삼성 SSD 850 PRO의 3D V-NAND 기술이 가져올 변화

[소셜트렌드]

삼성전자(삼성 Electronics)의 신형 SSD, SSD 850 프로(SSD 850 PRO)는 일반 PC 사용자를 위한 제품으로는 처음으로 3D V-NAND (Three-Dimensional Vertical NAND) 기술을 이용한 플래시 메모리를 탑재하는 것이 가장 큰 특징입니다.

3D V-NAND에 의한 효과는 일단 SSD 850 PRO의 10년 보증 기간으로 볼 수 있지만, 실제로 3D V-NAND는 무엇이며, 향후 SSD에 무슨 일이 일어날 것인지 알아보도록 합시다.

삼성은 3D V-NAND 기술이 낸드형 플래시 메모리의 대용량화에 따른 과제를 많이 극복할 수 있다고 말하고있습니다. 구체적으로 말하면, 프로세스의 미세화에 따른 신뢰성과 성능의 저하가 그러한 과제들입니다. 

사실, 이렇게 주장하고 있는 것은 삼성뿐만 아니라 도시바를 비롯한 플래시 메모리 메이커는 입체적으로 NAND형 플래시 메모리를 형성하는 기술을 개발해왔습니다. 삼성의 3D V-NAND는 그런 신세대의 NAND 플래시 메모리 기술이 처음 구현된 예인 것이죠. 　

삼성 SSD Global Summit에서 이 3D V-NAND 기술에 대해 설명한 것은, 삼성의 수석 부사장을 맡고 있으며, 플래시 메모리 설계팀의 수장을 맡고 있는 경계현 전무입니다. 먼저 플래시 메모리의 미세화에 임해 온 역사를 되돌아보면요. 삼성은 2013년에 1Xnm 세대라고 부르는 프로세스 기술 (구체적으로는 19nm 공정으로 되어있다)을 이용한 플래시 메모리의 양산을 시작했지만, 여기까지 미세화를 실현하는데 매우 많은 투자가 필요했다고 합니다.



당연히 현재의 1Xnm 세대 이후에도 미세화를 위해서는 추가 투자가 필요하지만 대규모 투자에 의한 미세화는 이제 한계가 다가왔음을 밝히기도 하였습니다. 사실, NAND 플래시의 미세화는 12nm 또는 10nm 전후가 한계라는 설로, 상당한 투자를 하여 미세화를 진행하더라도 대용량화에 대한 가능성은 낮았던 것이죠. 

또한 미세화를 막는 벽으로 셀 간의 간섭 문제도 있습니다. 미세화를 진행할수록 세포와 세포간의 물리적 거리가 줄어들고 인접한 셀끼리 영향을 미치게 되는 것이죠. 이러한 간섭은 공정 기술 30nm 이상이면 문제 없지만, 30nm 이하가 되면 제어할 수 없게 되어, 문제가 발생한다고 합니다.



이에 따라 삼성은 미세화를 대신할 대안을 찾아왔습니다. 그리고 그에 대한 대답으로 3D V-NAND가 나온 것이죠. 3D V-NAND는 미세화하는 대신 메모리 셀을 수직으로 적층시켜 대용량화를 실현합니다. 극단적인 미세화를하지 않고도 대용량의 플래시 메모리칩을 제조 할 수 있게 된다는 이론에 따른 것이지요.

덧붙여서, 현재 세대의 3D V-NAND는 30nm급 공정 기술을 이용하여 제조된 것으로 구체적인 섬세한 프로세스 규칙은 밝혀져 있지않지만, 셀 간의 간섭이 문제가 되지 않는 30nm급 공정 기술을 이용하여 제조함으로써 미세화가 진행된 2D 플래너형 NAND 플래시 메모리를 사용했을 때와 같은 문제를 해결할 수 있게 된 셈이죠.



무엇보다, 3D V-NAND를 실현하기 위해, 재료(Material)와 구조(Structure),  통합(Integration) 등의 3요소에서 혁신이 필요했다고 하는데요. 먼저 재료 부문에서는 3D V-NAND는 CTF (Charge Trap Flash)라는 기술이 사용되는 것이 강조되었습니다. CTF는 실리콘 질화막(SiN)을 가진 NAND 플래시 메모리에서 셀 간의 간섭을 줄여준다고 합니다. 삼성은 2006년에 40nm 공정 세대에서 CTF의 양산화를 실현하고, CTF 기반의 NAND 플래시 메모리 분야에서 오랜 경험을 가지고있습니다.



두번째 구조 부문의 혁신은 메모리셀의 구조를 2D 플래너형에서 입체 구조로 바꿨다는 것을 의미합니다. 3D V-NAND 메모리 셀은 Channel Hole이라는 구멍을 둘러싼 도넛 모양으로 전통적인 2D 플래너형과는 셀의 형태가 크게 다릅니다.

그리고 세번째 통합 부문의 혁신은 적층 기술을 가리킵니다. SSD 850 PRO는 32층의 3D V-NAND가 이용되고있습니다. 이러한 다층화는 얇은 실리콘칩을 접합하는 것이 아니라, 실리콘칩 안에 ​​메모리 셀의 32층 구조를 만드는 것입니다.



이것이 고도의 기술이라는 것은 상상하기 어렵지 않지만, 이러한 적층 기술은 오랜기간 상당한 투자가 필요하며 양산을 실현할 수 있는 것은 현재 삼성뿐이라고 합니다.

NAND 플래시 메모리에서 3bit TLC의 경우, 1장당 128Gbit의 수용량이 있습니다. 실제 플래시 메모리칩은 여러 실리콘 다이가 플라스틱 몰드 내부에 적층되어 있는데요. 예를 들어 1칩에 8개의 다이를 적층시키고 메모리칩 당 용량 128GB를 실현한 NAND형 플래시 메모리도 이미 실현되고 있습니다. 그 의미는 3차원 방향으로 실리콘 다이를 적층시킨 NAND형 플래시 메모리 라는 것은 이미 존재하고 있던 것이 되는 것이죠.

그러나 그러한 상태라면 많은 실리콘 다이를 하나의 칩에 봉입하고 있을 뿐으로, 소형화는 될 수 있지만 비용을 낮출 수는 없습니다. 대조적으로 3D V-NAND 경우, 동일한 128Gbit 사양의 NAND형 플래시 메모리를 하나의 실리콘 다이에서 실현할 수 있습니다. NAND 플래시 메모리칩으로는 적층된 실리콘 다이를 더 적층시킨 상태로 봉입하고 있는 셈이지요. 　

삼성에서는 어느 정도까지 계층의 수를 늘릴지는 아직 ​​알 수 없다고 말했는데요. 앞으로 3자리 층수까지 도달시킬 계획이며, 100층에 도달하면 실리콘 다이당 1Tbit의 용량을 실현할 수 있다고 합니다. 1Tbit의 실현은 2017년 정도로 예상되고 있구요. 실리콘 다이당 1Tbit 경우, 그것을 하나의 칩에 8매 봉입하면 1칩 당 용량 1TB를 실현할 수 있습니다. 2.5인치 스토리지형 SSD라면 1대로 16TB 같은 대용량도 실현되어 HDD를 넘는 용량이 SSD에서 실현될 수 있는 가능성이 열린셈이지요.



SSD 850 RPO에 적용된 3D V-NAND 실리콘 다이의 용량은 하나의 다이당 86Gbit 라고 밝혔는데요. 3D V-NAND는 원래 다치 기억을 전제로 설계되어있어 SSD 850 RPO에 적용된 칩은 셀당 2bit 기억하는 MLC로 읽고 쓰기를 실시하고 있기 때문에, 86Gbit로 되어 있다고 합니다. 

칩에 봉입된 실리콘 다이의 매수에 편차가 있는데, 128GB 버전 SSD 850 PRO는 실제로 K9HQGY8S5M, K9LPGY8S1M 이라는 서로 다른 2종의 플래시 메모리칩이 총 4개가 탑재되어 있습니다. 실리콘 다이당 용량이 86Gbit 라는 말은 SSD로 용량 128GB를 실현하기 위해서는 최소 12개의 실리콘 다이가 필요한 셈이지요. 　

1칩에 봉입된 실리콘 다이는 짝수장이라고해서, 1칩 당 3장 가능성은 없습니다. 그렇게되면, 4개의 실리콘 다이를 봉입한 칩이 2개, 2개의 다이를 봉입한 칩이 2개로 각각 번호가 주어진 것이라고 할 수 있습니다 K9HQGY8S5M과 K9LPGY8S1M 중 어느 것이 더 큰 용량의 칩인지는 모르겠지만, 이미지만으로 말한다면 K9에 이은 문자가 LP로 되어있는 것이 더 소용량적인 분위기를 풍깁니다. 　

3D V-NAND 기술로 인한 또 다른 혜택은 가속화라고 합니다. 고층화가 가능하게된 가장 큰 이유는 지금까지 셀 간의 간섭 탓에 필요했던 복잡한 오류 정정 알고리즘을 단순화하여 그것이 쓰기 속도에 긍정적인 영향을 미쳤기 때문이라고 합니다. 쓰기 속도는 2D 플래너형 NAND 플래시 메모리에 비해 최대 2배 빠른 점이 그런 이유입니다.



복잡한 오류 정정은 SSD의 전력에도 영향을 미치고 있었기 때문에, 3D V-NAND를 적용하면 소비 전력면에서도 긍정적인 영향을 줍니다. 또한 3D V-NAND는 쓰기 전류가 2D 플래너형에 비해 46% 나 감소하였으며 전체의 저소비 전력화에 기여하고 있습니다.





3D V-NAND 기술이 가져올 변화에 대해서 정리해 보았는데요. 스펙을 비교했을 때 SSD 850 PRO는 기존 제품 SSD 840 PRO 와 비교해 속도 및 성능이 향상되었고 소비전력이 내렸으며, 그에 대한 이유가 대충 밝혀진 것이죠. 로드맵 단계이므로, 정말 실현될 수 있을지 여부는 아직 모르겠지만, 3D V-NAND 기술의 적용에 의해, SSD의 용량이 HDD를 웃돌 가능성이 나타난 점도 주목해볼만한 일입니다. 드라이브당 용량뿐만 아니라 용량당 단가도 순조롭게 내려가면 3년 후인 2017년에는 HDD란 도대체 무엇이었는가 라고 말하게 될 가능성도 있다고 보여지네요.

출처 http://livegames.tistory.com/m/post/887    2014.07.07.