인텔, 낸드플래쉬보다 1000배 빠른 비휘발성 메모리 개발

미국 인텔은 7월 28일 미국 마이크론과의 공동 연구를 통해 새로운 비휘발성 메모리 '3D XPoint'을 개발, 양산을 개시했다고 발표했다.

　비휘발성 메모리로는 현재 주류로 사용되는 도시바 특허인 낸드플래쉬 등장 이후 25년 만에 새로운 구조를 채용하고 있으며, NAND와 비교해 최대 1,000 배의 고속화와 내구성 향상을 전망 할 수 있다고 말한다.

　이름하여 3D XPoint는 10년 이상의 연구 개발 기간 거쳐 처음부터 개발, 실용화에 이르른 기술이며, 트랜지스터를 사용하지 않는 독자적인 「크로스 포인트 구조」를 채용한다. 워드선과 비트선의 교차점에 메모리 셀을 배치하는 3D 바둑판을 만들 수 있기 때문에 메모리 셀에 대한 개별 접근이 가능해진다.

　크로스 포인트 배열 구조는 도체가 수직으로 배치 된 1,280 억의 메모리 셀과 연결되는 3차원 고밀도 설계로 DRAM의 10배의 집적도가된다. 

현재 메모리 셀이 2층 구조로되어 있으며, 대당 128Gbit의 데이터를 저장할 수있다. 미래에 적층 수를 늘리고 용량을 더욱 향상이 가능하다는 것.

　트랜지스터가 필요없는 메모리 셀 선택기에서 보내지는 다양한 전압에서 읽기/쓰기 할 수 있기 때문에, 그 덕택에 대용량화와 제조단가 절감이 가능하다.

　인텔은 올해 3D XPoint을 채용한 제품 샘플을 출시 예정하고 있으며, 그 고속성이나 고집적 등의 머신러닝이나 패턴 분석, 유전자 분석 등 대용량 데이터의 고속 처리시스템에  큰 기대를 가질 때 뿐만 아니라, 8K해상도로 게임 등 엔터테인먼트 분야에서의 응용 프로그램의 창출을 촉진시키는 것이라고 하고있다.

인텔과 마이크론의 발표 내용에서 "3D XPoint Technology"가 어떻게 좋은 기술인지를 강조하는 문장이 곳곳에 있다.

1)NAND 플래시 메모리에 비해 1,000 배나 빠른 메모리

2)DRAM에 비해 10 배나 기억 밀도가 높은 메모리

3)NAND 플래시 메모리에 비해 개서 수명이 1,000 배나 긴 메모리

　

이것만 보면 엄청나게 획기적인 기술이라고 착각 할 것 같지만, 기자 회견 영상과 발표 자료를 조사하면 다른 측면이 보인다. 예를 들면 다음과 같은 것이다.

4)DRAM에 비해 동작 속도가 느려 읽기 속도는 NAND 플래시 메모리와별로 다르지 않는 메모리

5)NAND 플래시 메모리에 비해 저장 밀도가 낮은 메모리

6)DRAM에 비해 개서 수명이 훨씬 짧은 메모리

　컴퓨터 시스템의 메모리 계층을 빠르고 소용량의 상위 계층에서 느리고 대용량의 바닥 층의 순으로 기술 해 나갈 때 CPU (레지스터), 캐시, 주기억 (DRAM) 외부 저장 (NAND 플래시 메모리 ) 외부 저장 (HDD)가되는 경우가 많다. 3D XPoint Technology에 의한 비휘발성 메모리 (3D XPoint 메모리)는 주기억 (DRAM)과 외부 저장 (NAND 플래시 메모리)의 사이를 묻는 메모리이다. 즉, 3D XPoint 메모리는 DRAM 또는 NAND 플래시 메모리와 경쟁하는 메모리가 아니라 공존하는 메모리이다.

　이 주기억 (DRAM)과 외부 저장 (NAND 플래시 메모리)의 사이를 묻는 메모리는 이전부터 '스토리지 클래스 메모리 (SCM) "또는"차세대 대용량 비 휘발성 메모리'등으로 불리고 연구 개발이 진행되어왔다.

　구체적으로는 상변화 메모리 (PCM), 자기 메모리 (MRAM), 저항 변화 메모리 (ReRAM) 등의 메모리 기술이지만, 3D XPoint 메모리는 이들과 경쟁 메모리 기술 할 수있다.

크로스 포인트 형 메모리 적층 구조를 채용

　

인텔과 마이크론은 기자 회견에서 "3D XPoint Technology의 훌륭함"을 어필하는 예리한 이었지만, 기술적 내용에 대한 자세한에게는 그다지 접하려고하지 않았다.

　그래도 메모리 기술의 간략한 언급하고 그에 의하면, 메모리 셀 어레이에는 '크로스 포인트 형 메모리」의 명칭으로 알려진 구조를 채용하고 있다고한다.

　크로스 포인트 형 메모리는 워드 선과 비트 선이 교차하는 미세한 영역에 메모리 셀 전체가 들어가는 메모리로, NAND 플래시 메모리를 제외하면 가장 높은 밀도의 메모리 셀 어레이를 실현할 수있는 구조가된다 .

　메모리 셀의 크기를 측정하는 지표로 '설계 규칙 (F : Feature size)의 제곱', 즉 'F2'가있다. 메모리 셀의 크기가 F2의 몇배가 될지에서 고밀도화의 정도를 측정 할 수있다. 예를 들어 DRAM 셀은 "6 × F2 '이다.

　크로스 포인트 형 메모리는 배선의 교차 영역과 인접 셀 사이의 절연 영역이 메모리 셀 면적이므로 "2 × F"× "2 × F」, 즉 「4 × F2 '가된다.

　크로스 포인트 형 메모리는 또한 메모리 셀 어레이를 적층 할 수있는 중요한 특징을 갖추고있다. 워드 라인에 상당하는 배선층 비트 선에 상당하는 배선층 사이에 메모리 셀을 포함시킬 수 있기 때문이다.

　예를 들어, 최하층을 워드 라인 층, 그 위에 메모리 셀 비트 라인 층 메모리 셀 최상층을 워드 라인 층하면 2 층의 적층 구조가된다. 3D XPoint Technology도이 2 층 구조를 채용하고있다.

▲3D XPoint Technology의 메모리 셀 어레이 구조. 

크로스 포인트 형 메모리 적층 구조를 채용하고있다

도시바 -샌디스크연합이 같은 기술 32Gbit 메모리를 시작했습니다.

　

사실, 크로스 포인트형 메모리와 2층의 적층 구조를 채용 한 대용량 비휘발성 메모리 개발이 발표 된 것은 이번이 처음이 아닙니다.

2013년 2월에 도시바-SanDisk 연합이 32Gbit의 대용량 비 휘발성 메모리를 국제 학회 ISSCC에서 발표했었습니다.

　도시바-SanDisk 연합이 제작한 32Gbit 비휘발성 메모리는 기억소자저항변화 메모리 (ReRAM) 기술을 적용하여, 셀 선택 소자 다이오드를 채용하고 있으며, 제조공정은 24nm, 실리콘 다이 면적은 130.7 평방 mm로 매우 작은형태였습니다.

　또한 2Mbit과 소용량으로 보면은 한국 SK Hynix와 미국 Hewlett-Packard의 공동 연구 그룹이 저항 변화 메모리 (ReRAM) 기술을 채용 한 크로스 포인트 형 비 휘발성 메모리를 시작하고, 2012년 6월에 국제 학회 VLSI 심포지엄 개요 발표를 이미 했었죠.

▲2013년 도시바 -SanDisk 연합 발표한 4GB용량의 크로스포인트형 대용량 비휘발성 메모리

128Gbit의 대용량 실리콘 다이를 Intel-Micron 연합이 공개

　

이번 Intel-Micron 연합의 발표에 주목할만한 128Gbit라는 큰 저장 용량의 메모리를 제조해 보였다 점이다.

128Gbit의 실리콘 다이는 실제 제품과 시제품 발표 (국제 학회에서 발표)를 모두 포함하여 NAND 플래시 메모리의 최대 저장 용량과 동일하다. 이것은 굉장한 일이다.

▲128 Gbit의 3 D XPoint 메모리를 만들어 넣은 직경 300 mm의 wafer를 소개하는 인텔의 Rob Crooke씨와 Micron 최고 경영 책임자의 Mark Durcan씨.

▲128Gbit 대용량의 3D XPoint 메모리의 실리콘 다이 사진

칩1개에 16GB 용량을 갖는다.

신경이 쓰이는 것은 실리콘 다이의 면적이다.직경 300 mm의 wafer를 피로한 기자 회견의 영상으로부터, 스크라이브라인의 수를 수작업으로 집계했다.영상에서는 실리콘 다이의 장변 방향의 치수만을 추정할 수 있었으므로, wafer의 클로즈 업 사진으로부터 실리콘 다이의 종횡비를 읽어내, 단변 방향의 치수를 추측했다.

　그 결과, 실리콘 다이의 크기는 약 17 × 12.75mm (장변 × 단변)가되었다. 즉, 실리콘 다이 면적은 216.75 평방 mm로 추정된다. 이것은 반도체 메모리로는 꽤 큰 면적이다. 이 실리콘 다이 면적의 추정이 타당하다면, 제조 비용은 힘들 것이다.

　그러나 현재 설계 규칙이 공표되어 있지 않기 때문에, 실리콘 다이 면적을 어디까지 좁혀 수 있을지는 불투명하지만 기자 회견에서 "scalable (미세화가 가능)"라고 말하고 있기 때문에 기대는 할 것 같다.

기억소자와 셀 선택 소자의 기술을 추측한다

　Intel-Micron 연합은, 이번 발표로 메모리 셀의 기억소자와 셀 선택 소자의 상세를 공표하고 있지 않다.다만, 몇개의 단서는 있다.

　먼저 기억 소자에 대해 양사는 "전하를 충전하는 기술이 아니다"고 말했다. 따라서 플래시 메모리 기술은있을 수 없다. 

그렇게되면 차세대 비 휘발성 메모리 기술을 생각할 수 있지만, 그 중에서도 크로스 포인트 형에 적합하지 않은 상 변화 메모리 기술과 자기 메모리 기술은 제외 좋을 것이다.

　남아있는 기술은 저항 변화 메모리 기술이다. 설명 문서에서는 새로 개발 한 재료를 "compounds (여러 화합물)"고 말했다 있기 때문에 여러 산화물 층으로 구성된 저항 변화 메모리의 가능성이 높은 것 같다. 또한 3D XPoint 메모리는 1개의 메모리 셀에 1bit의 데이터를 기억하는 형식으로 다치 메모리 기술은 채택하지 않았다.

　셀 선택 소자에 관해서는 "트랜지스터는 없다"고 말했다. 가장 가능성이 높은 것 같은 것은 다이오드이다. 어떤 원리에 근거 스위치 가능성은 있지만, 기억 소자의 동작 파라미터와 스위치의 동작 파라미터가 간섭 수도있는 것으로 생각하기 어렵다.

▲"3D XPoint Technology"의 메모리 셀 어레이 구조와 특징

아직 풀리지 않는 몇 가지 의문

　위와 같은 가정은 성립 것이지만 몇 가지 의문이 남는다.

　우선, 저항 변화 메모리 기술이 3D XPoint Technology에 채용되고 있다고 하면, 읽기/쓰기 속도가 너무 빠르다. 수십 나노초의 읽고 쓰기라고 하는 속도를 달성하는 것은, 저항 변화 메모리 기술에 있어서 매우 어렵다.사실, 도시바-SanDisk 연합등이 시작한 저항 변화 메모리칩의 성능은, 읽고/쓰기 모두 마이크로 세컨드대다.

　이제 1개의 중대한 의문은, 저항 변화 메모리의 개발로는, 소니와 Micron이 공동 개발 팀을 짜고 있는 것이다. 양 회사는 16Gbit의 저항 변화 메모리를 시작해, 그 기술 내용을 2014년 2월에 국제 학회 ISSCC로, 한층 더 동년 12월에 국제 학회 IEDM로 공동 발표하고 있다.3D XPoint Technology에 같은 저항 변화 메모리 기술이 채용되고 있으면 가정하면, 소니와 Micron의 공동 개발 체제에 어떠한 변화가 있었다로는이라는 의문이 생긴다.

▲소니와 Micron Technology가 공동 개발 한 16Gbit 저항 변화 메모리 (ReRAM)의 개요 (왼쪽)와 실리콘 다이 사진 (오른쪽)

　

이 밖에 3D XPoint Technology는 NAND 플래시 메모리의 1,000 배의 쓰기수명을 실현하고 있다는 점도 마음에 걸린다. 만일 NAND 플래시 메모리의 쓰기수명을 1만회하면 3D XPoint Technology의 개서 수명은 1,000 만회된다. 이 수명은 저항 변화 메모리 기술로는 불가능하지는 않지만, 상당히 어렵다고 할 수있다.

　이러한 의문은 올해안에 모두 해소 될 것이다. 

기존의 저항 변화 메모리 기술이 아니라 혁신적인 저항 변화 메모리의 가능성도있다. 인텔과 마이크론의 추가 발표를 기다려보자.