인공지능(AI) 시대는 메모리 기술의 혁신을 필요로 한다. 혁신의 핵심은 고속 메모리의 상당 수를 컴퓨팅 리소스에 더 가까이 위치시켜 성능과 전력 효율을 끌어올리는 것이라고 할 수 있다.

인접성을 향상시키면 데이터의 저장 공간과 연산 엔진 사이의 공간이 줄면서 병목현상이 해결되고 전력소비가 줄어든다. 이는 지연시간을 단축하고 방대한 데이터가 메모리와 연산부(Compute) 사이를 이동하는데 필요한 에너지를 아껴준다.

AI/빅데이터 시대를 맞아 메모리 분야는 마이크론(micron), 나노미터(nm)보다 더 정밀한 옹스트롬(angstrom) 단위의 혁신이 요구된다.

- AI에 필요한 방대한 양의 데이터를 더욱 효율적으로 수집·처리·저장·분석하는 방법은 무엇인가?
- 사물인터넷(IoT)을 구성하는 수백억 개 디바이스에 대해 성능, 전력효율성과 비용 요구사항을 가장 잘 구현할 수 있는 컴퓨팅 아키텍처는 무엇인가?
- 클라우드 데이터센터, 엣지 디바이스에서 머신러닝(ML)과 추론(Inference) 애플리케이션을 위한 칩(IC)의 최적화는 어떻게 향상시킬 수 있는가?
- 소재(Material)부터 시스템에 이르는 전반적 솔루션은 어떤 형태인가?

즉, 관련 산업군에서는 위와 같은 과제를 해결해야 하는 도전과제에 직면해 있다고 할 수 있다.

AI 컴퓨팅 시대로 진입함에 따라 기존 메모리의 지속적인 개선과 더불어 차세대 메모리에 대한 관심도 높아지고 있다. 이와 같은 관심의 대부분은 칩의 성능, 전력효율성, 비용 개선을 위한 신소재와 3D 구조에 쏠려 있다.

M램(Magnetic RAM), Re램(Resistive RAM), PC램(Phase Change RAM) 메모리는 IoT 디바이스와 클라우드 컴퓨팅 서비스에 성능과 전력소모, 비용 측면에서 혜택을 제공하는 대표적인 차세대 메모리로 꼽힌다. 허나 아직까지 양산에 많은 어려움이 따르는 신소재를 기반으로 제작된다.

최근 어플라이드머티어리얼즈(AMAT)는 차세대 메모리의 대량 생산에 적합한 새로운 시스템을 공개한 바 있다. M램용 ‘엔듀라 클로버 PVD 플랫폼’, PC램/Re램용 ‘엔듀라 임펄스 PVD 플랫폼’은 어플라이드머티어리얼즈 역사상 가장 정교한 칩 제작 시스템이라고 할 수 있다.

M램/Re램/PC램에 사용되는 신소재가 양산과정에서 원자 단위의 정밀도로 증착될 수 있도록 지원한다. 즉, 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 하드디스크(HDD)의 읽기/쓰기 헤드를 나노 단위로 축소해 칩 내부에 수십억 개를 탑재한 것으로 연상하면 된다. 두께와 같은 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 해소할 것으로 기대를 모으고 있다.

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. PC램/Re램은 3개 이상의 소재(복합소재)를 사용해 제작된다. 그리고 이 소재들은 불순물에 매우 취약하다.

M램 구현을 위해 어플라이드머티어리얼즈는 5개 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 최고 수준의 진공 상태에서 진행된다.

PC램과 Re램을 위한 엔듀라 임펄스 PVD 플랫폼은 진공 상태로 구성된 9개의 공정 챔버로 구성된다. 온보드 계측이 내장돼 정밀한 적층과 이들 메모리에 사용되는 여러 개 소재를 통제하는데, 이는 양산 과정에서 높은 성능과 신뢰도 확보, 내구성을 구현하는데 핵심적이다.

특히 일부 레이어의 두께가 원자 지름 8~12배를 유지해야 하고 필름의 균일성 편차가 원자 하나의 지름보다 적어야 하는 M램에는 핵심요소다. 필름 균일성을 보장하는 것은 읽기 성능과 내구성에 있어 매우 중요하기 때문이다.

글 : 캐빈 모라스(Kevin Moraes) / 부사장(VP) / 어플라이드머티어리얼즈(AMAT)