256GB의 ‘갤럭시 Z 플립’, ‘갤럭시 S20’, ‘아이폰 11 Pro’부터 1TB 저장이 가능한 스마트폰의 비밀, 핵심 저장장치 ‘낸드 플래시’의 진화


Figure 1) 8GB 저장 공간을 갖고 있던 ‘아이폰 2G’와 256GB의 ‘갤럭시 Z 플립’. (출처 : 위키백과사전)


 처음 스마트폰이 등장했을 때, 모두들 8GB의 저장 공간을 어떻게 채울 지 걱정했었다. 하지만 지금 시점에서 8GB는 운영체제와 기본 응용 프로그램만으로도 벅찬 수준이다. 대부분의 애플리케이션이 대용량 데이터를 기반으로 돌아가고 있고 처리 성능이 월등히 높아졌기 때문이다. 나아가 최근의 스마트폰은 고품질, 고화소 카메라를 탑재하고 있어 더 많은 저장 용량이 필요해진 상황이다.

 때문에 최근 1TB의 기본 저장 공간을 가진 스마트폰도 등장했다. 초기 스마트폰의 무려 120배가 넘는 저장 공간이다. 넉넉하다고 느낄 수 있지만, 이 공간도 머지않아 부족해질 것이다.

 이렇게 넉넉한 저장 공간을 가진 스마트폰의 수요가 늘고 있지만, 제조사 입장에선 다소 곤란한 상황이 발생하기도 한다. 스마트폰의 크기가 커져도 저장을 위한 ‘낸드 플래시’가 차지하는 공간은 매우 한정적이기 때문이다. 즉, 더 큰 스마트폰을 만들더라도 부품을 넣을 공간은 뛰어나게 커지지 않는다는 물리적 한계가 존재한다는 뜻이다. 하지만 그럼에도 불구하고 ‘낸드 플래시’ 기술의 진화는 그 한계를 뒤로 밀어내고 있다.



 ‘낸드 플래시’는 ‘셀’이라는 아주 작은 단위에 저장한다. ‘셀’을 쉽게 비유해서 설명하면 아래 이미지와 같다. 수조에 물을 채우고 빼내도록 작동시키는 하나의 장치라고 보면 되는데, 물 대신 전자를 담는다고 생각하면 된다. 그 전자를 담는 수조 역할은 ‘플로팅 게이트’가 맡는다. ‘플로팅 게이트’에 전자가 있느냐 없느냐에 따라 1과 0을 구분하는데, 전자를 가두거나 빼내도록 작동하는 장치가 바로 ‘셀’인 것이다.


Figure 2) 물을 담는 수조의 각 부분을 ‘셀’에 비유하면 이런 모습이다.


 ‘낸드 플래시’ 메모리 안에는 이렇게 전자를 저장할 수 있는 ‘셀’이 어마어마하게 들어 있다. 단순하게 설명하자면 ‘셀’이 많을 수록 저장 용량이 늘어난다는 이야기다. 하지만 문제가 있다. 아무리 ‘셀’의 크기가 작다지만, 앞뒤를 생각하지 않고 크기를 늘리다 보면 면적이 넓어진다는 점이다.

 이는 생산 비용이 비싼 반도체 분야에서 볼 때 좋은 소식이 아니다. 원래 10개의 붕어빵을 만들 수 있는 장치에 틀 크기를 바꾸지 않은 채 더 큰 붕어빵 6개를 찍어내도록 설비를 바꾸고 같은 가격에 팔면 판매자는 오히려 4개를 손해 보는 이치다. 때문에 그들은 더 작은 셀을 만드는 미세 공정을 꾸준히 도입했다. 즉, 10개만 만들 수 있던 붕어빵 틀을 15개를 만들 수 있는 생산 설비로 개선한 것이다.


Figure 3) 실제 셀은 이렇게 작동한다. (출처 : 디지털데일리 공식 홈페이지)


 셀의 구조도 조금씩 변화하고 있다. 이전에는 셀 하나마다 전자를 담는 공간이 하나였다면, 이제는 그 공간을 늘린 것이다. 즉, 예전의 셀은 마치 방이 하나만 있는 집 한 채와 같지만, 이후 의 셀은 형태는 유지한 채 더 많은 방이 있는 집으로 설계를 변경한 것이라 보면 된다.

 이렇게 달라진 셀의 구성에 따라 ‘낸드 플래시’를 분류하고 있다. 셀 하나 당 하나의 플로팅 게이트만 있는 것을 ‘싱글 레벨 셀(SLC)’이라 하고, 2개면 ‘멀티 레벨 셀(MLC)’, 3개는 ‘트리플 레벨 셀(TLC)’로 부른다. 현재 4개를 담는 ‘쿼드러플 레벨 셀(QLC)’ 기술도 등장했지만, 거의 대부분 ‘트리플 레벨 셀(TLC)’ 제품이 판매되고 있다.



 이렇듯 미세 공정을 도입했지만, 더 많은 용량을 담기 위해선 한계가 있었다. 앞서 말한 물리적 한계가 여전했던 것이다. 때문에 낸드 플래시 제조사들은 같은 면적에 더 많은 셀을 넣을 수 있는 새로운 방식을 고안해 냈다. 셀을 수평이 아닌 수직으로 쌓아 올리기 시작한 것이다.


Figure 4) 왼쪽 단독 주택과 같은 대지 면적도 아파트처럼 높게 쌓으면 더 많은 사람이 살 수 있다. (출처 : SK브로드밴드 공식 블로그)


 즉, 1층짜리 집만 있는 대규모 주택 단지를 아파트로 바꾼 셈이다. 좁은 땅덩어리에 아파트를 높게 세울수록 더 많은 사람이 들어갈 수 있는 것처럼 말이다. 이렇게 셀을 수직으로 쌓아올린 낸드 플래쉬를 ‘3D 낸드 플래시’라고 부른다. 


Figure 5) 인텔이 공개한 실제 3D 낸드 플래시의 단면 이미지. (출처 : 인텔 공식 홈페이지)


 하지만 이렇게 단을 쌓는 일도 마냥 쉽지만은 않다. 가장 어려운 문제는 맨 위층과 맨 아래층을 오가는 통로를 뚫는 것이다. 미리 엘리베이터가 다닐 통로를 염두에 두고 쌓는 아파트와 달리, 낸드 플래시는 재료를 차곡차곡 쌓은 뒤 나중에 구멍을 뚫어 통로를 만든다. 그런데 이 통로를 깊게 파는 것이 어려운 데다, 만들더라도 위와 아래의 통로 두께가 달라 신호가 제대로 전달되지 않는 문제가 발생한다. 더구나 단을 높게 쌓을수록 셀의 밀도가 높아지고, 전기 신호의 간섭도 심해져 전자를 제대로 저장하지 못하는 현상도 발생한다.


 그렇다 보니 낸드 플래시 업체들은 이 단을 높이 올릴 때마다 앞다퉈 소식을 전하고 있다. 그만큼 어려운 것을 해냈다는 것을 의미하기도 한다. 먼저 ‘SK하이닉스’가 지난 해 11월 20일, ‘4D 낸드 솔루션’을 이용해 128단 낸드 플래시의 양산을 시작했다. 뒤이어 ‘삼성전자’도 128단을 내놓는 등 낸드 플래시 적층 기술을 두고 치열한 경쟁이 일고 있다. ‘샌디스크’와 ‘도시바’ 등 다른 낸드 플래시 경쟁자들 또한 더욱 기술 개발에 몰두하고 있기 때문에 이 경쟁을 지켜보는 게 결코 지루하진 않을 것이다. 

Figure 6) SK하이닉스가 양산해낸 ‘128단 낸드 플래시’로 만든 스마트폰용 플래시 메모리. (출처 : SK 하이닉스 뉴스룸)


 이처럼 고도화된 낸드 플래시에 ‘UFS 3.0’, ‘UFS 3.1’ 같은 고속 전송 기술을 묶어 완성한 플래시 저장 장치가 스마트폰 등 많은 모바일 장치에 사용되고 있다. 시간이 흐를수록 저장 가능한 데이터의 양은 늘고 있다. 낸드 플래시 업계의 치열한 기술 경쟁이 바로 기술 발전의 원동력이 되고 있지 않나 생각한다. 또, 그들끼리도 서로의 가속 페달을 돌리고 있는 것이라 생각한다.



Posted by SK브로드밴드

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  1. SONG 2020.02.26 11:01  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 정보 감사합니다~!

  2. 공대남 2020.02.26 18:48  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    과제 때문에 검색하다가.. 잘 보고 갑니다

  3. 이재승 2020.02.27 11:14  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    잘 보고 갑니다~

  4. 2020.02.27 14:03  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    오 좋은 정보 감사합니다~!~!

  5. Favicon of http://gdsfsagdz BlogIcon 누네띠네 2020.02.27 18:31  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 정보 감사함니다

  6. 킹콩 2020.02.27 18:35  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    문송합니다

  7. 수호 2020.02.28 09:58  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은내용 잘봤습니다~

  8. 로다주 2020.02.28 10:12  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    ㅎㅎㅎ 유익한 정보네요^^

  9. 스페인 2020.02.28 11:08  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    이번 S20이랑 Z플립 진짜 대박인거 같아요..

  10. Favicon of http://3221 BlogIcon 보일락말락 2020.02.28 15:23  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    ㅋㅋㅋ봐도모르겠다..

  11. 사가가 2020.02.28 18:24  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    잘보고 갑니다~

  12. 배군 2020.03.02 18:01  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    다른 건 모르겠고 Z플립은 진짜 이쁘다는 것!