차세대 메모리 반도체 by Big 3

메모리 반도체 불황

메모리 반도체 시장은 과거 몇 년간 코로나19 팬데믹으로 인한 원격 근무와 학습 수요 증가, 5G와 클라우드 서비스의 확산 등으로 호황을 누렸다. 하지만 이러한 수요가 정점을 지나면서 감소세를 보이고 있다. 반면에 주요 메모리 제조사들이 시장 점유율을 확보하기 위해 투자와 생산을 확대함으로써 공급은 계속해서 증가하고 있다. 그 결과, 메모리 반도체 시장은 공급과잉과 수요감소의 악화되고 있으며 재고는 역대 최대 수준으로 큰 손실을 감수하고 있다. 

 

메모리 반도체 시장의 변화 조짐

미국 증시에서 주요 반도체 종목들이 일제히 급등하고 있고 국내 반도체 투자심리에도 긍정적인 영향을 미치고 있다. 미국의 반도체 대표기업이며 메모리 반도체 시장을 3 등분하고 있는 마이크론 테크놀로지는 전일 대비 7.19%(29일 현지시간) 급등하면서 거래를 마쳤다. 최근 실적은 좋지 않았음에도 불구하고 증시의 상승을 이끈 것은 경영진이 긍정적인 실적 전망을 내놓았기 때문이다. 마이크론은 이미 14억 달러 어치의 재고를 상각했고, 공급 과잉이 사라지면서 반도체 가격 상승이 조만간 본격화할 것이라고 밝혔다. 메모리 반도체의 가장 큰 수요처인 데이터센터 매출은 2023년 2분기 바닥을 찍을 것으로 내다봤다. 특히 최근 Chat GPT 등 AI 열풍이 지속되면서 이에 필요한 반도체 수요 역시 폭증할 수 있다는 분석이 지배적이다. 삼성전자와 SK 하이닉스 역시 시장에서 긍정적인 평가가 이어지고 있는데 단기적인 상승이 아니라 지속적인 상승을 보이는 점에서 매우 고무적이라고 평가되고 있다. 

 

삼성전자는 경쟁사들보다 공격적인 가격 경쟁과 시장 점유율 확대에 주력했는데, 이는 원가 경쟁력과 장기적인 시장 성장 전망에 자신감을 보였기 때문이다. 삼성전자는 지난해 4분기 D랩 점유율이 45.1%로 전분기보다 4.4% 포인트 상승하며 역대 최고치를 기록했다. 낸시플래시 점유율도 1위를 지키고 있으며, 특히 기업용 SSD(Solid Stste Drive)에서는 40% 이상의 점유율을 달성하며 독보적인 지위를 유지하고 있다. 삼성전자는 메모리 반도체 불황이 끝난 후 지배력 강화를 위해 향후 2~3년간 수익성 대신 점유율 확대에 집중할 것으로 전망되고 있다. 다만, 삼성전자의 올해 1분기 잠정실적 발표가 다음 주로 예상되는데 1분기 실적 침체가 예상보다 심각할 경우 삼성전자도 감산에 대한 고민이 커질 수밖에 없다. 

 

메모리 반도체 시장의 불황은 올해까지 이어질 것으로 예상되지만, 중장기적으로는 다양한 요인들이 시장 성장을 촉진할 것으로 보인다. 대표적으로 대화형 AI의 발전과 확산이라는 점에선 많은 전문가가 동의하고 있다. AI 칩 제조업체들은 고성능 메모리를 탑재하기 위해 파운드리(반도체 수탁생산) 업체들과 협력하고 있다. 삼성전자는 애플, 엔비디아, 퀄컴 등 AI 칩 제조업체들의 파운드리 파트너로서 초미세 공정 기술력을 활용하고 있다. AI 칩 수요가 증가함에 따라 메모리 반도체 수요도 함께 상승할 것으로 예상된다. 

 

 

차세대 메모리 반도체 

삼성전자

2023년 3월 28일(현지시간) 미국 캘리포니아 마운틴뷰에서 MemCon 2023이 열렸다. MemCon은 AI 관련 메모리 솔루션을 보다 심층적으로 다루기 위해 올해 처음으로 개최된 학회다. 글로벌 정보기술(IT) 기업들을 중심으로 메모리, 디바이스 및 서버 업계를 이끄는 다양한 업체들이 참여했다. 이번 행사에서 '데이터 중심 시대의 메모리 혁신'을 주제로 기조연설을 한 최진혁 부사장(삼성전자 반도체 미주 메모리 연구소장)은 다양한 D램과 낸드 플래시의 메모리 월 문제를 해결할 혁신 솔루션과 삼성전자 메모리 기술 비전을 선보이면서 세계적인 관심을 받았다. 

 

-. HBM-PIM(High Bandwidth Memory Processing In Memory): 고성능 메모리에 연산 기능을 내장한 지능형 반도체 기술이다. HBM-PIM은 메모리와 프로세서 사이의 데이터 전송을 줄여주어 시스템의 성능과 효율을 높일 수 있다. HBM-PIM은 인공지능(AI) 모델의 연산을 가속하기 위해 적합한 기술로, 삼성전자는 이를 Chat GPT와 같은 대규모 생성형 AI 모델에 적용할 경우 기존 HBM이 장착된 GPU 가속기에 비해 AI 모델의 생성 성능이 3.4배가량 개선될 것으로 분석하였다. 

 

-. PNM(Phase-change Nanomemory): 기존의 플래시 메모리와 DRAM의 장점을 결합한 하이브리드 메모리로, 고속의 읽기와 쓰기가 가능하고 높은 데이터 밀도를 가지면서도 낮은 전력 소모와 오랜 내구성을 보장한다고 밝혔다. PNM은 나노스케일의 상변화 물질을 이용하여 데이터를 저장하며, 전기적 신호에 따라 물질의 저항이 변화하는 원리를 활용한다. PNM은 현재 128Gb의 용량을 가지는 칩을 개발하였으며, 2025년까지 1Tb의 용량을 달성할 계획이다. PNM은 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 다양한 모바일 기기뿐만 아니라 클라우드 컴퓨팅, 인공지능(AI), 빅데이터 등 고성능 컴퓨팅 분야에도 적용될 수 있는 차세대 메모리 반도체 기술로 평가받고 있다.

 

-. CXL D램: 컴퓨터 익스프레스 링크(Computer Express Link)라는 새로운 표준을 기반으로 한 메모리 제품이다. 컴퓨터 익스프레스 링크는 CPU와 메모리 간의 연결 방식을 개선하여 메모리 용량과 접근 속도를 증가시키는 기술이다. 삼성전자의 CXL D램은 기존 D램과 호환되면서도 컴퓨터 익스프레스 링크를 지원하여 시스템 메모리 용량을 테라바이트(TB)급까지 확장할 수 있다. 또한, CXL D램은 메모리 근처에서 연산 기능을 수행하는 프로세싱 니어 메모리(Processing Near Memory) 기술을 적용하여 AI 모델 로딩 속도를 2배 이상 빠르게 하였다. 삼성전자는 CXL D램을 통해 AI system의 메모리 병목 현상을 해결하고 성능과 확장성을 향상시킬 수 있을 것이라고 밝혔다. 

 

-. 페타바이트 스토리지: 서버 시스템의 공간 활용도를 높이고 데이터 전송 속도를 향상시키지 위해 삼성전자가 개발한 제품이다. 페타바이트는 1000조 바이트로, 대용량의 데이터를 저장할 수 있는 단위이다. 삼성전자의 페타바이트 스포리지는 8개의 낸드플래시 모듈을 하나의 패키지에 집적하여 1TB의 용량을 달성하였다. 이렇게 작은 크기로 높은 용량을 구현한 페타바이트 스토리지는 서버 시스템에 최대 32개까지 장착할 수 있으며, 이 경우 전체 용량은 32TB가 된다. 또한, 페타바이트 스토리지는 PCIe 5.0 인터페이스를 지원하여 데이터 전송 속도가 기존 제품보다 2배 이상 빨라졌다. 삼성전자는 페타바이트 스토리지를 통해 AI system 데이터 처리 성능과 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

 

SK 하이닉스

-. 최근 주총에서 박 부회장은 "2023년은 DDR4가 2014년 시장에 본격적으로 등장한 이후 10년 만에 DDR5로 세대교체가 이루어지는 시기"라며 "인텔과 협업을 통해 1 anm 기술이 적용된 DDR5 제품을 최신 CPU에 적용할 수 있는 인증을 업계 최초로 획득했다."라고 밝혔다. 최근 인텔은 DDR5가 적용된 신형 중앙처리장치(CPU)를 출시하였다. 또한, 박 부회장은 Chat GPT 동작에 고속 고용량 메모리의 필요성을 강조하면서 SK 하이닉스의 HBM 제품 개발에 역량을 집중하겠다고 설명하였다. 현재 HBM3A, HBM4 등 차세대 주력 제품을 개발 중인 것으로 알려졌다.

 

-. 차세대 지능형 메모리 반도체 PIN(Processing-In-Memory): 메모리 반도체에 연산 기능을 더해 인공지능(AI)과 빅 데이터 처리 분야에서 데이터 이동 정체 문제를 풀어낼 수 있는 기술이다. SK 하이닉스는 PIM이 적용된 첫 제품으로 'GDDR6-AiM(Accelerator in Memory)' 샘플을 개발했다. 이 제품은 초당 16기가비트(16 Gbps) 속도록 데이터를 처리하는 GDDR6 메모리에 연산 기능이 더해진 제품으로, 특정 연산 속도는 최대 16배까지 빨라진다. 또한, 저전압 작동과 자체 연산으로 전력 소모와 탄소 배출을 줄여준다. 

 

-. 스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory, SCM): NAND처럼 고용량/비활성 속성을 제공하면서 동시에 DRAM처럼 고속으로 데이터를 처리하는 메모리이며, SCM의 가능성을 처음으로 실현한 상변화 메모리(Phase-change RAM, PCRAM)를 개발했다. PCRAM은 상변화 물질의 상태 변화로 인해 발생하는 저항의 차이를 활용해 1과 0을 인식시키는 방식으로 동작하며, 빠른 동작 특성과 비휘발성 등 장점을 두루 갖추고 있다.

 

-. 강유전체 메모리(Ferroelectric Memory, FRAM): 외부 전기장에 의해 전환될 수 있는 두 개의 안정적인 강유전체 쌍극자를 사용하는 메모리로, 산화하프늄(HfO2)을 사용하여 CMOS 게이트 스택에 데이터를 저장하는 요소를 개발했다. HfO2는 CMOS 게이트 산화막에 널리 사용되는 재료로, 빠른 속도와 비휘발성, CMOS 기술과의 손쉬운 통합성 덕분에 새로운 부가가치를 창출할 메모리 반도체로 널리 연구되고 있다. 

 

마이크론(Micron)

-. 마이크론은 차세대 메모리 솔루션을 통해 AI 시대의 메모리 혁신을 주도하겠다고 밝혔으며 글로벌 IT 기업들과의 협력을 강화하면서 AI 애플리케이션의 다양한 요구사항에 맞춘 맞춤형 솔로션을 제공하겠다고 밝혔다. 

 

-. GDDR6X: 고성능 그래픽 처리 장치(GPU)에 사용되는 고속 메모리로, 기존 GDDR6보다 데이터 전송 속도가 2배 빠른 1TB/s를 보여줌으로써 AI 모델의 학습과 추론 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

 

-. DDR5: 서버와 클라우드 컴퓨팅에 사용되는 메인 메모리로 기존 DDR4보다 데이터 전송 속도가 2배 빠르고 전력 소비가 20% 감소한 6.4GB/s를 달성하여 AI 워크로드의 처리량과 에너지 효율을 높일 수 있다. 

 

-. Xccela: 낸드 플래시 기반의 고속 스토리지 메모리로, 기존 NOR 플래시보다 데이터 전송 속도가 4배 빠른 400MB/s를 보여 주고 있으며, AI 애플리케이션의 부팅 시간과 응답 속도를 개선할 수 있다.