AI 시대와 메모리 반도체에서의 도전 과제

인공지능(AI), 빅데이터 시대를 맞아 메모리 분야는 마이크론(micron), 나노미터보다 더욱 정밀한 옹스트롬(angstrom) 단위의 혁신이 요구되며 아래와 같은 과제를 해결해야 한다.

• AI에 필요한 방대한 양의 데이터를 더욱 효율적으로 수집∙처리∙저장∙분석하는 방법은 무엇인가?
• 사물인터넷(IoT)을 구성하는 수백억 개 디바이스에 대해 성능, 전력 효율, 비용 요구사항을 가장 잘 구현할 수 있는 컴퓨팅 아키텍처는 무엇인가?
• 클라우드 데이터센터, 에지 디바이스에서 머신러닝 및 추론 애플리케이션을 위한 칩의 최적화는 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• 소재(material)부터 시스템에 이르는 전반적 솔루션은 어떤 형태인가?

AI 시대는 메모리 기술의 혁신을 필요로 한다. 혁신의 핵심은 고속 메모리의 상당 수를 컴퓨팅 리소스에 더 가까이 위치시켜 성능과 전력 효율을 끌어올리는 것이다. 인접성을 향상시키면 데이터 저장 공간과 연산 엔진 사이의 공간이 줄어 성능 병목 현상이 해결되고 전력 소비가 줄어든다.

이는 지연 시간을 단축하고 방대한 데이터가 메모리와 연산부(compute) 사이를 이동하는데 필요한 에너지를 아껴준다.

M램(Magnetic RAM), Re램(Resistive RAM), PC램(Phase Change RAM) 3가지 메모리는 IoT 디바이스와 클라우드 컴퓨팅 서비스에 성능, 전력 소모, 비용 측면에서 혜택을 제공하는 대표적인 차세대 메모리로 꼽히지만 아직까지 양산에 많은 어려움이 따르는 신소재를 기반으로 제작된다.

최근 어플라이드 머티어리얼즈는, 차세대 메모리의 대량 생산에 적합한 새로운 시스템을 출시했다. M램용 ‘엔듀라 클로버 PVD 플랫폼’, PC램 및 Re램용 ‘엔듀라 임펄스 PVD 플랫폼’은 어플라이드 머티어리얼즈 개발 역사상 가장 정교한 칩 제작 시스템이다. 이 새로운 통합 소재 솔루션은 M램, Re램, PC램에 사용되는 신소재가 양산 과정에서 원자 단위의 정밀도로 증착될 수 있도록 하며, 이 플랫폼들은 기계 안에서 공장과 같은 역할을 한다.

M램은 저전력, 비휘발성이면서 상대적으로 속도가 빠르고 내구성이 높아 IoT 디바이스를 위한 차세대 메모리 후보로 부상하고 있다. 터널자기접합(MTJ)을 기반으로 하는 콤포넌트는 절연층으로 분리된 두 개 자성층으로 구성된다. 

이는 하드디스크의 읽기∙쓰기 헤드를 나노 단위로 축소해 칩 내부에 수십억 개를 탑재한 것으로 연상하면 된다. 두께 등 속성에 대해서는 철저한 통제와 측정이 이뤄지며, 모든 공정은 민감한 소재가 주변 불순물에 노출되지 않도록 극도로 밀폐된 진공 상태에서 진행된다.

PC램과 Re램은 스토리지급 메모리로 사용될 수 있는 고속, 비휘발성, 저전력 고밀도 메모리로 서버 D램과 스토리지 간 심화되는 가격 대비 성능 격차를 해소한다. PC램은 열을 프로그래밍 메커니즘으로 고도의 비결정질 소재 배열에서 결정형 배열로 전환되는 ‘상변화’ 소재를 기반으로 한다.

이는 DVD 디스크 소재와 유사하다. Re램은 퓨즈와 유사한 기능을 하는 신소재가 사용된다. 프로그래밍은 저항성 소재에 전류를 가해 이뤄지고, 판독은 여러 수준의 저항을 감지하는 방식으로 진행된다. PC램과 Re램은 복합 소재(3가지 이상의 소재 구성)를 사용해 제작되며 이 소재는 불순물에 매우 취약하다.

M램, PC램, Re램의 대량 생산을 위해 어플라이드 머티어리얼즈가 최근 출시한 시스템은 이전에는 불가능했던 새로운 형태의 필름과 구조 생성에 필요한 여러 재료 공학의 혁신을 제공한다. M램 구현을 위해 어플라이드 머티어리얼즈는 5가지 소재별 초박막 레이어를 극도의 균일성과 매우 적은 에너지로 정밀하게 증착해 의도치 않은 소재 혼합을 방지하는 멀티 캐소드(multi-cathode) PVD 챔버를 개발했다.

클로버 M램 PVD 플랫폼은 전처리, 초저온 냉각, 고온 열처리에 온보드 계측을 통합하고 모든 공정은 어플라이드 머티어리얼즈 시스템 사상 최고 수준의 진공 상태에서 진행된다. PC램과 Re램을 위한 엔듀라 임펄스 PVD 플랫폼은 진공 상태로 구성된 9개의 공정 챔버로 구성되며, 온보드 계측이 내장돼 정밀한 적층과 이들 메모리에 사용되는 여러 개 소재를 통제한다. 이는 양산 과정에서 높은 성능, 신뢰도, 내구성을 구현하는데 핵심적이다.

온보드 계측은 레이어 사이의 두께를 통제하고 빠른 램프(ramp) 타임과 우수한 생산 수율 실현에 매우 중요하다. 이는 M램, PC램, Re램 모두에 필수적 요소지만 특히 일부 레이어의 두께가 원자 지름 8~12배를 유지해야 하고, 필름 균일성 편차가 원자 하나의 지름보다 적어야 하는 M램에 더욱 요구된다. 필름 균일성을 보장하는 것은 읽기 성능과 내구성에 있어 매우 중요하다.

기존 계측 기법들은 증착 시스템에서 웨이퍼를 꺼내고 넣는 과정에서 진공 상태를 유지할 수 없어 민감한 소재에 손상을 가한다. 반면 온보드 계측 기능이 있으면 M램, PC램, Re램 레이어 생성 과정에서 레이어 두께를 1 Å(옹스트롬) 이하의 민감도로 측정하고 모니터링할 수 있어 외부 환경에 노출되는 위험 없이 원자 수준의 균일성을 보장한다.

AI 컴퓨팅 시대로 진입함에 따라 기존 메모리의 지속적인 개선과 더불어 차세대 메모리에 대한 관심도 높아지고 있다. 이 같은 관심의 대부분은 칩 성능, 전력, 비용 개선을 위한 신소재 및 3D 구조에 쏠려 있다. 어플라이드 머티어리얼즈는 M램, PC램, Re램을 위한 새로운 통합 소재 솔루션을 통해 산업 단위의 혁신적 컴퓨팅 솔루션이 가능하도록 지원한다.

제공. 어플라이드 머티어리얼즈 http://www.appliedmaterials.com/ko