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이 중 삼성전자와 SK하이닉스의 주력 제품인 D램과 S램 그리고 낸드플래시에 대해 간단하게 설명드리겠습니다. 메모리 반도체의 경우 삼성전자와 SK하이닉스, 미국의 마이크론의 시장점유율이 각각 약 50%, 40%, 30% 정도입니다.
※ 추가적으로 NOR과 NAND의 구분 방식은 반도체 내의 셀의 배치 방식에 따라 구분이 되는데, NOR은 병렬방식의 코드 저장 방식 NAND는 직렬방식의 데어터 저장 방식을 갖고 있습니다.
비메모리 반도체의 종류와 생산기업 (시장점유율)
비메모리 반도체는 그 기능에 따라 종류가 매우 다양합니다. 크게 연산장치(비센서)와 센서로 나뉩니다. 대표적인 비메모리 반도체에 대해서 종류별 간단한 설명과 생산, 설계 기업에 대해서 설명드리겠습니다.
※ CIS는 신호를 바꾸는 반도체라 생각하시면 되고 DDI는 다양한 색을 표현해주는 반도체라고 생각하시면 좋을 거 같아요.
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[반알못을 부탁해] 한국경제 먹여 살린다는 ‘D램’이 뭐야?
By 심재석 2020년 11월 2일
“삼성전자는 2030년까지 시스템 반도체 글로벌 1위를 달성하기 위해 연구개발(R&D)과 생산기술 확충에 모두 133조원을 투자한다.”
“이재용 부회장이 비메모리 시장에서의 1위를 선언했다”
“SK하이닉스가 인텔의 낸드플래시 사업을 10조원에 산다.”
신문 경제면 기사를 보다보면 반도체에 대한 이야기가 많이 나온다. 우리나라를 대표하는 기업 삼성전자를 비롯해서 SK하이닉스 등 세계적인 반도체 기업이 있기 때문이다.
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이런 경제 기사를 이해하기 위해서는 반도체에 대한 사전 지식이 약간 필요하다. 그래서 준비한 기획, ‘반알못을 부탁해’. 반도체에 대한 지식이 전혀 없는, 반도체를 모르는 님들을 위한 기획이다. 그 첫번째 편은 D램이다.
주로 스마트폰이나 노트북 등을 구매할 때, 램 성능에 대해 자주 질문해봤을 것이다. 여기서 말하는 램이 바로 ‘D램’이다. D램은 시장의 70% 이상을 삼성전자와 SK하이닉스가 차지할 정도로, 한국 기업이 주도하고 있다.
자, 그렇다면 말로만 익숙하게 들어왔던 D램에 대해 알아보자.
D램이 경쟁자를 제치고 램의 대명사가 된 이유
D램(Dynamic Random Access Memory)은 메모리 장치의 일종이다. 메모리란 말 그대로 기억을 담당하는 컴퓨터 부품으로, 컴퓨터나 스마트폰에서 데이터를 기억(저장)하는 역할을 한다. 메모리는 크게 비휘발성 메모리, 휘발성 메모리로 구분되는데 컴퓨터가 꺼지면 데이터가 날아가는 것이 휘발성, 컴퓨터를 껐다 켜도 데이터가 그대로 남아있는 것이 비휘발성 메모리다.
조금 깊은 이해를 위해 ‘기억소자’라는 단어를 알 필요가 있다. 기억소자는 데이터가 저장되는 방이다. 데이터가 왔다는 신호를 받으면 메모리는 이 방(기억소자)에 데이터를 집어넣는다. 이 방에는 문이 있을 수도 있고, 없을 수도 있다. 비휘발성 메모리는 방에 문이 있는 메모리다. 문을 열어주지 않는 한 데이터는 방 밖으로 나오지 않는다. 반면 휘발성 메모리에는 문이 없다. 문이 없으므로 전원이 꺼지면 데이터는 방 밖으로 나와버린다.
대표적인 휘발성 메모리로는 D램과 S램(Static Random Access Memory)이 있다. S램은 데이터에 빠르게 접근할 수 있지만, 기억소자 구조가 복잡하다. D램은 접근 속도가 S램에 비해 느리지만, 구조가 매우 단순하다.
S램은 여러 개의 트랜지스터가 하나의 셀을 구성한다. 이 때문에 데이터를 저장하는 셀의 크기가 크다. 동일 면적에 대한 집적도가 낮고 회로구조가 복잡하여 대용량으로 만들기 어렵다. 이때문에 메인메모리로는 D램이 주로 사용된다. 데이터를 많이 저장하기 위해서는 기억소자를 많이 만들어 놓아야 한다.
기억소자를 얼마나 빽빽하게 꽂을 수 있는지를 ‘집적도’라고 하는데, 이 집적도가 높아지면 한 번에 많은 양을 만들 수 있다. 이는 생산성을 높일 수 있고, 생산 시의 가격도 낮출 수 있으며, 같은 공간에 더 조밀하게 기억소자를 심어 성능을 높일 수도 있다. D램은 S램에 비해 집적도를 높이기 쉬워 메모리 반도체 시장에서 대세가 될 수 있었다.
D램은 어디에 필요할까?
D램을 포함한 휘발성 메모리는 빠른 읽기 속도를 가지는 대신 전력이 공급되는 동안에만 데이터를 보관한다. 따라서 D램은 문서나 파일을 보관하는 USB나 디스크와 같은 용도보다는, CPU로부터 전송된 데이터를 임시 보관하는 주기억장치 역할을 한다.
D램과 보조기억장치, CPU는 서로 긴밀하게 협업하면서 데이터를 처리한다. 먼저, CPU가 데이터를 어떻게 처리하는지를 봐야한다. CPU는 특정 주기로 주어지는 신호에 맞춰 연산을 한다. 이 신호를 ‘클럭 신호’라고 하는데, 한 번의 클럭 신호에 한 번의 데이터가 처리 과정이 이뤄진다고 보면 된다. D램은 이 신호에 맞춰 CPU로부터 데이터를 제공받고, 이후 USB나 하드디스크와 같은 보조기억장치에 데이터를 보낸다.
D램의 발전사는 CPU의 발전사와 같이 간다. CPU의 성능이 좋아지면서 데이터를 더 빨리 처리할 수 있게 됐는데, 이에 따라 D램 역시 데이터를 빠르게 제공해야 할 의무가 생겼다. 빠른 데이터 전송을 위한 대안으로 한 번의 클릭에 두 번의 데이터를 전송할 수 있는 D램이 등장했다. 이를 DDR(Double Data Rate)이라고 한다. DDR은 지속해서 속도를 발전시켜 나가며, DDR 2, 3, 4세대까지 공개됐다.
한편, 휴대 전자기기가 등장하면서, LPDDR이 등장했다. LPDDR은 ‘Low-Power Double Data Rate’의 줄임말로, 저전력 DDR이다. 휴대 전자기기는 보통 배터리에 의해 전력을 공급받는다. 이 때문에 한 번에 사용할 수 있는 전력량이 한정적이고 LPDDR 활용이 필수적이다.
DDR, LPDDR 등 다소 어려운 용어가 등장했지만 역할은 D램과 동일하다. 다만 시대의 흐름, 기기의 발전에 따라 함께 ‘발전’했을 뿐이다.
선택과 집중에서, 선두를 달리기까지
처음 서론에서도 언급했던 것처럼, 우리나라는 D램 시장의 선두를 달리고 있다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면, 올해 1분기 글로벌 D램 시장에서 삼성전자는 44.1%, SK하이닉스는 29.3%의 시장을 점유했다.
삼성이 처음부터 D램 시장을 주도한 것은 아니다. 1980년대만 해도 D램 시장은 도시바, 히타치, NEC등 일본 반도체 기업이 주도하고 있었다. 당시 삼성전자는 한참 뒤처져 있던 상황이었다. 하지만 1983년 반도체 산업에서 일본을 따라잡겠다는 ‘도쿄 선언’을 하면서, 삼성전자는 선택과 집중을 통해 격차를 따라잡았고, 지금은 시장을 주도하고 있다.
지금도 삼성전자는 메모리 시장에서 전반에서 선두를 달리고 있다. 지난 2월에는 16GB LPDDR5를 출시했다. 16GB LPDDR5는 곧 가장 속도가 빠른 최신 세대이자 16GB의 용량을 가진 D램이다. 현재 삼성전자가 출시하는 5G 디바이스에는 LPDDR5가 탑재되고 있는데, 현재 5G가 세계적으로 확산돼 나가면서 LPDDR5 시장도 발전을 거듭할 전망이다.
한편, 지난 7월에는 삼성전자가 6G 백서를 공개했다. 6G는 5G 뒤를 잇는 차세대 통신기술로, 최대 속도 1000Gbps, 무선지연 100μsec(마이크로초)에 이를 것으로 전망된다. 5G 대비 최대 전송속도는 50배 빨라지고, 무선 지연은 10분의 1로 줄어든다고 한다.
통신 기술이 발전하면 메모리 기술도 함께 발전해야 한다. 6G의 등장과 함께 더욱 발전된 D램 LPDDR6이 등장하고, 발전할 지도 모르겠다.
글.바이라인네트워크
<심재석 기자> <배유미 기자>
♣ RAM [ random access memory]
전원이 켜진 상태에서는 언제든지 읽고 지우는 작업이 가능한 컴퓨터 기억장치를 말한다. 램은 현재 컴퓨터의 주기억장치로서 가장 많이 사용하고 있으며 데이터와 프로그램이 기억되는 장소로 모든 작업의 중심이 된다. 전원을 끊으면 기억내용이 없어지는 휘발성 램과 전원을 끊어도 기억내용이 없어지지 않는 비휘발성 램이 있는데 일반적으로 쓰이고 있는 것은 휘발성 램으로 연산에 필요한 프로그램, 데이터의 일시보존 등을 위해 사용된다. 컴퓨터의 RAM은 자료를 저장하는 주기억장치에 있으므로 램의 크기는 킬로바이트나 메가바이트로 측정되고 이것은 컴퓨터의 용량을 나타내는 중요한 사항이다.
[네이버 지식백과] RAM [random access memory] (한경 경제용어사전)
♣ D램ㆍS램
D-RAM은 어느 정도의 시간이 경과하면 기억된 정보가 지워지는 것, S-RAM은 메모리의 각 비트의 기억이 전원이 있는 한 유지되는 것
외국어 표기 : dynamic RAMㆍstatic RAM(영어)
높은 집적도의 반도체 기억장치는 D-RAM과 S-RAM으로 대별된다.
RAM이란 수시로 입출력이 가능한 메모리다.
D-RAM은 단시간 내에 주기억으로 재충전시켜 주면 기억이 유지되기 때문에 컴퓨터의 기억소자로 가장 많이 쓰인다.
S-RAM은 그 유지 기능을 갖게 하기 위해 각 비트의 정보 유지용 소자가 부착되어 있으므로 집적회로로서 그만큼 복잡해지고 소자의 수도 많다.
메모리반도체의 대표주자인 D램은 전원이 꺼지면 기억된 정보가 사라지는 반도체다.
사실 D램의 정보는 전원이 켜져 있어도 계속 사라진다.
컴퓨터가 사라지기 전에 다시 정보를 기록해 놓기 때문에 우리가 느낄 수 없다.
S램은 D램과 달리 전원이 켜져 있는 동안에는 정보가 계속 살아 있으며, D램보다 속도가 빠르다. 컴퓨터에서 흔히 캐시메모리라고 하는 것이 S램이다. S램에는 자신이 주로 쓰는 명령어가 들어 있어 컴퓨터 속도를 빠르게 해 준다. D램과 달리 전원이 꺼져도 계속 정보가 살아 있는 플래시 메모리반도체에는 주로 부팅 정보가 들어 있다.
[네이버 지식백과] D램ㆍS램 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)
♣싱크로너스D-Ram[ 同期型電氣回路 D-Ram , Synchronous D-Ram ]
기존의 D램보다 데이터 처리 속도가 4배 이상 빨라 고성능 PC 워크스테이션 등 고속 컴퓨터시스템의 주기억장치에 사용되는 고부가가치 제품으로 우리나라의 삼정전자가 그 개발에 성공했다.
[네이버 지식백과] 싱크로너스D-Ram [同期型電氣回路 D-Ram, Synchronous D-Ram] (매일경제, 매경닷컴)
♣ 4 giga D-RAM
64MD램은 하나의 반도체에 6천4백만개의 셀(cell)이 들어 있고 하나의셀에는 각각 2개씩의 트랜지스터와 캐패시터가 들어 있다. 트랜지스터는 전기신호를 받아서사람이 인식할 수 있는 신호로 바꿔주는 역할을 하는 부품이고, 캐패시터는 데이터를 저장하는 방이다. 64MD램 하나는 2백자 원고지 2만장, 단행본 10권, 정지화상 25장, 음성녹음 1시간의 기억용량을 갖는다. 4기가는 64MD램의 64배의 기억용량을 갖는 반도체를 뜻한다. 4기가 반도체 하나에는 각각 40억개씩의 트랜지스터와 캐패시터가 들어 있어 2백자 원고지128만장, 신문지 3만2천페이지, 단행본 6백40권, 음성녹음 64시간, 정지화상 1천6백장의 기억용량을 갖는 셈이다.
[네이버 지식백과] 4 giga D-RAM (한경 경제용어사전)
♣ 플래시메모리[Flash Memory]
요약 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 기억장치.
전원을 끄면 저장된 정보가 사라지는 D램이나 S램과는 달리 전원이 꺼져도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성 메모리이다. 소비전력이 작고, 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 사라지지 않은 채 유지되는 특성을 지닌다.
전원 공급이 중단되어도 저장된 정보를 그대로 보존할 수 있는 롬(ROM)의 장점뿐 아니라 정보의 입출력이 자유롭다는 램(RAM)의 장점을 동시에 지니고 있다. 뿐만 아니라 속도가 빠르고 전력 소모가 적다는 점 역시 장점이다. 2001년부터 USB드라이브 등으로 사용되기 시작하였으며 디지털텔레비전·디지털캠코더·휴대전화·디지털카메라·개인휴대단말기(PDA)·게임기·MP3플레이어 등에 널리 이용되고 있다.
플래시메모리는 내부 방식에 따라 크게
저장용량이 큰 낸드(NAND)형과
처리속도가 빠른 노어(NOR)형의 2가지로 분류된다.
낸드형은 고집적이 가능하며 하드디스크를 대체할 수 있어 고집적 음성이나 화상 등의 저장용으로 많이 쓰이며 일정량의 정보를 저장해두고 작업해야 하는 휴대형 기기에도 적합하다. 가격 역시 노어형에 비해 저렴하다.
노어형은 대용량의 정보 저장은 어렵지만 읽기 속도가 빠르고 데이터의 안정성이 확보된다는 장점이 있다.
한편, 원낸드 플래시(one nand flash)는 낸드형의 플래시메모리를 기반으로 한 차세대 주력 퓨전 메모리 반도체로, 낸드형 메모리가 가진 큰 저장용량과 노어형 메모리가 가진 빠른 속도의 장점을 동시에 구현하고 있다.
[네이버 지식백과] 플래시메모리 [Flash Memory] (두산백과 두피디아, 두산백과)
♣ 낸드플래시 메모리[NAND Flash Memory]
전원이 꺼지면 저장된 자료가 사라지는 D램이나 S램과 달리 전원이 없는 상태에서도 메모리에 데이터가 계속 저장되는 플래쉬메모리의 일종. 데이터의 저장 및 삭제가 자유롭다. 시스템반도체가 데이터를 우선 인식하거나 연산하면, 단기 저장장치인 D램을 거쳐 낸드플래시에 저장된다.
플래쉬메모리는 내부방식에 따라 NOR 형과 NAND형으로 나누는데, NOR형이란 셀이 병렬로 연결된 방식이고, NAND형이란 셀이 직렬로 연결돼 있는 구조다. 낸드플래쉬메모리는 USB드라이브, 디지털 카메라나 MP3등에 쓰이는 메모리카드 등이 있다.
한편 노어플래쉬메모리는 MMC카드나 Compact flash 메모리에 쓰인다. NAND형은 NOR형에 비해 제조단가가 싸고, 대용량의 데이터를 저장할 수 있다는 장점이 있는 반면에, NOR형은 NAND 형에 비해 더 빠르며 데이터의 안정성이 우수하다. 2020년 10월 말 현재 삼성전자와 인텔의 낸드플래시 사업부분을 인수한 SK 하이닉스가 각각 세계 낸드플래시 시장 1위와 2위로 일본 도시바(3위)와 경쟁을 벌이고 있다.
♣ 캐시메모리[cache memory]
컴퓨터의 처리속도 향상을 위해 사용되는 소형 고속 기억장치 또는 버퍼메모리의 일종
중앙처리장치(CPU)와 상대적으로 느린 주기억장치 사이에서 두 장치 간의 데이터 접근속도를 완충해 주기 위해 사용되는 고속의 기억장치다. 캐시메모리는 주기억장치를 구성하는 DRAM보다 속도가 빠른 SRAM으로 구성하여 전원이 공급되는 상태에서는 기억 내용을 유지하는 임시 메모리다.
[네이버 지식백과] 캐시메모리 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)
♣ 메모리 반도체들은 정보를 저장하는 용도로 사용합니다. 비메모리 반도체는 정보를 처리하는 목적으로 제작된 반도체를 말합니다. 미메모리 반도체는 주로 전자제품의 두뇌 역할을 하는 칩으로 각종 전자기기에 필수적으로 들어갑니다. 주로 모바일 기기의 중앙 처리장치인 AP, 컴퓨터의 중앙처리장치인 CPU, 디지털 신호를 처리하는 DSP, LED, 렌즈를 통해 들어오는 빛을 영상신호로 바꿔주는 CMOS, 이미지센서(CIS), 디스플레이 드라이버(DDI), 통신 등 다양한 전자제품의 핵심적인 역할을 수행합니다. 핵심 역할을 담당하기 때문에 회로가 매우 복잡하고 종류가 매우 다양합니다.
비메모리 시장은 전체 반도체 시장의 70% 이상을 차지하고 있고, 앞으로 성장 가능성도 매우 높기 때문에 각 나라와 회사들이 앞다투어 투자와 개발을 이어나가고 있습니다. 최근 쳇 GPT로 인해 비메모리 반도체에 대한 관심으로 관련 주가도 뜰썩이고 있습니다. 미국, 중국, 대만 일본, 유럽 등 선진국들은 각 국가와 기업들이 협력하며 대규모 투자를 시작하였고, 국가별로 반도체 동맹을 맷는 등 발 빠르게 움직이고 있습니다.