[줌-in] 차세대 메모리 ‘MRAM’ 보급기 진입…“소비전력 50분의 1”

이재만 기자 / 기사승인 : 2021-07-22 11:07:22
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-유니버설 메모리라고 불리는 차세대 비휘발성 메모리 ‘MRAM'
-국내 학계와 업계 기술진 ‘MRAM'관련 기술 개발 동향 분석 등 활발

 

▲사진=차세대 미래의 첨단 IT기술을 이끌어 갈 핵심기술을 가능하게 하는 메모리기술 ‘MRAM   [출처/구글 이미지]
차세대 미래의 첨단 IT기술을 이끌어 갈 핵심기술을 가능하게 하는 메모리기술인 ‘MRAM(M램 / Magnetic Random Access Memory)’이 주목을 받고있다.

 

소비 전력이 적은 DRAM(D램)과 전원이 꺼져도 자료가 지워지지 않는 플래시메모리의 장점을 함께 지녀 차세대 메모리 반도체로 주목되는M램 기술이 최근 국내 뿐 아니라 일본에서도 관련 연구개발이 큰 진전을 보이고 있는 것으로 전해진다.

 

국내에서는 유니버설 메모리라고 불리는 차세대의 비휘발성 메모리 중에서 현재 가장 

주목 받고 있는 MRAM, FeRAM, PRAM의 업그레이드를 위한 기본적 구조에 대한 연구와 함께 최근 기술 개발 동향에 대한 분석 등도 학계를 중심으로 활발하게 움직이고 있다.

  

가깝고도 먼 이웃나라 일본 도호쿠 대학을 비롯해 소니 그룹 등도 실용화에 필요한 연구 성과를 잇달아 내놓아 MRAM이 본격적인 보급 단계에 진입해 가고 있다고 요미우리신문이 보도했다. 이같은 일본의  차세대의 비휘발성 메모리 MRAM의 기술개발과 관련 동향을 살펴보면 노벨상 후보에까지 오른 도호쿠 대학의 오노 히데오 총장이 눈에 띄는 성과를 내고 있는 것으로 알려졌다.

 

도호쿠 대학의 엔도 데츠로 교수는 M램의 기술 개발 현황을 이렇게 표현한다. 이 대학은 전자가 지닌 자석의 성질(스핀)을 이용하는 ‘스핀트로닉스’ 연구로 노벨상 후보에까지 오른 오노 히데오 총장을 중심으로 1990년대부터 M램 연구를 주도해 왔다. 다만, 양산 기술을 확보하지 못해 오랫동안 실용화로 나아가지 못했다. 그러다 최근 내부 구조의 개량 등으로 연구가 진전돼 보급의 길을 열게 됐다.

▲사진=  Magnetic Random Access Memory

 M램(Magnetic Random Access Memory)은 자기저항을 이용하여 만든 비휘발성 고체 메모리 반도체로, 전원이 꺼져도 정보가 사라지지 않는 것이 특징이다. 연산 도중의 데이터 등을 유지한 채로 전원을 차단할 수 있기 때문에 기존 메모리인 D램과 SRAM(S램)에 비해 소비 전력을 크게 줄일 수 있다. 여기에 나노(나노는 10억분의 1)세컨드 단위로 D램 수준의 고속 동작을 실현한다.

 

엔도 교수 연구팀은 전자기기를 제어하는 ​​마이크로컴퓨터 등에 M램을 통합하고 기존 반도체에 비해 소비 전력을 50분의 1로 저감하는데 성공했다. 웨어러블 단말기나 자율주행에서 이용이 기대되는 엣지 단말기나 인공지능(AI) 등의 용도로는 1000분의 1까지 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

 

이 연구팀은 지난 2018년에 대학 연구실을 둥지로 스타트업을 설립해고 기업과의 협업이나 라이센스 공여도 추진하고 있다. 우선 첨단이 아닌 마이크로컴퓨터용이 중심이 되지만, 장기적으로는 AI 서버 등에도 응용하는 게 목표다. 실제로 일본 국내 자동차 제조업체나 부품 제조업체와 협업을 추진 중이다.

 

탈(脫) 탄소의 관점에서, 팽창하는 디지털 기기의 소비 전력 저감에 대한 기대가 높다. 오노 총장은 “이산화탄소(CO2) 배출을 억제하면서 성장하는 사회를 구축하는 데에서 M램이 큰 역할을 수행할 것이다”라고 말했다.

 

반도체 성능은 50년 이상, 미세화를 통해 비약적으로 진화해 왔다. 하나의 칩에 집적하는 소자의 수는 미국 인텔이 1971년에 발표한 첫 CPU(중앙연산처리장치)가 약 2300개인데 대해 미국 애플의 최신 반도체 ‘M1’은 160억개로 약 700만배다.

 

그러나 2010년대에 들어서 회로 선폭이 원자의 크기에 육박하며 미세화가 한계에 가까워지고 있다. 더 높은 성능이 요구되는 AI 시대가 도래하기 전에 미세화를 대체할 돌파구로 성능 향상과 소비 전력의 저감을 추진할 필요가 있다. 스핀을 응용한 M램은 그 유력한 후보다.

 

M램의 연구개발은 일본세가 앞서가고 있다. 특허조사회사 페이턴트 리절트의 유효특허건수 분석에 따르면 키오쿠시아(구 도시바 메모리)와 소니 그룹, 도호쿠대학 등이 상위 10위 안에 들었다. 일본세는 미국 특허에서도 상위에 진입해 있다.

 

소니 그룹은 지난달 국제학회에서 주력인 CMOS(상보성금속산화막반도체) 이미지 센서로 적층 할 수 있는 M램 기술을 발표했다. 사진 촬영이나 이미지 처리, 데이터 저장을 하나의 칩으로 처리함으로써 스마트폰 카메라의 소형화나 고속 동작이 기대된다.

 

일본 산업기술종합연구소는 특성이 균일한 단결정의 기억 소자를 이용한 제조 기술을 개발했다. 데이터센터 등에서 사용하는 AI용 연산반도체에 M램을 사용하려면, 기억 소자를 미세하게 만들어야 하는데, 다결정의 현행 제품에 비해 미세화를 진행하기 쉽도록 했다. 제조장비는 도쿄일렉트론과 어드반테스트가 맡는다.

 

일본 이외에서는 미국 반도체 스타트업 앰비크 마이크로(Ambiq Micro)가 M램을 통합한 생전력 마이크로컴퓨터를 개발했다. 중국 스마트폰 제조업체 오포(OPPO) 등이 스마트워치에 장착하기로 결정했다.

 

양산에서는 한국과 대만이 앞서가고 있다. TSMC는 M램을 통합한 연산반도체의 양산을 지난해 하반기에 착수했고, 삼성전자와 인텔도 양산 체제를 구축했다.

 

M램 양산은 이제 시작 단계로 아직 해결해야 할 과제가 있다. 무엇보다 용도 확대를 겨냥해, 용량과 속도를 더 향상시킬 필요가 있다. 마이크컴퓨터에서 데이터를 일시 저장하는 용도는 차세대 제품부터 시장 규모가 큰 스마트폰 주변기기 등에 본격 도입되는 것은 2023년 이후, 스마트폰과 데이터센터의 핵심 부품으로 사용되는 것은 훨씬 이후로 전망된다.

 

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