4차 산업혁명 시대에 발맞춰 반도체 산업에서도 변화의 물결이 감지되고 있다. 중국의 반도체 굴기가 벌어지고 있는 상황에서 이전과 달리 우리나라는 명확한 로드맵 없이 지도 없는 항해를 펼쳐야 한다. D램과 낸드플래시라는 메모리반도체 경쟁력을 확고히 하면서도 새로운 제품을 대비해야 한다. 4차 산업혁명에서의 정보처리 속도는 이전과 더 빨라질 것이고 용량이 크게 늘어날 것이기 때문이다. 새로운 변화에 발맞춰 대한민국 반도체 산업의 현재를 진단하고 미래 계획을 살펴본다.

기사순서
① 메모리 중심 반도체 세상, 탈(脫) CPU 가속화
② ‘증설, 또 증설’ D램과 낸드플래시 시황은?
③ 차세대 반도체, 소재와 적층에서 판가름

[IT 전문 블로그 미디어=딜라이트닷넷] 복잡하고 다양한 형태를 가지고 있지만 컴퓨터는 결국 계산기다. 쓰임새는 다르더라도 슈퍼컴퓨터나 개인용 컴퓨터(PC), 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 기기 등이 모두 마찬가지 목적을 가지고 있다. 따라서 ‘입력→처리→결과’의 과정으로 데이터가 흐른다는 사실은 변함이 없다.

현대적인 컴퓨터의 기초적인 구조가 ‘존 폰노이만(John von Neumann)’에 의해 만들어진 이후 중앙처리장치(CPU)와 메모리는 컴퓨팅 성능을 향상시키는데 있어 핵심적인 역할을 해왔다. 특히 CPU는 인텔 창업자인 고든 무어의 이른바 ‘무어의 법칙’을 바탕으로 화려한 발전을 거듭했다. 전 세계에 끼친 영향도 상당했다. 시장조사업체 IHS마킷에 따르면 지난 20년 동안 무어의 법칙을 통해 형성된 직간접적인 영향은 최소 3조달러(약 3369조원)에서 최대 11조달러(약 12경353조원)에 이르는 미국 국내총생산(GDP) 성장을 만들어낸 것으로 나타났다.

하지만 미세공정 한계로 인해 CPU 성능을 무작정 높이기 어려운 상황이 되면서 메모리가 빈틈을 메울 가능성이 점차 높아지고 있다. 박성욱 SK하이닉스 부회장은 “전 세계 데이터가 폭증하면서 단순히 기기의 숫자뿐 아니라 기기에 사용된 반도체도 늘어나고 있다”며 “이전까지는 CPU가 (성장의) 중심이었다면 이제는 메모리 중심으로 패러다임 변화가 일어나고 있다”고 설명한 바 있다.

실제로 CPU가 아닌 D램, 낸드플래시와 같은 메모리반도체의 움직임이 심상치 않다. 대표적인 것이 ‘Gen-Z’ 연합이다. 여기에는 IBM, ARM과 같이 전통적인 CPU 아키텍처 업체뿐 아니라 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론, 웨스턴디지털(WD) 등 메모리반도체 업체에 멘토그래픽스, 케이던스처럼 반도체 설계 자동화(Electronic Design Automation, EDA) 업체까지 참여하고 있다. 재미있는 점은 AMD는 포함하고 있지만 인텔은 빠져있다는 것. 전체적인 라인업을 보면 각 분야에서 주요 업체는 대부분 포함됐다고 해도 과언이 아니다.

Gen-Z의 가장 큰 목적은 메모리반도체 중심의 컴퓨팅이다. 따지고 보면 충분히 가능한 말이다. 폰노이만 구조의 컴퓨터에서 필연적으로 발생하는 것이 데이터 병목현상이고 이를 해소하기 위해서는 각 디바이스의 버스를 획기적으로 개선할 필요가 있다. 이제까지는 CPU 중심으로 아키텍처 변화가 일어났기 때문에 인텔을 빼놓고 말할 수 없었지만 Gen-Z는 이런 구조를 바꾸고자 시도하는 셈이다. 그러니 낸드플래시를 설계해 직접 생산함에도 불구하고 인텔이 참여하지 않는 것은 당연한 일이다.

◆병목현상 시원하게 ‘뚫는’ 메모리반도체=Gen-Z는 단순하게 따지면 메모리반도체가 중심에 있고 CPU는 거드는 형태다. 이제까지는 모든 데이터가 CPU를 거쳐야 했지만 Gen-Z에서는 다르다. 데이터가 쉴 새 없이 몰려드는 상황이므로 빠른 속도로 이를 전송하는데 초점을 맞췄다고 이해하면 된다. CPU는 중앙 집중적으로 자리하지 않으며 필요한 경우에만 연산을 한다. 따지고 보면 데이터를 처리하는데 있어 가장 중요한 것은 ‘효율’이다. 거대한 데이터를 자잘하게 쪼개고 이를 여러 대의 컴퓨터가 나눠서 처리하는 분산컴퓨팅과 비슷한 기법이다.

쉽게 말해 Gen-Z가 추구하는 것은 더 빠른 버스와 스토리지다. 이제까지 데이터 병목현상의 대부분이 여기서 발생해왔다는 점을 떠올리면 그리 놀라운 일이 아니다. 물론 전 세계 서버 CPU의 90% 이상을 인텔이 차지하고 있는 상황에서 Gen-Z가 얼마나 영향력을 발휘할지는 미지수다. 다만 인텔도 자체적으로 버스 설계를 획기적으로 바꾸려는 노력을 기울이고 있으며 ‘옴니패스’와 같은 기술을 표준으로 내세우기 때문에 좋던 싫던 메모리반도체 중심의 컴퓨팅 시대가 다가오는 것은 막을 수 없다.

새로운 이머징 메모리가 등장하는 것도 주목할 만한 일이다. 이미 삼성전자는 스핀주입자화반전메모리(STT-M램)를 적극적으로 내세운 상태다. STT-M램은 S램이 쓰인 디스플레이 타이밍컨트롤러(T-CON, 티콘)를 대체하는 개념이다. 이미 고객사도 정했다. 퀄컴이 인수한 NXP가 첫 타자다. ST마이크로일렉트로닉스로부터 도입한 28나노 완전 공핍형 실리콘-온-인슐레이터(Fully Depleted Silicon On Insulator, FD-SOI) 공정으로 STT-M램을 만들어 공급한다.

이미 인텔은 3D 크로스(X) 포인트로 상변화메모리(P램)를 상용화했다. 업계에서는 D램 이후 낸드플래시처럼 비휘발성 메모리인 P램, M램, 그리고 저항변화메모리(Re램)와 같은 이머징 메모리가 틈새시장을 적극적으로 확대할 것으로 내다보고 있다.

[이수환기자 블로그=기술로 보는 IT]