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인접한 카본 나노 튜브의 거리를 제어

미국의 기술 개발 벤처인 Nantero는 2001년에 매사추세츠주 보스턴에 설립됐다. 카본 나노 튜브를 사용한 비휘발성 메모리를 개발한 기업이다. 이 회사는 개발한 메모리를 "NRAM(Nanotube RAM)" 이라고 호칭하고 있다.

NRAM은 어떠한 메모리일까. 대략적으로 얘기하면 저항 변화 메모리(ReRAM)로 분류된다. 다만 정기의 ReRAM은 금속 산화막을 기억 소자에 사용하고 있으므로 카본 나노 튜브를 쓴 NRAM은 ReRAM의 일부가 아닌 독자적인 카테고리로 분류해야 할 것이다.

NRAM의 동작 원리는 인접한 카본 나노 튜브의 거리를 조정함으로써 저항 값을 제어한다는 것으로 인접한 카본 나노 튜브가 접촉(혹은 근접) 하고 접촉점을 통해서 전류가 흘러가는데 저항이 낮아진다. ReRAM의 저 저항 상태(LRS)에 해당하고 인접하는 카본 나노 튜브가 너무 멀면 전류가 흐르지 않고 저항 값이 높아진다. ReRAM의 고 저항 상태(HRS)에 해당한다.

메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 기억 소자(수많은 카본 나노 튜브에 의한 박막)으로 구성한다. 1개의 셀 셀렉터 트랜지스터와 1개의 기억 소자로 메모리 셀을 구성하는 것은 상변화 메모리나 자기 메모리, 저항 변화 메모리와 같은 차세대 비휘발성 메모리와 유사한 구성이며 일반적이다.

일반적이지 않은 것은 쓰기 동작, 즉 카본 나노 튜브간 물리적 위치의 조정이다. 리셋 동작(고 저항 상태의 쓰기 동작)에 필요한 전압은 약 3V로 낮다. 카본 나노 튜브에 격자 진동을 일으킴으로써 인접한 카본 나노 튜브를 떼어 낸다. 세트 동작(저 저항 상태의 쓰기 동작)에 필요한 전압은 극성이 반대로 약 -2V로 더 낮다. 전압 인가에 따른 정전력에 의해서 인접한 카본 나노 튜브를 접촉시킨다. 모든 동작 후에는 전원을 끊어도 같은 상태를 유지한다. Nantero의 공개 자료에는 NRAM의 동작을 위와 같이 설명한다.

이 설명으로 납득할 수 있는 반도체 메모리 엔지니어는 아마 없을 것이다. 공표되지 않은 방대한 노하우가 존재하며 그것은 Nantero가 2011년 8월 플래시 메모리 서밋(FMS)에서 133건이 넘는 미국 특허를 취득하고 있는 것으로도 유추할 수 있다. 노하우의 일부가 미국 특허로서 공개되어 그것이 133건을 넘고 있기 때문이다.

2010년에 4Mbit의 개발 칩을 국제 학회에서 발표

Nantero가 연구 개발 성과를 공표하기 시작한 것은 설립 이후 9년후인 2010년으로 보인다.

이 해 가을 반도체 기술 국제 학회 "ESSDERC/ESSCIRC"에서 기억 용량이 4Mbit의 실리콘 다이의 테스트 결과를 발표했기 때문이다. 이듬해 여름에 플래시 메모리 업계 이벤트 "플래시 메모리 서밋(FMS)" 에서 동사의 활동에 관한 프레젠테이션을 실시했다.

FMS의 강연 슬라이드를 보면 Nantero의 연구 개발이 진화한 모습이 잘 나타난다. 설립 이듬해 2002년에는 표준적인 반도체 제조 프로세스 안에서 카본 나노 튜브를 구성하고 NRAM의 스위칭 동작을 확인했다. 이어 2003년에는 CMOS 프로세스와 CNT 프로세스를 조합하는데 성공했다. 2005년에는 CNT를 사용한 IC를 개발하는 동시에 지름이 22nm로 미세한 기억 소자를 제조했다. 2007년경에는 NRAM의 개발에 성공하고 있었다고 보여지며 4Mbit의 NRAM을 만들어 우주 왕복선에 실어 대기권 밖 환경 성능을 평가했다.

2001년부터 2010년까지 Nantero의 성과(NRAM 개발의 진전) ※Nantero의 FMS 2011강연 슬라이드

이들의 행보를 보면 우주 왕복선에서의 평가가 완료된 이후부터 개발 칩의 대외 발표를 의미한다. 실제 국제 학회 "ESSDERC/ESSCIRC"에서 발표된 4Mbit 칩의 완성도는 상당히 높다.

개발 칩 제조 기술은 0.25μm의 CMOS 프로세스. 금속 배선의 층 수는 적어도 4층이다. 3층 금속 배선과 4층 금속 배선 사이에 카본 나노 튜브의 기억소자들을 배치했다. 기억층의 지름은 약 140nm. 메모리 셀 셀렉터 트랜지스터는 n채널 MOS FET. 실리콘 다이 치수와 메모리 셀 면적은 모두 공개하지 않고 있다.

4Mbit NRAM의 실리콘 다이 사진. 다이 치수는 공개하지 않고 있다. ※Nantero가 2010년 가을에 국제 학회 "ESSDERC/ESSCIRC" 에서 발표한 논문

차세대 비휘발성 메모리 중에서는 단연 소비 전력이 낮다

쓰기 동작에 필요한 전압 펄스의 기간은 리셋 동작이 약 50ns, 세트 동작이 약 500ns로 상당히 짧다. 쓰기 동작에 필요한 전류는 리셋 동작이 약 15μ A, 세트 동작이 약 1μ A로 낮다. 상변화 메모리(PCM) 및 스핀 주입 자성 기억기(STT-MRAM)와 비교해도 상당히 낮은 값이다.

읽기 동작에 필요한 전압 펄스의 기간은 세트 동작 후(저 저항 상태) 출력이 50ns, 리셋 동작 후(고 저항 상태) 출력이 30ns로 이것도 매우 짧다. 출력에 필요한 전류는 세트 동작 후가 2μ A~3μ A, 리셋 동작 후가 10μ A 미만으로 낮다. 또한 출력 전압은 약 1V.

이들 데이터로부터 NRAM이 차세대 비휘발성 메모리 중에서는 뛰어난 소비 전력을 갖는다는 것을 알 수 있다. 4Mbit의 소용량 칩이라고는 하지만 고속·저소비, 저전압을 6년 이상 전에 달성했다는 것은 대단한 것이다.

쓰기 수명과 내열성에도 매우 뛰어나다

엄청난 것은 이것뿐만이 아니다. 쓰기 사이클 수명과 내열성도 뛰어났다. 2011년 플래시 메모리 서밋에서 Nantero는 그 뛰어난 특성을 선보였다.

세트 동작과 리셋 동작의 반복에 의한 갱신 사이클 수명은 10억회를 넘었다. 게다가 10억회를 넘어도 음질의 조짐이 보이지 않는다. 이 수준에서 수명을 달성할 수 있는 비휘발성 메모리는 강유 전체 메모리와 자기 메모리만 있다. 상변화 메모리와 저항 변화 메모리에 이르러서는 100만번 가량의 쓰기 수명을 확보하는 것이 고작이다.

쓰기 사이클 수명의 특성(Nantero의 FMS 2011강연 슬라이드)

내열성은 더욱 멋지다. 300°C의 고온 방치로 데이터의 보유 기간이 10년을 넘는다. 이렇게 되면 오히려 카본 나노 튜브가 아니라 실리콘 부분에서 오류가 일어나는 것을 걱정할 정도의 내열성이다. 공업용은 당연하며 자동차용(파워 트레인 부분)에도 채용이 가능하다.

고온 방치에 의한 데이터 유지 특성(Nantero의 FMS 2011 강연 슬라이드)

NRAM은 학회 발표 수준이라고는 하지만 5년 전의 시점에서 이 정도의 실력을 과시했다. 이어 5년이 지난 현재 NRAM은 더 많이 진행 되었을 것이다. 이에 대해서는 후편에서 자세히 설명한다.

DRAM용 DIMM의 외형 치수와 핀 배치 등은 반도체 업계 단체 JEDEC에 의해 표준 규격이 규정되어 있다. 예를 들면 핀수는 DDR3 DRAM의 DIMM은 240핀 DDR4 DRAM의 DIMM은 288핀이다. 이 표준 규격에 의거한 DIMM을 모듈 벤더는 판매한다. 사용자인 서버 개발 기업이나 PC개발 기업들은 복수의 모듈 벤더로부터 DIMM을 조달하고 시스템에 넣을 수 있다. 조달처가 복수인 것은 안정된 부품 조달에 빼놓을 수 없다. 표준 규격과 멀티 벤더 두 순환이 DIMM을 비롯한 부품 보급을 촉진한다.

다만 DDR3 DIMM이나 DDR4 DIMM 등의 규격 사양은 그 동안 비휘발성 메모리의 탑재를 고려하지 않았다. 거기서 늦어도 지난해에는 비휘발성 DIMM의 표준화 작업이 시작됐다고 본다. 작업에 종사한 것은 주로 JEDEC과 스토리지의 업계 단체 SNIA(Storage Networking Industry Association)다. 올해 5월 26일에는 JEDEC이 DDR4메모리의 DIMM슬롯에 장착된 휘발성 DIMM "NVDIMM"의 표준 규격을 책정했다고 발표했다. JEDEC은 사양을 올해 후반에 발표한다고 밝혔으나 9월 15일 현재의 시점에서 사양서는 공표되지 않은 것 같다.

다만 지난해부터 올해까지 JEDEC과 SNIA등의 업계 단체나 NVDIMM 규격 책정에 관여한 벤더는 "NVDIMM"의 사양을 확인하기 시작했다. 거기서 우리는 그 동안의 공개 자료를 근거로 NVDIMM 규격의 개요를 소개한다.

NVDIMM의 표준 규격을 책정하고 있는 작업 그룹

우선 전제가 되는 것은 DRAM DIMM 규격의 존재다. JEDEC의 공개 자료에 따르면 NVDIMM의 표준 규격은 DDR4 DRAM DIMM 규격의 추가 사양으로 책정했다. 다만 SNIA의 공개 자료에서는 DDR4 메모리 뿐 아니라 DDR3 메모리도 NVDIMM 규격의 대상으로 포함하고 있다.

다음 규격의 대상으로 하는 메모리는 비휘발성 메모리 전반이다. NAND플래시 메모리만 아니라 3DXPoint 메모리나 자기 메모리, 상변화 메모리, 저항 변화 메모리 등도 포함된다.

그리고 표준 사양은 1가지가 아니다. 적어도 3종류의 규격이 존재한다. "NVDIMM-N" 규격과 "NVDIMM-F" 규격, "NVDIMM-P" 규격이다. "NVDIMM-N"과 "NVDIMM-F"는 사양의 책정이 완료되고 있다. "NVDIMM-P"는 사양이 제안되어 검토되고 있다고 본다.

본 칼럼의 전회는 NAND 플래시 메모리를 DIMM에 올리는 움직임을 해설했다. 그 중에서 NAND 플래시 장착 DIMM은 크게 나누면 2종류의 제품이 있다고 밝혔다.

하나는 DRAM과 NAND플래시 메모리를 혼재한 DIMM이다. 보통 DRAM DIMM로 사용하고 전원이 차단되었을 때의 백업용 메모리로 NAND플래시 메모리를 사용한다. 이 컨셉을 승계한 것이 "NVDIMM-N" 규격이다.

다른 하나는 메모리로는 NAND플래시만 탑재한 DIMM이다. DRAM보다 훨씬 큰 기억 용량을 탑재 가능한 SSD로 사용. 이 컨셉을 계승한 것이 "NVDIMM-F"규격이다.

그리고 "NVDIMM-P" 규격의 DIMM은 DRAM과 비휘발성 메모리 양쪽을 탑재하고 DRAM보다 훨씬 큰 기억 용량의 비휘발성 메모리를 저장한 모듈이다.

비휘발성 DIMM메모리 구성과 대응하는 표준 규격

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 차이

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P는 쉽게 말하면 NVDIMM-N 메모리, NVDIMM-F가 스토리지, NVDIMM-P가 메모리와 스토리지의 하이브리드다.

NVDIMM-N은 DRAM과 비휘발성 메모리를 같은 기억 용량으로 혼재한 DIMM이다. DRAM을 기억 매체로 시스템 메모리(주기억)이며 CPU측(및 OS측)으로 보이고 접속이 가능한 것은 DRAM 뿐이다. 비휘발성 메모리는 CPU측(및 OS측)에서는 보이지 않고 접속도 할 수 없다. 비휘발성 메모리는 DIMM 내부에서 백업 메모리로 기능할 뿐이다. NVDIMM-N은 호스트 측에서 겉보기는 DRAM DIMM이나 다름없다.

NVDIMM-F는 비휘발성 메모리를 탑재한 DIMM이다. DRAM은 탑재하지 않는다. 비휘발성 메모리를 기억 매체로한 스토리지. CPU측 및 OS측에서는 스토리지로서 보이며 스토리지 내부의 비휘발성 메모리에 액세스 할 수 있다. 다만 접속 지연 시간(레이턴시)는 NVDIMM-N에 비하면 훨씬 길다. 그리고 NVDIMM-F의 기억 용량은 NVDIMM-N보다 훨씬 큰 것을 상정하고 있다. DRAM DIMM에서는 얻을 수 없는 큰 기억 용량을 갖고 있지만 DRAM DIMM에 비하면 접속이 느리다.

NVDIMM-P는 DRAM과 비휘발성 메모리를 혼재한 DIMM이다. NVDIMM-N과 다른 것은 비휘발성 메모리의 기억 용량이 DRAM의 기억 용량보다 훨씬 큰 DIMM을 상정하고 있는 것이다. 그리고 NVDIMM-P는 2가지 동작 모드를 갖춘다. 하나는 NVDIMM-N과 같은 동작 모드다. DRAM을 시스템 메모리(주기억)으로서 이용하여 비휘발성 메모리를 백업 메모리로 사용, 다른 하나는 NVDIMM-F와 같은 동작 모드다. 비휘발성 메모리를 기억 매체로 스토리지로서 동작한다. 이때 DRAM은 스토리지용 버퍼 메모리로 이용이 가능하다.

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 개요

NVDIMM-N에 대해서 좀 더 자세히 설명한다. 처음에는 NVDIMM-N의 백업 동작이다.

어떤 원인으로 DIMM의 전원이 차단되면 NVDIMM-N이 자동적으로 DRAM의 데이터를 비휘발성 메모리로 전송한다. 이때 백업 전원으로 사용되는 것은 슈퍼 캐패시터(대용량 콘덴서)다. 8GB 반의 기억 용량의 경우 통상 수십초에서 데이터 전송이 완료된다. 또한 DDR3타입의 최대 용량은 8GB, DDR4 타입의 최대 용량은 16GB다.

데이터 전송이 완료되면 NVDIMM-N은 자동적으로 자신의 전원을 차단한다. 그리고 DIMM에 공급되는 전원 복귀을 기다리다 전원이 복귀하면 비휘발성 메모리의 데이터를 DRAM으로 재기록한다. 쓰기 반환에 필요한 시간은 전송에 필요한 시간의 절반이며 슈퍼 캐패시터를 충전한다. 슈퍼 커패시터의 충전이 완료될 때까지 시간은 몇분으로 짧다.

NVDIMM-N 내부 블록과 동작

JEDEC의 공개 자료에 따르면 백업 작동을 고려한 핀 배치 변경이 DDR4 DIMM 규격 사양에 추가됐다. 우선 가장 팽팽한 145번핀이 12V전원 공급 핀이다. 12V전원 핀의 역할은 슈퍼 캐패시터의 충전, 혹은 백업 전원 공급(호스트 측에서 비상용 전원을 공급하는)이다. 슈퍼 캐패시터를 갖지 않는 NVDIMM-N은 시스템이 비상용 전원을 공급하는 시스템을 장비한다. 비상용 전원이 하는 것은 DRAM의 데이터를 비휘발성 메모리에 전송 기간("세이브 기간")뿐이다.

그리고 230번핀이 세이브 신호(SAVE_n)핀이다. 데이터의 전송 작업 개시 타이밍을 알리는 신호 핀이다. 세이브 신호(SAVE_n)핀이 있으므로 데이터의 전송 작업을 빨리 시작한다.

DDR4 DIMM에 NVDIMM-N용 핀 배치를 추가

12V전원 핀의 개요

세이브 신호(SAVE_n) 핀 개요

이어 NVDIMM-F를 좀 더 자세히 설명한다. NVDIMM-N에 비하면 NVDIMM-F는 공표된 자료가 훨씬 적다. 이 때문에 설명이 다소 단편적임을 미리 양해해주기 바란다.

NVDIMM-F는 SSD를 DDR4 메모리 버스에 올리기 위한 규격이다. DIMM에 올리는 메모리는 비휘발성 메모리지만 DRAM DIMM보다 기억 용량은 많이 크다. DDR3메모리 버스에 대용량 NAND플래시 메모리의 DIMM을 올린 제품 "ULLtraDIMM"의 DDR4메모리 버전이기도 하다.

NVDIMM-F는 기억 용량을 명기하지 않은 "ULLtraDIMM"이 최대 400GB인 만큼 적어도 512GB~1TB의 기억 용량은 상정한 것으로 보인다. 이런 큰 용량을 작은 DIMM카드에 가득 담을 수 있는 반도체 메모리는 현재 NAND플래시 메모리뿐이다.

이 결과 NVDIMM-F는 비휘발성 메모리이긴 하지만 실질적으로는 NAND플래시 메모리를 상정한 규격이다. NAND플래시 메모리를 상정하고 있으므로 SSD를 DDR버스에 올린 규격이 되고 있다고 볼수 있다.

이 때문에 NVDIMM-F 접속 단위는 캐시 라인이 아닌 블록 단위다. 지연 시간은 마이크로초로 NVDIMM-N에 비하면 훨씬 길다. 이것은 규격이기보다는 NAND플래시 메모리를 탑재하고 있는 것으로 성능의 차이라고 할 수 있다.

NVDIMM-F의 내부 블록

일반적인 스토리지(왼쪽)과 NVDIMM-N(가운데), NVDIMM-F(오른쪽)의 차이

표준 규격은 대략 2가지가 있다. 하나는 장래의 제품화를 위해 미리 기술 사양이나 제품 사양을 공통화하는 것. 다른 하나는 이미 제품이 존재하고 있으며 제품의 사양을 공통화함으로써 새로운 보급을 꾀하려는 것. NVDIMM의 표준 규격은 분명히 후자다. 이미 NVDIMM규격의 범위를 넘어선 제품이 시장에 등장했다.

첫번째는 Diablo Technologies가 개발한 "Memory1"이다. DDR4 DIMM에 NAND플래시 메모리를 올리면서 CPU측에서는 DRAM과 같은 시스템 메모리(캐시 라인의 접근이 가능)에 보이는 방안을 담은 비휘발성 DIMM이다. 기억 용량은 256GB로 DRAM DIMM의 16GB/32GB보다 훨씬 크다.

다른 하나는 인텔과 Micron Technology가 공동 개발한 비휘발성 메모리 "3DXPoint"를 DIMM에 탑재하고 제품화하는 움직임이다. 2015년 8월에 개최된 인텔의 개발자용 포럼 "IDF2015"에서 3DXPoint 기억 장치를 탑재한 DDR4 DIMM을 개발하겠다고 밝혔다. 3DXPoint 메모리는 바이트 단위의 변경이 가능하므로 NVDIMM-F와 같은 올 비휘발성 메모리의 DIMM이면서도 NVDIMM-N과 같은 캐시 라인 단위의 접속이 가능하게 된다.

3DXPoint기억 장치를 탑재한 DDR4 DIMM의 개요

이렇게 되면 다시 새로운 규격 "NVDIMM-X"가 필요하게 될 것 같다. 그렇다고 지나치게 규격이 늘어나면 표준화의 뜻을 이루지 못할 수도 있다. 그만큼 NAND플래시 메모리와 비휘발성 메모리의 응용 제품은 지금 움직임이 활발하다.

출처 - http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/20150917_721621.html