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[ 테크 ]

3D 크로스포인트는
“불멸의 메모리 기술”인가

byITWorld

인텔과 마이크론은 이번 주 NAND 플래시보다 1,000배 빠르고 내구성도 1,000배 뛰어다고 주장하며 대량생산을 계획하고 있는 새로운 메모리 타입을 공개했다.

 

내구성 1,000배는 쓰기-지우기 주기 수명 100만 회에 달하는 것으로 이 새로운 메모리는 거의 영원에 가까운 시간 동안 사용할 수 있게 될 것이다.

 

비교하자면 오늘날의 NAND 플래시는 3,000회에서 1만 회의 쓰기-지우기 주기의 수명을 가지고 있다. 웨어레벨링 및 오류 수정 소프트웨어를 통해 그 주기가 늘어날 수 있지만 여전히 최대 10만 회정도에 그친다.

3D 크로스포인트는 “불멸의 메모리

크로스포인트 아키텍쳐는 비트-저장 트랜지스터의 필요성을 없애고 대신 1이나 0의 신호를 내기 위해 전자 저항을 활용하는 와이어 격자를 활용한다.(자료: Interl, Micron)

3D 크로스포인트(3D XPoint)는 대량 스토리지 급 메모리로 DRAM보다는 느리지만 생산단가가 더 저렴하고, NAND 플래시보다는 훨씬 속도가 빠르다. 무엇보다도 비휘발성이라서 전원이 꺼지더라도 데이터는 NAND 플래시처럼 그대로 남는다.

 

오브젝티브 애널리시스(Objective Analysis) 애널리스트 짐 핸디는 “NAND 플래시보다는 조금 더 비싸고 DRAM보다는 저렴하고, NAND보다는 더 빠르지만 DRAM보다는 조금 느리다. 이는 메모리 체계에 또 하나의 층을 더하는 것과 같다. 그게 잘 통할지는 모르겠지만”이라고 밝혔다.

 

3D 크로스포인트 업체들은 이를 25년만에 완전히 새로 개발된 메모리라고 강조한다. 애널리스트들에 의하면 인텔과 마이크론은 그 점에 있어선 전혀 과장이 아니라고 한다. 3D 크로스포인트는 DRAM과 NAND 플래시 사이에 위치해 기업 데이터 센터의 인스턴스를 교체할 수 있고 점차 소비자 데스크톱과 노트북에까지 진출하게 될 것이다.

미스터리 물질

곧 생산에 들어간다고 발표한 상황에서도 마이크론과 인텔은 이 제품의 많은 부분을 미스테리로 남겨두었다.

 

예를 들어 메모리 제작에 어떤 물질이 쓰이는지, 또는 최종 제품과 그 활용에 달려있다는 이유로 성능에 대한 세부정보도 공개하지 않았으며, 샘플을 곧 내놓기 시작할 것으로 기대되나 마이크론과 인텔은 이 제품을 2016년 이전에 출시할 계획이 없다.

 

핸디는 “바로 그것이 그게 미스테리다”고 이야기했다.

 

마이크론의 프로세스 통합 이사 러스 메이어는 3D 크로스포인트 칩이 생산 중이지만 제조사들이 요구하는 사양에 기반할 최종 폼팩터를 기다리고 있는 중이라고 한다. 이 새로운 메모리는 여전히 DRAM보다는 5배에서 8배정도 느리다.

 

메이어는 “DRAM만큼 빠르지는 않기 때문에 지연시간이 가장 중요한 애플리케이션을 대체하지는 않겠지만 NAND보다는 훨씬 밀도가 높고 지연시간이 짧다. 만약 SSD가 하드드라이브보다 얼마나 빠른지와 3D 크로스포인트가 통상적 NAND보다 얼마나 빠른지를 비교하면, 체감상으로는 거의 비슷한 수준일 것이다”고 말했다.

 

메이어는 3D 크로스포인트는 통상적 혹은 2D 평면 NAND와 비슷한 스토리지 용량을 가질 것이라고 말했지만, DRAM보다는 10배 더 집적도가 높다. 이는 인텔과 마이크론의 3D 혹은 적층 NAND가 여전히 더 높은 밀도를 제공할 것을 의미한다.

완전히 독특하지는 않다

이 많은 장점에도 3D 크로스포인트 기술이 뿌리부터 새로운 것은 아니다. 크로스포인트 아키텍쳐의 전제는 비트-저장 트랜지스터의 필요성을 없애고 대신 1이나 0의 신호를 내기 위해 전자 저항을 활용하는 와이어 격자를 활용한다는 점이다.

 

RRAM(ReRAM, resistive random-access memory)을 사용하는 크로스포인트 아키텍쳐는 1971년으로 거슬러 올라가는 멤리스터(Memristor) 메모리 기억장치 개념에 기반한다. 저항 메모리는 지난 2년간 점차 실제 생산에 가까워져 가고 있다.

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2008년 샌디스크가 크로스포인트 메모리 개발을 발표한 프레젠테이션 자료의 슬라이드. 크로스포인트는 오랫동안 많은 기업이 개발하려고 노력한 기술이다.(자료: SanDisk)

데이터 비트 신호를 위해 전통적 NAND 플래시에 사용되는 트랜지스터 대신 크로스포인트와 ReRAM(RRAM) 셀은 고 혹은 저 전기 저항을 가지는 물리적 속성을 변화시킨다. 고저항 상태 즉 전기가 잘 통과하지 못할 때 셀은 0을, 저저항 상태일 때는 1을 나타낸다.

 

크로스 포인트 메모리의 한 종류로 PCM(phase-change memory)가 있는데 이 역시 오랫동안 개발 단계에있다. 예를 들어 2008년 도시바와 샌디스크가 ‘크로스 포인트’ 메모리 RAM 칩을 작업 중에 있다고 발표했다. 2013년, 도시바와 샌디스크는 크로스 포인트 메모리를 국제 반도체 회로 학술 학회(International Solid-State Circuits Conference)에서 시연했다.

 

2011년 IBM은 NAND 플래시가 저장할 수 있는 데이터보다 100배 더 많이 저장할 수 있으면서 쓰기-지우기수명이 500만 회인 PCM 칩을 생산했다고 발표했다. 인텔과 협력사 누모닉스(Numonyx)조차도 2009년 그들의 자체 PCM 제품을 발표했었다.

 

2013년 스타트업 크로스바(Crossbar)는 우표 크기로 1TB 데이터를 저장할 수 있는 ReRAM 시제품을 선보였고, 이 회사는 올해 대량 생산에 들어갈 예정이다.

차이점은 무엇인가?

그러면 3D 크로스포인트와 앞에 언급한 개발 단계의 메모리 제품은 어떻게 다른가? 인텔과 마이크론은 “독특한 물질 혼합물”과 통상적 메모리보다 10배 더 집적도 높은 크로스포인트 아키텍쳐를 발명했고, PCM이 할 수 없는 방식으로 확장 가능하다고 이야기했다.

 

게다가 크로스포인트의 메모리 셀은 각각의 ‘셀렉터(selector)’로 보내진 전압량의 차이로 쓰이거나 읽히는데, 이는 전압이 높거나 낮으면 그에 따라 각각 1이나 0이 된다는 의미다.

 

마이크론은 자체 마케팅 자료에서 “이 원리로 트랜지스터가 필요없어지기 때문에 용량을 늘리고 가격을 낮출 수 있다”고 밝혔다.

 

인텔과 마이크론은 이 새 메모리를 만드는데 그들이 사용한 물질에 대해서는 아직 공개하지 않고 있다.

 

핸디는 “회사들은 조심스럽게 그런 질문들을 피해갔다. 소재가 무엇인지에 대해서는 의도적으로 불명확하게 이야기했다”고 지적했다.

 

포워드 인사이츠(Forward Insights)의 분석가 그레고리 웡(Gregory Wong)은 인텔과 마이크론이 다른 메모리 제조사들보다 크로스포인트 메모리 개발에 있어서 2년정도 앞서 있는 것으로 보인다고 분석했다.

 

3D 크로스포인트 기술은 저항 상태를 변화시키기 위해 자체적인 신물질을 활용하기 때문에 멤리스터의 티타늄 다이옥사이드와 플래티넘 필름, 혹은 마모될 수밖에 없는 PCM의 실버 필라멘트와 달리 안정성이 덜하고 더 비싼 요소에 의존할 필요가 없다. 그리고 인텔과 마이크론은 그 차이점 하나로 자사 제품이 본격 제조 단계로 들어갈 수 있었다고 이야기했다.

 

마이크론은 “추가적으로 메모리셀과 셀렉터 모두에서 아키텍쳐와 독특한 물질을 조합할 수 있었기 때문에, 3D 크로스포인트 기술이 더 높은 집적도를 달성하며 성능과 내구성도 대폭 향상할 수 있었다,”고 밝혔다.

사용자에게 의미하는 바

이 기술이 상용화되면 데스크톱과 노트북 스토리지는 더 적은 공간을 차지하면서도 훨씬 많은 용량을 가지게 되며, 요즘 NAND의 속도인 초당 500MB에서 인텔과 마이크론의 수치에 따르면 초당 500GB까지로 전송 속도가 향상될 수 있다. 사용자들에게 크로스포인트가 의미하는 바는 바로 이것이다.

 

가트너 부회장 조셉 언스워스는 소비자들이 그들의 PC나 노트북에서 3D 크로스포인트를 보게 되기까지는 최소 수 년이 걸릴 것으로 생각하고 있다. 언스워스는 그 이유를 “성능과 가격은 일반 사용자용 제품보다 데이터센터 및 인메모리 컴퓨팅 애플리케이션에 훨씬 중요하기 때문”이라고 밝혔다.

 

NAND 플래시가 한때 그랬던 것처럼 첨단 메모리 기술은 보편화되는데 몇 년이 걸린다. 하지만 언스워스는 이 새로운 메모리는 인메모리 컴퓨터가 고성능 컴퓨팅 등 애플리케이션 용 데이터센터 내에 큰 변화를 가져올 것이라고 말했다.

 

현재 데이터센터는 고성능 컴퓨팅과 기타 I/O 집중 애플리케이션 그리고 축전기를 활용해 전력이 상실되더라도 DRAM 모듈이 비휘발성 메모리에 데이터를 전송하도록 수 초간의 예비 전력을 가진다. 크로스포인트 메모리로는 더 고성능 프로세싱이 가능해지고 다량의 DRAM이 필요하지 않게 되며, 슈퍼 축전기와 일부 NAND 플래시가 없어도 된다.

 

웡은 “DRAM을 완전히 대체할 수는 없다고 본다”고 예측했다. “여전히 소량의 DRAM과 대용량의 3D 크로스포인트 메모리를 병행해 쓰게 될 것으로 본다”는 것이다.

 

3D 크로스포인트는 사용자에게 간접 혜택을 줄 수 있다. 언스워스는 이메일에서 “생산, 소화되는 막대한 양의 데이터는 확장적 애널리틱스 능력을 필요로 하기 때문에, 3D 크로스포인트 기술이 사기 감지 식별, 트랜젝션 프로세싱, 유전자 연구, 석유∙가스 채굴 탐사, 사물인터넷 활용 면에서 진보를 가져올 수 있다”고 밝혔다.

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속도에 대한 모든 것

3D 크로스포인트 메모리의 속도가 빠른데, 특히 정말 엄청나게 빠르다는 점은 중요한 부분이다.

 

현재 메모리와 플래시 스토리지는 컴퓨터의 2가지 별도의 인터페이스에 의존한다. 노트북이나 데스크톱은 보통 SATA 버스 인터페이스를 사용하거나 PCIe 확장 슬롯을 통해 메인보드에 직접 연결된다. DRAM이나 시스템 메모리가 CPU에 직접 연결된 자체 보드 슬롯에 탑재된다. 둘 다 각기 다른 인터페이스와 성능 수준을 가진다는 점이 핵심이다.

 

인텔과 마이크론은 3D 크로스포인트 메모리가 DRAM과 NAND 플래시 모두를 교체함으로써 완전히 새로운 시스템 아키텍쳐에 성능 향상을 가져온다고 밝혔다.

 

예를 들어 DRAM의 지연 시간은 나노초 영역인 반면, NAND 플래시의 지연시간은 마이크로초 수준으로 여전히 하드 드라이브의 I/O 속도보다 1,000 배 빠르다. 비록 수치는 제공하지 않았지만 마이크론과 인텔은 3D 크로스포인트가 DRAM의 속도에 근접한다고 말한다.

 

3D 크로스포인트에 쓰인 새로운 물질이 바로 핵심이다. NAND 메모리는 리토그래피의 벽에 근접해가고 있는데 이는 트랜지스터가 더는 작아질 수 없어졌음을 의미한다. 현재 리토그래피 프로세스는 10nm에서 20nm 사이의 크기를 생산하기 때문에, 인텔, 마이크론, 삼성, 샌디스크, 도시바같은 NAND 플래시 회사들은 메모리 집적도와 용량을 높이기 위해 48층의 극미세 레이어를 층층이 쌓은 3D NAND를 구축해왔다.

 

3D 크로스포인트 메모리 어레이는 1,280억개의 밀집 메모리 셀을 연결하는 수직 컨덕터로 만들어져 있다. 각각의 메모리셀은 데이터 1비트를 저장한다. 이 조밀한 구조는 곧 크로스포인트 메모리의 고성능과 고밀도로 이어진다.

크로스포인트 메모리는 최초로 두 개의 적층 메모리 레이어에 걸쳐 다이당 128GB를 저장한다. 마이크론은 마케팅 자료에서 “이 기술의 미래 버전은 메모리 레이어의 수와 다이 용량을 증가시키기 위해 전통적인 리토그래피 피치 확장을 활용할 수 있다”고 설명했다.

 

인텔의 비휘발성 메모리 솔루션 그룹 이사 롭 크루크는 성명을 통해 “수십 년간 업계는 훨씬 빠르게 분석할 수 있도록, 프로세서와 데이터간 지연시간을 줄이는 방법을 탐구해왔다. 이 새로운 비휘발성 메모리 타입은 그 목표를 달성하고 업계 판도를 바꾸는 성능을 메모리와 스토리지 솔루션에 가져올 것”이라고 밝혔다.