삼성전자 반도체, D램부터 DDR5까지 40년간의 여정

[테크월드뉴스=박규찬 기자] 삼성전자 반도체는 과감한 투자와 지속적 기술 혁신을 기반으로 40년간 미세공정의 한계를 돌파해 왔다. 1983년 64Kb(킬로비트) D램 개발 이후 삼성전자 반도체는 64Mb(메가비트) D램부터 최근 32Gb(기가비트) DDR5까지 업계 최초로 개발하며 또 한 번 혁신의 역사를 기록했다.

생성형 AI의 부상으로 데이터 처리량이 폭증하는 상황에서 이런 성과는 삼성전자 메모리 반도체가 다음 세대를 향해 빠르고 안정적으로 도약할 수 있는 계기가 됐다. 현존 최대 용량 32Gb DDR5 D램이 탄생하기까지 삼성전자 반도체가 지나온 여정을 살펴보면 그 이유를 확인할 수 있다.

▶DDR SDRAM에서 DDR5까지, 속도는 UP! 소비전력은 DOWN!
DDR은 현재 쓰이는 D램의 표준 기술 규격으로 D램 제품의 세대를 의미한다. D램은 연산 작업을 하는 중앙처리장치(CPU)와 주기적인 전기 신호(클럭)에 맞춰 데이터를 주고받으며 데이터를 빠르게 저장하고 불러오는 역할을 수행한다.

이때 DDR D램은 기존 SDR(Single Data Rate) D램과 달리 클럭 한 번에 데이터를 두 번 전송한다. DDR3, DDR4, DDR5 등 세대를 거듭한 제품이 등장할수록 동작 속도는 더욱 빨라지고 속도가 빨라질수록 동작 전압은 낮아져 더 낮은 전력으로 서버를 구동할 수 있게 된다.

특히 DDR5의 경우 이전에 출시된 DDR4보다 최고 동작 속도가 2배 이상인 7,200Mbps에 달해 데이터 처리량이 급증하고 있는 IT 분야에 최적의 솔루션으로 자리매김했다.

초연결 시대를 주도하기 위해서는 동작 속도뿐만 아니라 많은 데이터를 담을 수 있는 용량도 중요한 요소다. 삼성전자 반도체가 가장 최근에 선보인 DDR5의 모듈 최대 용량은 무려 512GB. DDR4에 비해선 2배, DDR SDRAM에 비해서는 무려 256배에 달하는 용량이다.

▶고용량은 물론, 환경에 미치는 영향까지 줄인 DDR5의 핵심 기술은?
이런 성능을 지닌 DDR5가 탄생할 수 있었던 배경에는 두 가지 기술이 있다.

하나는 데이터센터를 비롯해 고성능 컴퓨팅 환경에서 데이터 처리 용량을 늘리면서도 서버에서 메모리가 차지하는 전력 소모를 감소시킴으로서 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있는 ‘HKMG(High-K Metal Gate)’ 공정이다.

메모리는 전하를 저장하는 셀로 이뤄져 있는데 각 셀 간 전하가 누출되지 않도록 절연돼야 한다. 그렇지 않으면 데이터 오염이 발생할 수 있고 결과적으로 이 데이터가 필요한 프로그램이 작동되지 않을 수도 있다.

메모리 제조업체는 이에 대한 한계를 마주한 상태였는데 삼성전자 반도체가 이런 상황을 극복하기 위해 업계 최초로 HKMG 공정을 적용한 DDR5를 개발한 것이다.

HKMG 공정은 전자기기에서 데이터 처리는 물론 계산 및 논리 작업을 수행하는 데 활용되는 로직 칩에 주로 쓰이는 공정이다.

기존에는 D램 절연막에 ‘폴리실리콘옥시나이트라이드(pSiON)’이라는 물질을 사용해 왔으나 DDR5의 경우 유전율이 높은 High-K 물질을 절연막에 적용해 두께는 줄이면서 누설전류를 줄여 신뢰성을 높인 것이 특징이다. 게이트 역시 새로운 절연막에 적합한 메탈 게이트로 바꿨다.

HKMG 공정이 DDR5에 적용되면서 밀집된 셀 사이의 절연 상태를 개선할 수 있었고 이를 통해 DDR4에 비해 2배 이상의 빠른 데이터 처리 속도를 지닐 수 있게 됐다. 또한 에너지 사용량도 13% 줄임으로써 고성능, 저전력이 필요한 응용처에 최적의 솔루션으로 자리매김하는 결과를 얻었다.

다른 하나는 고성능 컴퓨팅 환경에서 직접 회로의 밀도와 성능을 향상시키는 ‘TSV(Through-Silicon Via)’ 공정이다. TSV는 실리콘 칩 안에 수직으로 구멍을 뚫어 다른 칩과 연결하는 실리콘 관통 전극 기술이다.

칩 내부 연결을 단축해 저전력으로 고속 데이터 전송을 가능하게 하고 작은 패키지에 높은 밀도의 칩 설계 역시 가능하게 해 결과적으로 장치의 크기를 줄이는 데에도 도움을 주는 것이 강점이다.

AI 및 고성능 컴퓨팅 환경에서는 여러 작업을 동시에 처리하며 작업의 효율성을 높이는 하이코어 CPU가 필요한데 해당 기술은 대량의 메모리와 대역폭이 필요해 개당 용량이 높은 D램 모듈을 사용하는 것이 효과적이다.

현재 용량이 큰 D램에 대한 수요가 점진적으로 증가하고 있는 이유다. 결과적으로 삼성전자 반도체는 DDR5에 TSV 공정을 적용함으로써 최대 512GB의 용량을 확보할 수 있었다.

▶초거대 AI 시대, 차세대 D램 시장을 견인하다
최근 삼성전자 반도체는 TSV 공정 적용 없이 128GB 모듈을 제작할 수 있는 12나노급 고용량 32Gb DDR5 D램도 업계 최초로 개발했다. 이를 통해 16Gb D램을 탑재한 모듈보다 용량을 높이면서 제조 비용은 개선하고 소비 전력은 약 10% 개선할 수 있게 됐다.

초거대 AI 기술이 탄생할수록 처리해야 할 데이터의 양 역시 기하급수적으로 늘어날 것이며 메모리 용량에 대한 요구도 증가할 것이다. 이에 따라 고성능 컴퓨팅이 대용량 데이터를 고속으로 처리하기 위한 필수 요소가 됐다.

DDR5는 고성능 컴퓨터뿐만 아니라 클라우드, AI, 빅데이터, 자율주행과 같은 대용량 데이터 처리 응용 분야에서 빠른 성능과 효율을 제공한다. 특히 전력 효율을 중요시하는 IT 기업에게 매우 유용한 솔루션이 될 것이며 미래형 첨단 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 많은 기대를 모으고 있다.

삼성전자 관계자는 “삼성전자 반도체가 12나노급 32Gb DDR5 D램과 같은 선도적인 기술을 선보인 데에는 지난 40년간 업계를 선도해 오며 축적한 원천 기술과 긴밀한 협력 관계가 주요하게 작용했다”며 “삼성전자 반도체는 향후에도 고용량 D램 라인업을 꾸준히 확대해 가며 다양한 응용처에 공급도 확대해 차세대 D램 시장을 견인해 나갈 계획”이라고 말했다.