“다시 한 번 스토리지 시장을 지배한다” HDD와 SSD 업체의 야심

HDD와 SSD 제조사들이 스토리지 시장을 다시금 활성화시키려는 노력을 계속하고 있다.

올 해, 인텔과 마이크론은 오늘날 NAND 플래시의 성능과 내구성을 1,000배 이상 높이는 3D 엑스포인트 메모리 옵테인(Optane)을 선보일 예정이다.

3D 엑스포인트 기술은 전송 속도가 NAND보다 최대 1,000배 빠르며 각 다이가 128Gb의 데이터를 저장할 수 있다.

NAND 플래시의 시대가 끝났다고 생각하지 말자. 옵테인 칩과 함께 출시된 저항성 메모리(RRAM) 기술로 여러 응용 분야에서 값비싼 DRAM을 대체할 스토리지 급 메모리가 탄생하겠지만 한 동안은 가격이 저렴하지 않을 것이다. 그 덕분에 NAND 플래시가 지속적으로 발전할 여지가 아직 남아 있게 됐다.

삼성, 인텔/마이크론, 도시바 등은 3D NAND 플래시의 용량이 지속적으로 증가하고 가격은 인하될 것으로 보고 있다. 결국 3D NAND로 인해 일반 사용자들은 SSD가 HDD만큼 합리적일 수 있다고 생각하게 될 것이다. 

샌디스크의 메모리 부사장 시바 시바람은 "곧 플래시 메모리 가격이 회전형 매체보다 더 저렴해질 것"이라고 말했다.

한편 시게이트는 제곱인치당 10TBit의 데이터 밀도를 가능하게 만든 HDD용 HAMR(Heat-Assisted Magnetic Recording)을 선보였다. 현재 가장 면밀도가 높은 HDD보다 10배나 높은 집적도다. 시게이트는 2017년 장비 제조업체들과 협력해 데이터센터에 적용할 수 있는 HAMR 제품을 선보일 계획이며, 2018년에는 HAMR 드라이브를 더욱 광범위한 시장에 선보이기 시작할 것으로 기대하고 있다.

스토리지에 대한 수요가 그 어느 때보다도 높아진 상황에서 최신 플래시 메모리 기술의 발달과 혁신으로 새로운 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 보인다.

벽에 부딪치며 한계를 극복해 온 스토리지
2000년대 초 HDD 업체들이 용량의 한계에 직면했을 때 도시바와 시게이트는 플래터에 평평하게 놓여있던 데이터를 뒤집어 나란히 배치했다. 종방향에서 직각으로의 자성 기록 변화로 HDD의 저장 용량은 10배나 증가했다.

2013년 HDD 산업이 다시 한 번 용량 한계에 부딪히자 시게이트는 데이터 트랙을 지붕널처럼 겹쳐 25% 용량 증가를 끌어냈으며, 2014년에는 HGST가 헬륨을 채운 드라이브를 선보이면서 다시 용량이 50%나 늘어났다.

비휘발성 메모리 산업에서도 같은 종류의 발전이 일어나 과거의 용량 한계를 극복했다. SLC(Single-Level Cell) NAND 플래시가 MLC(Multi-Level Cell) NAND가 되면서 트랜지스터 당 1bit를 저장하다가 2~3bit를 저장하게 되었다. MLC NAND가 10 nm 프린트 공정으로 한계에 부딪히자, 삼성은 3D NAND 플래시를 선보였고 인텔/마이크론과 도시바는 곧 바로 NAND 셀을 최대 48층까지 쌓아 올렸다. 플래시 제조사들은 올라갈 수 있는 높이에 한계가 없는 것으로 전망하고 있다.

NAND 플래시의 마천루는 100층 이상 올라갈 것
처음부터 3D NAND 플래시 기술은 평면 NAND보다 내구성이 2~10배나 높고 쓰기 성능은 2배가 더 높다는 특징이 있었다.

하지만 가장 중요한 것은 제조업체들이 트랜지스터의 크기를 15nm 이하로 줄이면서 3D NAND가 단층 인쇄 장벽을 극복하게 되었다는 점이다. 인쇄 공정 규모가 더 작아지면서 데이터 오류가 얇은 셀 사이에서 전자 비트로 누출된다.

시바람은 "중요한 것은 이런 3D NAND 집적층을 한 번에 한 층씩 올린다는 점이다. 우리는 24층에서 36층으로, 48층으로, 또 64층으로 올리는 방법을 알고 있다"고 말했다. "여기에 물리적인 한계란 존재하지 않는다. 현재 3D NAND에서 3-4세대에 걸쳐 확장을 예측할 수 있으며, 이전에는 이런 것이 불가능했다”는 설명이다.

현재 삼성, 샌디스크와 협력사 도시바, 인텔과 협력사 마이크론은 하나의 칩에 256Gbits(32GB)를 저장할 수 있는 48층 3D NAND를 제조할 수 있게 되었다. 삼성만 유일하게 48층 칩을 대량 생산 할 수 있고, 다른 업체들은 모두 해당 제품을 출시했거나 출시할 계획이다. 예를 들어, 샌디스크는 48층 X3 NAND 기술을 이용해 생산한 초기 소매 제품 물량을 출고했고 샘플 제품을 장비 제조사들에게 보낸 상태다.

위의 그림은 3D NAND 구조를 현실화한 방법 한 가지를 보여준다. 중앙의 메모리 구멍 주변에 수평으로 쌓은 워드선(Word Line)이 적층 NAND 비트를 제공한다. 이 구성은 인쇄 요건을 완화한다. 원형 구멍은 인접한 비트 방해를 최소화하고 전반적인 밀도를 크게 늘리는 역할을 한다.

시바람은 샌디스크가 이미 100층 이상 쌓아올린 3D NAND 칩을 계획 중이라며, "쌓아올릴 수 있는 자연적인 한계가 없다고 생각한다. 얼마나 높이 올라갈 수 있냐고 묻는 질문에 96이나 126층이라고 대답하는 제조 업체는 없을 것이다. 물론 물리적인 한계는 존재한다”고 시바람이 말했다. "오랫동안 꿈꿔 왔던 것”이라는 주장이다.

3D NAND 메모리를 제조하는 업체는 대부분 평면 NAND나 HDD 생산 업체보다 비용이 높지만 (공장 하나의 비용이 100억 달러에 달하기도 한다), 시바람은 시간이 지나 보급률이 증가하면서 비용이 낮아질 것이라고 말했다.

가격이 핵심
기업과 사용자들 모두 용량이 클수록 좋다고 생각하지만 대부분의 경우 가격이 보급률을 결정하기 마련이다.

인텔과 개발 협력사 마이크론은 비휘발성 플래시 산업의 판세를 바꿀 수 있는, 3D 엑스포인트 옵테인 칩을 개발하고 있다. 인텔은 옵테인에 관한 정보는 거의 공개하지 않았으나 대다수 업계 전문가들은 일종의 ReRAM 형태일 것으로 추측하고 있다.



인텔과 마이크론의 2층 3D 엑스포인트 옵테인 칩 RRAM 아키텍처. 구조에서 오는 장점 때문에 비트 저장 트랜지스터가 필요없어지며, 그 대신 1이나 0을 나타내는 전기 저항 와이어 격자를 사용한다.

ReRAM은 NOR 플래시 메모리보다 50~100배 낮은 전력으로 읽기, 쓰기 작업을 수행할 수 있기 때문에 이동형 장치와 웨어러블 기기에 적격이다.

ReRAM은 멤리스터(Memristor)라고도 불리는 메모리 저항기 개념에 기초하고 있다. 멤리스터라는 용어는 UCB(University of California-Berkeley)의 과학자 레온 추아가 1970년대 초에 붙인 이름이다.

멤리스터가 등장하기 전까지 연구자들은 회로의 기본적인 요소가 저항기, 콘덴서, 유도자 등 3가지라고 알고 있었다. 과거 기술보다 훨씬 적은 에너지를 소모하고 훨씬 나은 성능을 제공한 멤리스터가 4번째 요소가 됐다.

현재 ReRAM 제품을 출고하는 유일한 기업은 아데스토 테크놀로지스(Adesto Technologies)다. 아데스토 테크놀로지는 최근 사물인터넷 시장에서 사용되는 배터리 동작 또는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 전자 제품 용으로 전도성 브리징 RAM(CBRAM, Conductive-Bridging) 메모리 칩을 선보이기도 했다.

ReRAM 회로의 현미경 측면도로 작은 전도성 필라멘트가 열십자형으로 실리콘층을 연결해 데이터 1비트를 나타내고 있다.

한편, 인텔은 올 해 고급 PC 사용자들을 위한 옵테인 드라이브를 출시할 예정이다. 마이크론과 공동 개발한 옵테인 드라이브는 DRAM보다 밀도가 10배나 높으면서 지면상으로는 NAND 플래시 기반의 SSD보다 1,000배 더 빠르고 내구성이 높을 것으로 보인다. 또, 100만 회의 삭제-쓰기 사이클을 제공하기 때문에 장치 수명이 거의 영원에 가깝다는 설명이다.

마이크론의 공정 통합 책임자 러스 마이어는 컴퓨터월드와의 인터뷰에서 "DRAM만큼 빠르지는 않기 때문에 지연율이 핵심인 애플리케이션에서 DRAM을 대체하지는 않겠지만, NAND보다 밀도가 훨씬 높고 지연이 훨씬 낮다"고 말했다. 또, "3D 엑스포인트와 일반적인 NAND는 SSD와 HDD의 속도 차이와 비교하는 것이 맞다"고 밝혔다.

인텔은 옵테인 드라이브가 기존 SSD의 약 7배 속도로 동작하는 모습을 시연하기도 했다. 올해, 인텔은 스카이레이크 프로세서에 기초한 서버용 옵테인 드라이브를 출시할 계획이기도 하다. 옵테인 SSD와 함께 ReRAM 기술은 메모리 슬롯에 꽂을 수 있는 DIMM 방식으로 적용될 것으로 보인다.

DRAM익스체인지(DRAMeXchange)의 수석 연구 관리자 앨런 첸은 인텔의 엑스포인트 ReRAM 기술이 올해 일반 사용자 PC 시장에 진입한다 하더라도, 비용 때문에 적용이 고급 제품에 한정될 것이라고 말했다. 첸은 "옵테인이 SSD 시장에 끼치는 영향을 결정하는 것은 결국 가격이다. 현재 옵테인 제품은 여전히 주류 NAND 플래시 기반 제품보다 훨씬 비싸다. 따라서 처음에는 고급 SSD 시장에만 영향을 끼칠 것"이라는 분석이다.

지난해 HP와 샌디스크도 DRAM을 대체하고 NAND 플래시보다 1,000배 더 빠른 SCM(Storage Class Memory) ReRAM을 공동 개발하기로 합의했다고 발표했다. 뉴멕시코(New Mexico)에 위치하고 있는 노움(Knowm)은 신생 기업으로 멤리스터 기술 생산에 집중하고 있다.

뉴멕시코에 위치한 스타트업 노움의 멤리스터 칩은 인간 두뇌의 시냅스 응답을 모방해 지능형 컴퓨터 탄생을 이끌 수도 있다.

노움의 멤리스터는 시냅스가 2개의 뉴런을 연결하는 인간의 두뇌 방식을 모방하여 설계됐다. 뉴런 간 신호가 더욱 자주 전달되면 강도가 높아지는 것처럼, 노움 멤리스터 회로에서의 정보 학습 및 보존 역시 데이터 흐름 특성과 전류에 의해 결정된다.

첸은 삼성도 DRAM과 NAND 플래시 제조를 통합한 인텔의 옵테인과 유사한 제품을 개발하고 있다고 밝혔으나 삼성은 함구했다.

2020년 20TB 하드 드라이브 등장할 것
3D NAND 등 밀도가 높은 플래시 메모리 기술 도입으로 SSD 가격이 인하되면서 HDD 제조사들은 자체적인 기술 업그레이드를 계획하고 있다. 드라이브에서 회전하는 플래터에서 더 작은 비트를 제자리에 고정하기 위해 하드 드라이브 읽기/쓰기 헤드에 레이저를 사용하는 HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording)이 실제 사례다. 웨스턴 디지털과 시게이트 모두 HAMR HDD를 개발하고 있다.

HAMR은 드라이브에서 회전하는 플래터에서 기존보다 더 작은 비트를 더욱 단단히 고정하기 위해 레이저를 사용한다.

시게이트의 CTO 마크 리는 "HAMR은 차세대 기술로 면 밀도를 더욱 높일 것이다. 이러한 변화가 10년에 한 번씩 오는 것 같다”고 말했다.

디스크 드라이브 밀도가 증가하면서 데이터 오류 가능성 또한 높아지고 있다. 일명 초상자성 효과로 알려진 현상이 원인으로 꼽힌다. 플래터 위에서 비트 간 자성이 무작위로 뒤집히면서 값이 1에서 0으로 또는 반대로 바뀌게 된다. 무작위 비트 플립(Bit Flip)으로 데이터 오류가 발생하는 것이다.

HAMR은 회전하는 디스크 위의 가능한 좁은 면적에 HDD의 읽기/쓰기 헤드 위에서 다량의 광자를 집중시키는 NFT(Near-Field Transducer)라는 특수 조리개를 사용한다.

다량의 광자를 회전하는 디스크 위에 집중시키는 NFT 근접 사진

시게이트가 개발한 HAMR 기술은 자성 헤드 기록 도중 레이저로 드라이브의 디스크 표면을 살짝 가열한다. 열로 인해 플래터 위의 데이터 비트가 수축하고 트랙이라고도 부르는 동심원이 조여지면서 밀도가 높아진다. HAMR은 나노튜브 기반의 윤활 방식으로 디스크의 읽기/쓰기 헤드가 표면에 더욱 가까워져 데이터 읽기 및 쓰기 성능이 더욱 향상된다.

시게이트는 결국 HAMR 기술을 통해 제곱인치당 약 10조(10Tbits)에 달하는 선형 비트 밀도를 달성할 수 있다. 리에 따르면 이 수치는 현재 가장 높은 HDD 면 밀도인 제곱 인치 당 1Tbit보다 10배나 높은 수준이다. 시게이트는 이미 현존 최고의 HDD보다 40%나 높은 제곱인치당 1.4Tbit HAMR HDD를 시연해 보이기도 했다.

ASTC의 로드맵은 HAMR과 BMPR 기술로 비트 면 밀도가 오늘날의 하드 드라이브에 비해 10배나 증가할 것임을 보여준다.

리는 "시게이트를 앞선 경쟁자는 없다. 10년 동안 HAMR 개발에 매진했다. 출시 일자를 앞당기기 위해 박차를 가하고 있다"고 말했다. 시게이트는 내년부터 HAMR HDD 출고를 시작할 계획이다.

HAMR을 이용한 하드 드라이브의 이론적인 밀도가 급상승하면, 3.5인치 서버나 데스크톱 드라이브의 경우 최대 60TB의 저장 공간을 갖게 되며 단일 플래터 2.5인치 노트북 드라이브는 최대 20TB의 용량을 활용할 수 있다. 시게이트의 마케팅 캠페인 슬로건은 "2020년까지 20TB(20TB by 2020)"이지만 시게이트 CTO 마크 리는 컴퓨터월드와의 인터뷰에서 이는 단지 목표에 불과하다고 말했다.

HDD 분야는 HAMR 외에도 드라이브 밀도 향상을 계획하고 있다. BPM 기록은 각 비트를 20~30개의 자성 입자에 저장하는 현재의 HDD 기술과 달리, 드라이브 플래터에 사전에 정의된 데이터 비트를 저장하는 나노리소그래피(Nanolithography)를 사용한다. BPM을 통하면 HDD 밀도가 제곱 인치당 최대 200Tbit로 높아질 수 있다.

시게이트의 기업 커뮤니케이션 관리자 네이선 파파도풀로스는 "최신 4TB 외장 드라이브의 플래터가 5장인 것을 감안할 때 200Tbit 용량은 엄청난 것"이라고 강조했다. 리 역시 나노리소그래피가 5년 안에 상용화 될 것이라며, 기술적 “돌파구"라고 표현했다. editor@itworld.co.kr