저자: 미상 · 한국인
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삼성전자가 DRAM과 NAND 장점을 결합한 M-mem(MRAM 계열 추정) 기반 인메모리 컴퓨팅을 세계 최초로 구현해 네이처에 게재했다고 소개. CPU 없이 연산 가능한 구조로 기기 소형화·저전력화 기대. 다만 미국의 표준·비메모리 주도권 때문에 상용화는 쉽지 않고, 삼성의 파운드리 경쟁력이 TSMC 점유율 확대에는 기여할 수 있다고 봄. 테슬라의 통합 제어 사례를 들어 통합 반도체 트렌드를 강조.
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앞으로는 CPU가 필요 없는 일체형 반도체가 나올 것 같습니다. 삼성전자가 개발한 M-NAND, 그 주인공인데요. 인텔도 울고 갈 신기술인 M-NAND는 과연 어떤 걸까요. 안녕하세요, 세상의 모든 쉬운 것들을 재밌게 풀어 드리는 네오의 집착입니다.
지난 12일 삼성전자 자사 연구진이 M-NAND를 기반으로 한 인메모리 컴퓨팅을 세계 최초로 구현했습니다. 그 결과를 국제 학술지 네이처에 게재했다고 발표했는데요. 정승철 삼성전자 종합기술원 전문연구원이 제1저자로, 함돈희 종합기술원 펠로와 김상준 종합기술원 마스터가 공동 교신저자로 참여했다고 합니다.
삼성전자 반도체연구소와 파운드리 사업부 연구원들도 이번 프로젝트에 참여했다고 하는데요.
컴퓨터를 한 번이라도 조립해 보신 분들은 아시겠지만, 가장 먼저 선택해야 할 것이 바로 중앙처리장치, 즉 CPU입니다. 여기서 선택장애가 시작되죠. 인텔이냐 AMD냐, 이거 짜장면이냐 짬뽕이냐처럼 아주 어려운 결정입니다. 다음으로 선택할 건 메모리 반도체인 D램인데요. CPU가 연산을 담당한다면, 한국 반도체 산업의 중심인 메모리 반도체는 데이터를 저장하는 역할을 합니다. 이를 일명 폰 노이만 구조라고 부르는데요.
삼성전자는 CPU와 메모리의 분업이라는 컴퓨팅의 오랜 공식을 깨기 위해 도전장을 내밀어 왔습니다. 메모리 반도체가 CPU의 역할까지 담당하는 인메모리 컴퓨팅 기술을 통해서인데요. 이번엔 D램과 낸드플래시의 장점을 결합한 M-NAND 모듈을 테스트한 겁니다. 그 결과 기존 컴퓨터의 약 28% 수준에 해당하는 성능이 나왔다고 합니다.
전문가들 사이에서는 CPU 없는 컴퓨터의 시대가 곧 도래할 거라는 평가가 나오고 있어, M-NAND가 대세가 된다면 많은 변화가 생길 것으로 예상하고 있습니다.
일단 CPU가 없다고 상상해 보죠. 기존에 떨어져 있던 여러 부품들이 통합될 거고, 통합된 만큼 연산 속도가 빨라지고 메인보드 크기도 상당히 줄어들 겁니다. 거기에 전력 소모까지 낮아진다고 하니, 앞으로 한층 더 작고 가벼운 컴퓨터나 노트북, 심지어 스마트폰까지 크기와 두께를 줄일 수 있고 배터리 사용량도 적어지면서 에너지 효율이 높아질 겁니다.
많은 분들도 경험해 보셨겠지만, 컴퓨터를 잘 모르는 상태에서 SSD나 CPU가 잘못되었거나 충격으로 어긋나서 컴퓨터가 고장 난 줄 알고 AS를 맡겼는데, 여기서 양아치 같은 업체를 만나면 멀쩡한 걸 고쳐야 한다며 덤탱이를 씌우거나 부품을 바꿔치기하는 일도 있었죠. M-NAND가 나온다면 이런 문제도 많이 줄어들겠죠.
더군다나 M-NAND는 그 구조가 인간의 뇌와 비슷하기 때문에 인공지능 칩으로 개발할 수 있다고 합니다. 이렇게 인공지능 칩으로 M-NAND가 부각되고 있는 가장 큰 이유는, AI 기술의 발달로 컴퓨터가 처리해야 할 데이터가 기하급수적으로 늘고 있다는 점입니다. CPU와 메모리의 성능은 계속 올라가고 있지만, 두 부품이 데이터를 주고받는 데 걸리는 시간은 줄어들지 않고 있기 때문입니다.
그래서 인메모리 컴퓨팅 기술이 중요해지고 있고, 그 중심에 M-NAND가 있는 거죠. 인메모리 컴퓨팅은 각 기능을 담당하는 칩들을 메모리 안에 모듈로 묶고, 모듈 안에서 연산까지 처리하면서 데이터 병목 현상, 즉 데이터 통로가 정체되는 현상을 막을 수 있는 기술입니다. 지금까지 차세대 반도체인 ReRAM, PRAM 등 다양한 소재의 칩으로 인메모리 컴퓨팅을 개발하고 있었습니다.
대표적으로 ReRAM과 PRAM을 활용한 연구 성과가 많았던 반면, 그동안 M-NAND만 한 성과는 적었는데요. 그 이유는 M-NAND가 데이터 안정성이 높고 속도가 빠른 장점에도 불구하고, 낮은 저항값을 갖는 특성 때문에 인메모리 컴퓨팅에 적용하면 전력 소모가 크다고 평가됐기 때문입니다. 전력을 많이 잡아먹는다는 것은 발열이 심하고 효율이 떨어진다는 뜻이겠죠.
삼성전자 연구진은 이런 M-NAND의 한계를 기존 방식이 아닌, 새로운 개념의 저항 합산 방식의 인메모리 컴퓨팅 구조를 제안함으로써 저전력 설계에 성공했다고 밝혔습니다. 이로써 M-NAND가 차세대 인공지능 칩의 주인공이 될 수 있는 환경을 만든 겁니다.
저는 공대생이 아닌 미디어 쪽 사람이라 전류 합산이 저항 합산과 어떻게 다른지 잘 모르겠고, 기술 용어가 오늘 많이 나왔는데요. 쉽게 정리해 보면, 삼성전자가 개발한 인메모리 컴퓨팅이 적용된 M-NAND는 CPU 역할을 하는 메모리이고, SSD와 CPU 기능을 하나의 칩으로 통합한 거라고 보시면 됩니다. 여기에 전력까지 낮췄다고 보시면 되겠습니다.
이렇게 개발해서 상용화한다면, 가격만 기존 CPU 수준이어도 불티나게 팔릴 겁니다. 컴퓨터나 스마트폰에서 가장 비싼 부품이 바로 중앙처리장치니까요.
하지만 M-NAND가 상용화되는 과정은 쉽지 않을 겁니다. 왜 그럴까요? 반도체 종주국인 미국은 메모리 반도체 영역은 내어 줘도, 비메모리 반도체 영역은 절대 내어주지 않기 때문입니다. 메모리 반도체 시장보다 비메모리 반도체 시장이 훨씬 더 크기도 하고, 국가 안보와도 직결되기 때문이죠. 그래서 CPU의 강자 인텔과 AP의 강자 퀄컴이 삼성전자에게 비메모리 반도체 주도권을 쉽게 양보할 수 없을 겁니다. 삼성전자의 시스템 반도체 평정은 쉽지 않은 일이고요. 중국도 비메모리 반도체, 특히 화웨이가 인공지능 칩을 자체적으로 만들려다 미국에 막혀 어려움을 겪고 있는 상황이기도 합니다.
만약 이 차세대 칩이 미국의 이익을 훼손하지 않는 범위에서 상용화된다면, 인텔이나 퀄컴이 더 빠르게 이쪽으로 전환하게 될 겁니다. 그럼 시장도 상당히 빠르게 커지겠죠.
반도체 업계는 표준으로 정해져야 팔릴 수 있는데요. 이 표준을 정하는 곳이 사실상 미국입니다. 대표적으로 JEDEC(국제반도체표준협의기구)가 여기서 표준을 결정하거든요. JEDEC은 미국 전자산업협회(EIA)와 국제전자제조업체협회(EIA)가 공동으로 반도체 표준 발전을 위해 1958년에 설립한 기관입니다. 쉽게 말해 미국 기관이라고 보시면 됩니다.
물론 예외도 있었습니다. 램버스 D램 이야기인데요. 1999년 인텔이 램버스 D램을 밀어준다고 하자, 당시 참여했던 일본 반도체 기업 NEC, 도시바와 미국 반도체 기업 마이크론, 독일 반도체 기업 인피니언, 그리고 한국에서는 유일하게 LG반도체가 램버스 D램 진영을 선택했습니다. 반면 한국 반도체 기업 삼성전자와 하이닉스는 DDR D램 진영을 선택하면서 새로운 시대의 게임이 시작됐는데요.
당시 램버스 D램은 가격도 비싸고 특허가 복잡하게 얽혀 있었기 때문에, 한국 반도체 기업들은 램버스 진영이 어려울 거라 판단했다고 합니다. 그런데 여기서 램버스 측에 치명적인 결함이 생기면서 램버스 D램 진영이 큰 타격을 입었습니다. 그 덕에 램버스 진영의 반도체 기업들이 몰락했고, 한국의 삼성전자와 하이닉스가 메모리 반도체에서 우위에 설 수 있었던 계기가 되었죠.
어쨌든 이건 예외적인 이야기고, 대부분은 인텔, IBM 등 미국의 메이저 반도체 기업들에 의해 표준이 정해지다 보니 한국은 그에 따라갈 수밖에 없는 상황입니다. 결국 CPU를 만드는 쪽이 갑이고, 그들에게 표준으로 인정받지 못하면 아무리 좋은 물건을 만들어도 판매하기 힘들다는 말이죠.
하지만 만약 미국 반도체 기업들이 삼성전자의 M-NAND를 표준 규격으로 선택해 준다면 어떻게 될까요? 우선 미국은 자신들에게 유리한 상황을 만들려고 하겠죠. M-NAND 특허도 미국이 가장 많이 가지고 있기 때문에, 특허 측면에서도 어느 정도 제재가 가능할 거고요. 설계 기술에서도 미국이 앞서 있기 때문에, 삼성전자가 개발한 M-NAND에 자신들의 CPU만 설계하고 나머지는 삼성전자 파운드리에 맡기는 형식으로 생산에 나설 확률이 높을 겁니다.
아무튼 이렇게 삼성전자의 M-NAND 기술력이 시장에서 인정받고 표준으로 자리 잡게 된다면, 삼성전자 파운드리 산업이 크게 성장할 수 있는 발판이 생기면서 대만 TSMC와 차별화할 수 있는 하나의 무기가 될 수 있을 텐데요. 아쉽지만 미국의 반도체 산업 특성상, 삼성전자가 M-NAND로 인텔이나 퀄컴을 떼리잡는 건 어렵고, 대신 TSMC 점유율은 더 가져올 수 있다고 정리할 수 있겠습니다.
최근 테슬라의 경우를 보더라도 차량용 반도체 대란 속에서도 생산량 문제없이 최고의 판매량을 기록할 수 있었던 것 역시, 반도체를 통합했기 때문입니다. 예를 들어 테슬라 모델3는 차량의 거의 모든 기능을 단 5개의 전자제어유닛(ECU)이 수행한다고 합니다. 반면 다른 회사 차량들은 기능이 단순한 차는 ECU가 30~40개, 기능이 많은 차는 70~100개 정도 된다고 하는데요. 즉 테슬라는 중앙의 통합제어 장치 몇 개가 차량 기능을 모두 담당하는 반면, 다른 회사 자동차는 제어장치가 차량 부위별로 흩어져 제각각 움직인다는 거죠. 이걸 통합하면서 테슬라는 효율적인 시스템과 안정적인 칩 공급을 받을 수 있었던 겁니다. 그러니 M-NAND가 앞으로 대세가 될 것은 자명한 일이겠죠.
오늘은 삼성전자가 개발한 M-NAND에 대해 이야기해 보았는데요. 앞으로 4차 산업혁명이 확산될수록 칩은 통합되고 더 작아질 겁니다. 손톱만 한 칩 하나에 모든 기능이 통합된다면, 컴퓨터, 스마트폰, 자동차 등 우리 일상생활과 함께하는 물건들에 큰 변화가 생기게 되겠죠. 또한 인플레이션 시대에 원자재와 전력도 아낄 수 있는 만큼, 개인적으로도 M-NAND가 빨리 상용화되어 더 나은 미래를 만들어 주었으면 좋겠습니다.
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