2023년 임베디드용 차세대메모리 16% 성장 예상

프로세서·메모리 함께 구성, 장점 극대화

사물인터넷 시대, 헬스케어 웨어러블 수요·수익 증대

■산업 및 시장 동향

국내에서 쉽게 정착하기 어려워 보였던 원격/재택근무가 코로나-19에 의해 일상적인 방식으로 자리 잡았다. 사람들의 외부 활동이 제한되며 학생들은 온라인 수업을 듣고 비즈니스 관련 화상회의는 일상이 되었다. 1년 전의 전 세계 정보 생성의 형태와 환경을 비교해보면 줌(Zoom)이나 마이크로소프트(Microsoft), 팀즈(Teams) 등 화상회의 도구 사용과 미국 최대 전자상거래 기업인 아마존(Amazon)의 이용도가 매우 증가했다.

5세대 이동통신의 본격적인 보급은 정보 사용량을 더욱 증가시켜 메모리 반도체에 대한 수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 예상된다.

메모리 반도체 산업은 정보 저장소의 역할을 독자적으로 수행하는 스탠드 얼론(stand-alone)과 특정 기능을 수행하도록 설계된 시스템에 내장된 메모리인 임베디드(embedded)로 구분된다. 2018년 스탠드 얼론 메모리 시장의 크기는 1,650억 달러 수준으로 기존 디램과 낸드플래시가 전체 시장의 97%를 차지하고 있다.

0.2%의 점유율을 차지하고 있는 스탠드 얼론용 차세대 메모리 기술의 영역은 점점 커지지만 2023년까지 3% 이내에 머물 것으로 보인다. 느리지만 10nm 중반까지 미세화 공정이 진행 중인 디램과 176단까지 쌓아 올린 낸드플래시의 고집적화 대비하여 차세대 메모리의 단위 메모리 용량 당 가격 경쟁력이 부족하기 때문이다.

따라서 단기적으로 차세대 메모리 기술이 기존 메모리를 전면 대체하긴 어렵다는 의견이 지배적이다. 최근 낸드플래시처럼 메모리 용량이 크고 비휘발성을 유지하며 디램만큼의 고속 동작이 가능하여 디램 성능을 보완할 수 있는 스토리지 클래스 메모리(storage class memory)가 컴퓨터 내 새로운 메모리 계층 구조로 도입되었다. 2015년 인텔이 차세대 메모리 기술을 이용해 스토리지 클래스 메모리 제품의 생산을 시작하며 새로운 시장에 진입했지만, 아직 시장의 규모가 크지 않고 제조비용이 비싸 적자를 면치 못하고 있다.

임베디드 메모리 산업은 2018년 2억 8천만 달러 규모를 보이고, 차세대 메모리 기술은 전체의 2%를 차지하고 있다. 2023년 임베디드용 차세대 메모리는 16%까지 성장할 것으로 예상한다. 스탠드 얼론용 메모리와 달리 높은 성장률이 기대되는 이유는 임베디드 산업에서 메모리에 기대하는 역할이 다르기 때문이다. 임베디드 메모리는 마이크로 컨트롤러 유닛(Microcontroller unit, MCU), 모바일 어플리케이션 프로세서(Mobile Applications Processors, AP), 사물 인터넷 전자기기, 차량 분야에 적용된다.

다양한 제품 내 임베디드 시스템에서 프로세서와 메모리가 함께 구성되기에 메모리의 용량보다 전력 소모와 동작 속도가 중요해짐에 따라 차세대 메모리가 가진 장점을 극대화할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 마이크로 컨트롤러 유닛이나 모바일 프로세서 가격의 50%는 메모리가 차지하는데, 사물 인터넷 시대에 헬스케어 웨어러블 시장의 증가로 임베디드 시스템이 포함된 제품의 확대로 사업 수익이 증가할 것이다.

■ 국내동향

1)시장규모 및 전망

이미 차세대 메모리를 양산한 경험과 기술적 우위를 갖고 있음에도 현재의 틈새시장을 공략하기보다 차세대 메모리가 시장에 진입하여 산업을 변화시킬 정도로 강력한 힘을 발휘할 수 있는 킬러 앱(killer application)을 찾고 있다. 2020년 3분기 메모리 반도체 시장 점유율을 살펴보면 삼성전자와 SK하이닉스가 디램은 75%, 낸드플래시는 SK하이닉스의 인텔 낸드 사업부 인수를 고려하면 55%이다.

이미 메모리 분야에서 독보적인 위치를 굳건히 차지하고 있으므로, 스탠드 얼론 분야에서 검증된 소품종 제품을 대량 생산하여 수익성을 증대시키고 차세대 메모리 기술에 의한 기존 메모리 잠식을 염두에 두고 본격적인 시장의 형성을 기다리고 있다.

2) 기업 현황

삼성전자는 자성 메모리가 활용될 수 있는 시장을 찾아 양산을 시작했다. 자사의 위탁생산 서비스를 이용해 2019년부터 Mb 수준의 낮은 용량이지만 사물 인터넷 기기에 사용되는 임베디드용 자성 메모리를 생산 중이다.

순수 메모리 반도체 기업인 SK하이닉스는 소자와 아키텍처 개발로 디램과 유사한 집적도의 자성 메모리를 보였고, 2xnm 미세화 공정기술로 상변화 메모리 및 저항 변화 메모리를 개발했다. 선택 소자의 도입으로 2층의 크로스포인트 구조를 발표하는 등 3차원 메모리 소자로 스탠드 얼론용 산업에 진입할 계획을 가지고 있는 것으로 보인다.

■ 해외동향

1) 시장규모 및 전망

메모리 분야는 반도체 시장의 일부분이며 메모리를 제외한 반도체를 일컫는 비메모리 혹은 시스템 반도체 시장의 규모는 메모리 반도체의 3배에 달한다. 해외 기업들은 시스템 반도체 분야에서의 경쟁력을 바탕으로 임베디드 메모리용 차세대 메모리 시장에 중점을 두고 있다.

산업 동향에서 살펴보았듯이 임베디드 차세대 메모리의 시장이 확대됨에 따라 다품종·소량생산이 가능한 반도체 위탁생산 업체가 메모리 기술을 주도하는 상황이 나타날 수도 있음을 경계해야 한다. 메모리·시스템 반도체 간에 경계가 모호해지며, 임베디드 시스템 제품 중 특정 킬러 앱의 등장으로 스탠드 얼론용 대량 생산으로의 전환이 이루어진다면 메모리 반도체 기업과 위탁생산 업체 간의 기술력 및 시장 경쟁이 본격화될 전망이다.

2) 기업 현황

독자 메모리 기술을 보유한 기업과 위탁생산 업체와의 연합으로 Mb 정도의 저용량 임베디드 메모리 제품을 꾸준히 양산해오고 있으며, 보유 기술을 토대로 스탠드 얼론 메모리로의 확장을 준비하고 있다. 국가별로 미국은 자성 메모리와 상변화 메모리, 일본은 자성 메모리와 저항 변화 메모리, 독일은 강유전체 메모리에 집중하고 있다.

오랜 기간 자성 메모리 제품을 생산해오던 미국 에버스핀은 임베디드 제품군을 넘어 스탠드 얼론 분야까지 사업을 넓히고 있다. 2019년 1Gb의 고용량 스핀전달토크 자성 메모리를 데이터 센터용 주문자 상표부착 생산(Original Equipment Manufacturer, OEM)의 평가를 맞춰 성능과 신뢰도를 충족시켰고 양산할 계획이다.

미국 인텔과 마이크론은 상변화 메모리를 이용하여 스탠드 얼론용 메모리 제품군을 최초로 양산했다. 인텔은 일반 소비자용 제품을 만들고 마이크론은 QuantXTM의 제품명으로 하이엔드 시스템용 고성능 제품을 제공하고 있다. 낸드플래시보다 3배 빠른 성능을 보여줘 데이터 센터 사용자 경험과 전력 소모 개선에 도움이 된다.

하지만, 차세대 메모리의 성공적인 시장 안착을 위해 메모리 가격 경쟁력 확보가 필수적이다. 1세대 크로스포인트 메모리 기술의 가격은 2019년 디램의 0.8배에서 1년 뒤 0.5배까지 떨어질 것으로 추정한다.

2세대 크로스포인트 메모리 기술은 1세대 대비 35% 절감하여 2020년 4분기에는 디램보다 제작비용이 낮아지는 크로스오버(crossover)가 나타날 것으로 예상한다. 인텔과 마이크론이 3차원 크로스포인트 메모리 제품으로 벌어들인 수익은 2018년 7억 5천만 달러 이하에서 점점 증가하여 2024년엔 36억 달러까지 증가할 것으로 기대한다.

일본 소니 역시 스토리지 클래스 메모리 시장을 겨냥하고 있다. 인텔/마이크론이 사용한 상변화 메모리보다 고속 동작이 가능해 전력 소모를 줄일 수 있는 저항 변화 메모리의 장점을 활용해 보상 회로 등이 포함된 컨트롤러까지 고려한 칩에서도 1마이크로 초(sec.) 이하의 빠른 동작 성능 구현이 가능한 제품을 만들고자 한다.

한편 세계 최고의 미세공정 기술력을 보유하고 있는 대만 TSMC 역시 자사의 로직용 CMOS 플랫폼을 이용하여 다양한 차세대 메모리 기술들을 검증했고 위탁생산 서비스를 시작했다.

■국내외 선도기업

임베디드 메모리용으로는 20㎚ 수준의 CMOS 플랫폼에 모든 차세대 메모리 기술들이 적용되어 주로 반도체 위탁생산 업체에서 양산 중이다. 스탠드 얼론 메모리용으로는 집적도 향상을 위해 2층 이상의 크로스포인트 구조를 도입한다.

■미래의 연구방향

1) 인공지능 반도체

드론과 자율주행 자동차가 사람의 개입 없이 스스로 주변의 움직이는 물체 및 신호를 인식하는 인공지능 기술이 미래 산업의 핵심 화두로 여겨진다. 전기차 업계 선두이며 시장을 주도하고 있는 미국 테슬라(Tesla)는 2019년 자율주행의 최적화된 자체 개발한 인공지능 칩을 선보이고, 삼성전자가 위탁 생산을 맡았다.

미국 애플(Apple) 역시 2024년부터 전기차를 생산하고, 자율주행에서 중요한 인공지능 알고리즘 구현이 가능한 전용 칩을 대만 TSMC와 함께 개발한다고 발표했다.

자율주행차는 탑재된 센서와 카메라를 통해 하루에 4Tb의 정보를 생성하기에, 엄청난 양의 정보를 저장할 공간 확보와 실시간 분석이 가능한 컴퓨팅 시스템이 필요하고, 이를 위해 차세대 메모리 기술이 핵심 역할을 할 것이다.

현재 인공지능 산업은 명확하게 규정할 수는 없지만 다양한 형태로 적용될 것을 고려해 시스템 반도체 시장에 속해있고, 인공지능 반도체 시장의 규모는 2018년 2.8%에서 2030년 30%까지 급속도로 성장할 것으로 전망된다.

애플은 전자제품뿐만 아니라 그 안에 들어가는 소프트웨어를 개발하고 서비스를 제공하는 업체이다. 미국 구글(Google) 등 소프트웨어 업체에서도 인공지능 연산의 특화된 칩을 자체적으로 개발하며 하드웨어까지 경쟁력을 넓히고 있다. 따라서 국내 메모리 반도체 산업의 경쟁력과 타국의 기술력과의 초격차를 유지하기 위한 준비가 필요하다.

2) 웨어러블 반도체

스마트 워치 등 우리 몸 가까이에서 매일 운동량과 건강 상태를 확인하는 소비자가 늘어나고 있다. 젊은 층뿐만 아니라 첨단 기기로의 접근성이 좋아져 꾸준한 관리가 필요한 중장년층의 수요가 증가하고 있음을 주목해야 한다. 초기 웨어러블 기기의 목적은 소비자의 운동량을 계산하고 정보를 누적하여 사용자의 기록을 분석해주는 역할에 그쳤지만, 최근 기능의 범위가 확대되고 있다.

웨어러블 기기와 같은 사물 인터넷 제품들의 소형화와 언제 어디서나 정보를 기록하고 수집할 수 있는 올웨이즈-온 기능이 가능하도록 전력 소모를 최소화할 수 있는 차세대 메모리 기술이 중요하게 작용할 것이다.

■정책제언

1)기업위주의 산·학·연 반도체 연구소

2019년 삼성전자는 세계 반도체 1위를 목표로 시스템 반도체에 2030년까지 133조원 가량 투자할 계획임을 밝힌 바 있다.

2020년부터 국내 과학기술정보통신부와 산업통상자원부는 차세대 지능형 반도체 1등 국가를 목표로 10년간 1조원의 금액을 투입했지만, 이미 기업의 연구개발비용이 정부투자비용을 넘어선 지 오래다. 산업계가 학계와 연구계로부터 기대하는 차세대 메모리 기술 수준에서도 간극이 존재할 것이다. 따라서 정부가 나서되 국내 삼성전자와 SK하이닉스가 중추가 되는 기업 중심의 연구소 구축이 필요하다.

정부의 국책사업으로 진행된 산·학·연에서의 결과물이 실제로 자성 메모리로 발전한 일본의 경우가 좋은 사례가 될 수 있을 것이다. 2000년 초반 일본은 신에너지·산업기술종합개발기구 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)를 통해 도호쿠 대학과 산업기술총합연구소(AIST)는 신소재를 개발하여 차세대 메모리 기술의 시장 진입을 촉진했다.

소재의 원천기술 확보에 머물지 않고 반도체 장비 회사인 캐논 아넬바와 함께 신소재 증착 공정기술을 확보했다. 동시에 최종 반도체 제품을 만드는 도시바에서 신소재 기반 자성 메모리를 이용해 컴퓨터 구동 시 에너지 소모를 현저하게 낮출 수 있음을 보여주었다. H.

20년이 지나 유사한 모습이 반도체 미세공정 기술에서 미국 인텔을 앞지른 대만 TSMC를 중심으로 나타나고 있다. 대만 정부는 향후 인공지능 산업의 발전으로 메모리의 사용이 급속하게 증가할 것으로 판단하고, 인공지능 반도체 공정 및 회로/설계를 개발하고 인재 육성을 위해 2018년부터 4년간 40억 신(新)타이완 달러의 예산을 투입했다.

국가실험연구원(NARL, National Applied Research Laboratories) 산하 설계센터와 나노소자 실험실을 합병한 새로운 반도체 연구기관인 대만반도체연구센터(TSRI, Taiwan Semiconductor Research Institute)를 출범하였다. TSMC의 모습이 겉으로 드러나진 않지만, 오랫동안 나노소자 실험실과 공동으로 소자 제작했던 과거를 토대로 보면 앞으로도 지속적인 협업을 예상할 수 있다. 따라서 국내 역시 반도체 기업의 방향성에 대한 보안은 중요시하되 각자가 구상하고 있는 미래 기술의 필요가 직접적으로 반영될 수 있는 반도체 원팀이 필요한 시점이다.

2) 정부의 지속적인 지원과 반도체 우수인력 보호

최근 인공지능 반도체 관련해 많은 정부 정책과 국책사업들이 진행되고 있다. 새로운 개념의 기술이 세상에 나와 그 아이디어를 검증하고 메모리 특성과 신뢰성 평가까지 평균 4년 정도의 제품 수명 주기를 갖는다. 기술을 중단하지 않고 자원과 인력을 계속 투입하면 개념에서 이익까지 8년 정도 소요된다. 자성 메모리의 경우 20년 전에 제안되었고 10년 전부터 양산해오고 있다.

인텔과 마이크론이 만들어낸 새로운 메모리 역시 8년 전에 메모리 어레이 형태로 증명되었던 기술이었다. 기술 분석을 꾸준히 하여 차세대 메모리 기술이 위치한 수준에 적합한 맞춤형 정책이 필요하며, 단기간 성과 위주에서 중·장기적 안목에서 꾸준한 지원이 필요하다.

10년 정도의 연구·개발로 우수인력의 경험들이 한데 어우러져 제품으로 완성되므로 인재 확보 또한 중요하다. 인력 유출에 따라 기업 간 기술 수준의 격차가 현저하게 줄어드는데 정부에서는 국가 기반 산업으로 자리매김한 반도체의 중요성을 계속 상기시켜 반도체를 전공하는 전문 지식인으로서의 자부심을 높여 줄 필요가 있다. 해외에서 학위를 받은 인재들에게도 관심을 가져 스스로 국내 반도체 업계로 돌아와 이바지할 수 있는 환경을 구축해야 한다.

본 기술백서를 통해 차세대 메모리에서 소재의 중요성을 강조했지만, 새로 개발된 소재가 실제 반도체 산업에 적용할 수 있느냐와는 또 다른 문제이다. 보고된 소재를 활용하여 그에 맞는 소자 구조의 도입과 증착 공정기술 개발로 우수한 메모리 특성을 평가한 대학원생의 경우 주로 반도체 소자 분야 최고 권위의 국제저명학술지에 보고한다. 하지만 소자 관련 학술지는 상대적으로 영향력 지수(I/F)가 낮으므로 산업계에 중요한 연구를 수행했음에도 학생 스스로 경쟁력이 낮다고 판단할 수 있다. 오랜 전통의 학술지 평가 기준을 무시할 순 없겠지만, 획일화된 기존의 평가 방법에서 벗어나 연구자 각자가 연구하는 분야의 가치를 인정해주는 문화가 자리 잡아야 할 것이다.

▲ 스탠드 얼론 메모리 시장에서의 차세대 메모리 점유율

▲ 신흥 메모리 시장에서의 차세대 임베디드 메모리 예상 점유율

▲ 메모리산업별 주요 요구 특성

▲ 세계반도체시장현황

▲ 메모리 반도체 산업별 선도기술-국내 선도기업

▲ 메모리 반도체 산업별 선도기술-국외선도기업

▲ 시스템 반도체 시장 내 인공지능 반도체 시장 규모