 증가는 최소화한 것이 특징입니다. 촬영 환경에 따라 4개 혹은 16개의 인접 픽셀을 조합할 수 있는 삼성전자의 독자 신기술 '카멜레온셀(ChameleonCell)'이 최초로 적용된 모델입니다.

빛이 충분할 때는 0.64㎛의 미세 픽셀을 활용하고, 야경이나 실내처럼 어두운 경우에는 1.28 혹은 2.56㎛ 픽셀처럼 수광 면적을 넓혀 밝고 선명한 사진을 찍을 수 있습니다. 또 고화질 동영상을 촬영할 때는 인접 픽셀 4개를 하나처럼 동작시켜 화각 손실 없이 초당 30프레임으로 8K 고해상도 영상을 촬영하는 기술도 탑재했습니다. CES는 혁신상 선전 이유에 대해 "저조도 환경 센서는 초고화질로 수정처럼 선명한 비디오 촬영을 가능하도록 만들었다는 점"을 꼽았습니다.

8단 TSV 기술 갖춘 DDR5 512GB 모듈

삼성전자는 지난해 8단 TSV 기술이 적용된 512GB(기가바이트) DDR5 메모리 기술을 공개하고, 올해부터 본격적인 양산에 들어간다고 밝혔습니다. 기존 주력인 DDR4 메모리 모듈은 최대 4개의 다이를 쌓는 4단 TSV 기술을 적용하고 있으며, 두께 1.2㎜ 수준입니다. 다이는 반도체 물질의 작은 사각형 조각으로, 한 개의 다이에는 한 개의 직접회로가 들어갑니다. 한 반도체 모듈에 많은 다이가 들어갈수록 성능이 높아집니다.

8단 TSV는 이런 4층 구조의 다이를 8층으로 2배 늘린 구조입니다. 다만 두께는 1.0㎜에 불과한데, 삼성전자는 얇은 핸들링 기술로 다이 사이 간격을 40% 좁혀 전체 면적과 높이를 줄일 수 있었다고 설명했습니다. 또 반도체 공정의 미세화로 고성능과 저전력을 동시에 구현하고 있습니다.

삼성전자에 따르면 512GB DDR5는 최대 7200Mbps(초당메가비트)의 전송속도로, DDR4 대비 성능은 1.4배, 속도는 2.2배, 용량은 2배 향상됐으나, 소비전력은 8% 줄었습니다. 1초에 30GB 용량의 4K UHD(3840×2160) 영화 2편을 처리할 수 있는 수준입니다. 용량과 전송 속도 모두 업계 최고 기술력입니다.

이번 DDR5 512GB는 업계 최초로 고유전율 물질을 도입한 것도 특징입니다. 반도체 공정에는 미세화에 따른 전류 누설이 발생합니다. 삼성전자는 유전율 상수가 높은 고유전율 물질을 공정 과정에 도입해 이를 최소화했습니다. 이 덕분에 DDR5 메모리 모듈은 기존 제품 대비 전력 소모가 약 13% 적습니다. CES 측은 "고성능 컴퓨팅, 클라우드 및 데이터 센터 서버같이 전력 효율이 중요한 곳에서 활약이 기대된다"며 선정 이유를 밝혔습니다.

PCIe 5세대 SSD

인공지능(AI)과 머신러닝 등 빅데이터 시대가 도래하면서 대용량의 정보를 저장하고 처리하기 위한 수요가 크게 늘었습니다. 메모리 반도체를 이용한 정보 저장장치 '솔리드스테이트드라이브(SSD)' 시장에서도 이를 충족하기 위한 차세대 기술이 등장하고 있습니다.

PCIe는 컴퓨터에서 중앙처리장치(CPU)나 그래픽처리장치(GPU), 메모리 등의 제품이 작동할 수 있는 메인 기판의 물리적 규격을 말합니다. 데이터를 차량에 비유하면 PCIe는 이를 저장하거나 운반하고 처리하는 각종 부품들이 원활한 작업을 할 수 있도록 돕는 고속도로 역할을 합니다. 세대별로 진화를 거듭해 최신 5세대를 뜻하는 PCIe 5.0이 등장했습니다. 이전 세대인 PCIe 4.0과 비교해 대역폭은 두 배로 커졌습니다.

삼성전자가 올해 1분기 양산할 예정인 새 SSD는 PCIe 5.0 규격에 적용할 수 있습니다. 여기에는 6세대 V낸드와 자체 개발한 PCIe 5.0 컨트롤러를 탑재해 업계 최고 수준의 성능을 구현했습니다. 연속읽기 속도는 이전 PCIe 4.0 기반 제품에 비해 약 1.9배, 임의읽기 속도는 약 1.7배 빨라졌습니다. 쓰기 성능도 향상돼 연속쓰기와 임의쓰기 속도는 각각 1.7배와 1.9배 증가했습니다. 삼성전자는 "PCIe 4.0 대비 두 배 빨라진 SSD를 채택하면 더 빠른 데이터 처리가 가능해 데이터센터 등 고성능이 요구되는 응용처에 적합하다"고 설명했습니다.

차세대 기업 서버용 'ZNS SSD'

차세대 반도체 기술의 핵심 중 하나는 극도의 공간 활용입니다. 기존 메모리 내부에서 낭비되는 공간을 최대한 줄여 더 많은 데이터 처리가 가능하도록 돕는 기술입니다. 삼성전자가 만든 ZNS(Zoned Namespace SSD) 방식은 메모리의 저장 공간을 작고 일정한 용량의 구역(Zone)으로 나누고 용도와 사용 주기가 같은 데이터를 동일한 구역에 저장하는 차세대 기술입니다.

기존 메모리는 내부 저장 공간을 나누지 않고 여러 개 소프트웨어에서 생성되는 데이터를 임의로 저장해 왔습니다. 맞지 않는 블록을 규칙 없이 쌓는 식이라 잉여 공간이 많이 발생하고 추후 정리를 위해 여러 번의 작업이 필요했습니다. ZNS를 활용하면 부차적인 정리를 위한 작동이 발생하지 않아 작동 횟수에 영향을 받는 SSD 메모리의 수명을 최대 3~4배 증가시킬 수 있습니다. 이 같은 성과를 인정받아 이번 'CES 2022'에서 혁신상을 수상했습니다. 삼성전자 측은 "차세대 엔터프라이즈 서버용 SSD를 내년부터 양산할 계획"이라면서 "늘어난 수명으로 인해 교체 주기를 늘릴 수 있어 ESG 측면에서도 긍정적 효과가 기대된다"고 밝혔습니다.

[오찬종 기자]