데이터 처리속도 10% 빨라지고 전력소비 절감효과 15%↑
주력 제품인 D램 반도체에서 경쟁사와 기술격차 또 벌려

▲ 삼성전자가 세계 최초로 양산을 시작하는 '1y나노 공정기반 8Gb DDR4 D램' 제품.

삼성전자가 미세화 공정의 한계를 극복하고 메모리 반도체 분야에서 최초로 10나노급 2세대 D램의 대량생산에 들어간다.

삼성전자는 2017년 12월20일 서울 중구 태평로에서 설명회를 열고 “역대 최고 수준의 공정 개발 난제를 극복하고 세계 최초로 ‘10나노급 2세대(1y나노) D램’을 양산한다”고 밝혔다.

반도체 업계에서는 그간 웨이퍼 한 장에 회로선의 폭을 얼마나 촘촘하게 그리느냐를 놓고 기술 진화 경쟁을 펼쳐왔다.

앞서 삼성전자는 2017년 11월부터 세계 최소 칩 사이즈의 10나노급(1나노: 10억 분의 1미터) 8Gb(기가비트) DDR4(Double Data Rate 4) D램을 양산하고 있다.

2016년 2월에 ‘1x나노(10나노급 1세대) 8Gb D램’을 양산하며, 본격적인 10나노급 D램 시대를 연 삼성전자는 21개월 만에 또다시 반도체 미세공정 한계를 극복했다.

삼성전자는 차세대 극자외선(EUV) 노광장비를 사용하지 않고도 1세대 10나노급 D램보다 생산성을 약 30% 높여 글로벌 고객의 프리미엄 D램 수요 증가에 적기 대응할 수 있는 초격차 경쟁력을 구축했다.

삼성전자는 2012년에 양산한 2y나노(20나노급) 4Gb DDR3보다 용량·속도·소비전력효율을 2배 향상한 이번 2세대 10나노급 D램 양산을 통해, 일부 응용처 제품을 제외하고 전면 10나노급 D램 양산 체제로 돌입할 계획이다.

이번에 내놓은 신제품에 2세대라는 명칭이 붙은 건 같은 10나노대이지만 공정 과정에 신기술을 내거 적용해 생산성을 크게 높였기 때문이다.

손톱만한 크기의 D램 칩에는 정보를 저장하는 셀(메모리 최소단위)이 80억 개나 들어간다. 정보를 물, 셀을 물통에 비유하면 D램 기술은 물통(셀)에서 정보(물)을 얼마나 빨리 쉽게 넣고 꺼내느냐가 중요하다.

삼성전자가 이번에 적용한 기술은 물통의 마개 역할을 하는 트랜지스터, 물을 공급하는 수도관(비트 라인)의 역할을 대폭 개선해 성능을 높였다.

한편 이번 2세대 10나노급 D램 제품에는 우선 △‘초고속·초절전·초소형 회로 설계’, △‘초고감도 셀 데이터 센싱 시스템 설계’, △‘2세대 에어 갭(Air Gap) 공정’등 3가지 첨단 혁신공정이 적용됐다.

신제품인 2세대 10나노급 D램은 '초고속·초절전·초소형 회로설계'를 기반으로 기존 1세대 10나노급 D램에 비해 속도는 10% 이상 향상되면서 소비 전력량은 15% 이상 절감됐다.

또한 ‘초고감도 셀 데이터 센싱 시스템 설계’ 기술을 적용하고 초정밀 전압차이 감지 시스템을 개발함으로써 셀에 저장된 데이터를 더욱 정밀하게 확인해 셀 데이터 읽기 특성을 2배 이상 높였다.

‘2세대 에어 갭(Air Gap) 공정’은 전류가 흐르는 비트라인(Bit Line) 주변의 미세 영역을 특정물질 대신 절연효과가 뛰어난 공기로 채우는 공정 기술이다. 신제품에 이 기술을 적용해 절연 효과도 높였다. 비트라인 주변에서 발생되는 불필요한 전하량을 최소화해 초고감도 셀 개발이 가능하며, 셀 배열의 집적도를 향상시켜 칩 사이즈를 대폭 줄일 수 있었던 것이다.

삼성전자 관계자는 “공정 과정에 신기술을 대거 적용하면서 웨이퍼 한 장에서 뽑아낼 수 있는 칩의 수가 무려 30%나 확대됐다”면서 “2세대 제품이 D램 분야에서 ‘게임 체인저’가 될 것”이라고 설명했다.

삼성전자는 이러한 첨단 혁신공정 기술을 바탕으로 서버용 DDR5, 모바일용 LPDDR5, 슈퍼컴퓨터용 HBM3 및 초고속 그래픽용 GDDR6 등 차세대 프리미엄 D램 양산 기반을 업계 최초로 확보했다.

삼성전자 메모리사업부 진교영 사장은 “발상을 전환한 혁신적 기술 개발로 반도체의 미세화 기술 한계를 돌파했다”며, “향후 1y나노 D램의 생산 확대를 통해 프리미엄 D램 시장을 10나노급으로 전면 전환해 초격차 경쟁력을 더욱 강화할 것”이라고 강조했다.

삼성전자는 1y나노 D램 모듈의 CPU 업체 실장 평가를 완료하고, 글로벌 주요 고객과 차세대 시스템 개발관련 기술 협력을 추진하고 있다.

또한 용량과 성능을 동시에 높인 10나노급 D램 라인업으로 서버, 모바일 및 그래픽 시장 등 프리미엄 메모리 시장을 지속 선점해 나갈 계획이다.

한편 삼성전자는 2018년 1월 미국 라스베이거스에서 열리는 세계 최대 규모의 가전·IT 제품 전시회 ‘CES(Consumer Electronics Show) 2018’을 앞두고 ‘최고 혁신상(Best of Innovation)’ 2개를 포함 총 36개의 ‘CES 혁신상(Innovation Honoree)’을 수상했다.

그중 반도체 부문에서는 메모리 제품 3개와 시스템LSI 제품 2개 등 총 5개가 혁신상을 수상했다.

메모리 제품은 기존 대비 속도를 2배 높인 10나노급 ‘16Gb GDDR6 그래픽 D램’을 비롯해 △소형 폼펙터(Form Factor)에 최대 용량을 구현한 8TB NGSFF NVMe SSD 'PM983'과 △256GB 마이크로SD 카드 'EVO Plus' 등 메모리 제품들이 수상했다.

특히 'PM983' SSD는 기존 ‘2.5인치 SSD’를 적용한 서버의 동일한 공간에 2배 용량을 구현 할 수 있는 ‘최대용량·초고속·초소형’ 솔루션으로 대규모 데이터센터 구축 시 최적의 투자 효율을 제공하는 제품이다.

또한 시스템 반도체도 △업계 최초 6CA(Carrier Aggregation, 주파수 묶음) LTE 모뎀과 3세대 커스텀 CPU가 탑재된 최신의 모바일AP 엑시노스 9 시리즈 9810과 △환경에 따라 최상의 화질을 구현하는 4-픽셀 재배치 테트라셀(Tetracell) 기술이 적용된 2400만 화소 이미지센서 ‘ISOCELL Slim 2X7’도 수상했다.