'메모리 게임체인저' 3D D램 시대 곧 온다…삼성·SK, 초격차기술 속도전

by최영지 기자
2023.02.08 06:00:00

[이데일리 최영지 이다원 기자] “3D D램을 3~4년 안에 초미세공정의 한계를 극복할 메모리반도체 시장의 게임체인저로 보고 있습니다. 3D D램 아키텍처(반도체 기본설계)를 개발한다면 상당한 기술 초격차를 확보할 수 있을 것입니다. 무엇보다 챗GPT·인공지능(AI) 등의 개발을 위해서라도 꼭 필요합니다.” (반도체 업계 관계자)

7일 업계에 따르면 글로벌 메모리반도체 시장에서 1·2위를 차지하고 있는 삼성전자(005930)·SK하이닉스(000660)는 각 연구를 담당하는 반도체연구소와 미래기술연구원에서 3D D램 연구개발(R&D)에 한창이다. 3D D램을 메모리시장 판도를 바꿀 주요 미래기술로 보고 있어서다. 양사는 이를 차차세대 기술 연구로 보고 있지만 다양한 로드맵을 토대로 연구에 박차를 가하고 있다. 업계의 한 관계자는 “3D D램을 핵심 과제로 꼽아 연구개발을 진행 중이며 성과가 나오면 태스크포스(TF)나 사업팀으로 만들 계획”이라고 했다. 특히 삼성전자 반도체연구소는 최근 연구인력을 확대하며 선행기술 연구에 집중하고 있는 것으로 전해진다.

(그래픽=이데일리 김일환 기자)

3D D램은 값비싼 극자외선(EUV) 노광장비 없이도 개발 가능한 미래 제품으로, 낸드플래시에 이어 D램을 적층, 한정된 공간에서 셀을 늘리는 식의 기술을 필요로 한다. 메모리제조업체들은 트랜지스터와 캐패시터로 구성된 셀만 수십억개인 D램 성능을 개선시키기 위해 셀 크기를 작게 하고 간격을 줄이는 방식으로 기술을 발전시켜왔다. 한정된 공간에서 셀을 늘리는 데 물리적 한계치에 도달하고 있는 만큼 셀을 눕힌 채로 적층하는 3D D램 기술 등이 개발 중이다.

향후 3D D램은 인공지능(AI), 데이터센터, 이미지센서(CIS) 등 분야에서 수요가 늘어날 것으로 전망된다. 김정호 카이스트 전기전자공학부 교수는 “트랜지스터의 3D화는 이제 기초 연구 단계 수준이지만 HBM(고대역 메모리) 양산을 토대로 3D D램 시장에 발을 디뎠다고 볼 수 있다”며 “AI(인공지능)나 챗GPT같은 초거대 모델은 고성능 D램을 필요로 하기 때문에 3D D램이 앞으로 메모리 경쟁력이 될 것”이라고 분석했다.

시장조사업체 테크인사이츠의 최정동 박사도 “삼성전자, SK하이닉스와 마이크론 3사는 관련 특허를 내놓고 있어 3D D램이 최근 IP(지식재산) 특허 트렌드”라고 했다.

앞서 삼성전자는 지난 2019년, 기존 2D D램을 가로로 눕혀 차곡차곡 쌓은 구조의 3D D램 구조를 특허낸 바 있다. 이와 달리 업계 3위인 미국 마이크론은 셀을 눕히지 않고 트랜지스터와 캐패시터 모양을 변형한 것을 특징으로 한 특허를 냈다.

최 박사는 또 우리 기업들이 D램 스케일링만큼이나 3D D램 개발에 집중하는 투 트랙 전략이 필요하다고도 조언했다. 그는 “EUV 장비뿐 아니라 하이 뉴메리컬어퍼처(High NA) EUV 장비를 통한 D램 스케일링이 이어질 것”이라면서도 “3D D램이 개발될 경우 장비 사용을 줄일 수 있어 (3D D램) 연구를 병행해야 하며, 두 가지 연구 비중을 5대 5로 가져가야한다”고 했다.

(자료=최정동 테크인사이츠 박사)

업계에서는 3D D램 제품 개발 시점을 이르면 3~4년 후로 내다보고 있다. 시간 여유가 있다고 볼 순 없다. 3D D램을 현실화하기 위해선 특허와 원천기술을 토대로 한 상용화가 필요한데 메모리 다운턴(불황) 시기에 개발에 더욱 속도를 내야 한다는 주문도 나온다. 삼성전자는 지난해 4분기 실적발표 이후 진행한 콘퍼런스콜에서 “시황 약세가 당장 우호적이진 않지만 미래를 철저하게 준비하기 위한 좋은 기회라고 생각한다”고 밝힌 바 있다.

반도체 불황으로 인한 우리 기업의 실적악화와 후발업체들의 기술 추격을 타개할 방법으로도 3D D램이 꼽힌다. 김형준 차세대지능형반도체사업단장(서울대 명예교수)은 “삼성전자는 기술 초격차를 유지하기 위해 특단의 대책을 강구해야 한다”며 “기술적인 감산을 하는 시기를 기회 삼아 3D D램이나 3D 낸드 등 분야에서 기술 개발을 이뤄내야 한다”고 강조했다.

삼성전자와 SK하이닉스는 소비 둔화 및 가격 하락으로 지난해 4분기 어닝쇼크를 냈다. 양사는 올 1분기 인텔 신규 중앙처리장치(CPU)인 사파이어 래피즈 출시가 예상되는 만큼 DDR5 수요가 기대돼 실적 개선을 예상하고 있지만 실제 상황이 녹록치는 않다. 경기 침체로 빅테크 등의 서버 투자가 줄어들 것으로 보이며 반도체 업황 회복이 더뎌질 우려가 커지고 있기 때문이다. 시장조사업체 옴디아는 최근 발간한 보고서를 통해 올해 서버용 D램 시장에서 DDR5가 차지하는 비중을 28%에서 13%로 하향 조정했다. 당초 옴디아는 올해 DDR5가 본격적으로 확대되는 원년으로 예측했지만, 올해 1분기 서버용 D램 시장에서 DDR5가 차지하는 비중은 3%에 그칠 것이며 2분기 8%, 3분기 15%, 4분기 24% 수준에 머무를 것으로 내다봤다.

(그래픽=이데일리 김일환 기자)

시장조사기관 트렌드포스도 올해 1분기 서버용 D램 거래가격이 전 분기 대비 20~25% 하락할 것으로 관측했다. 이는 1분기 D램 전체 평균인 13~18% 감소세보다 더 낮은 수준이다.

마이크론과 중국 YTMC(양쯔메모리테크놀로지)의 기술 추격이 거세지고 있는 것도 우리 기업에 위협 요소다. 마이크론은 지난해 232단 낸드 양산, 5세대(1b) D램 등 차세대 제품을 내놨다. 또 다른 업계 관계자는 “예전에는 후발업체들이 제품을 양산한다고 해도 수율 안정에 대한 의구심이 있었는데 이제는 기술력도 상당 수준 올라왔다”며 “삼성전자의 기술 초격차가 사라지고 있어 기존 제품을 능가하는 새로운 제품을 선도해야 한다”고 했다.

3D D램 기술 개발에 속도를 내기 위해선 정부 지원이 시급하다는 목소리도 나왔다. 박재근 한양대 융합전자공학부 교수는 “미국, 대만 등 반도체 경쟁국에선 투자, 기술에 대한 세액공제가 확대됐지만 우리나라는 국회 통과도 하지 못한 상태”라며 “연구개발 지원에 앞서 규제 완화가 필요하다”고 했다. 안기현 한국반도체산업협회 전무는 “대학교에 연구비를 지원해 기술 개발에 조력할 수 있게 해야 한다”며 “이 기술을 토대로 삼성전자와 SK하이닉스가 제품 개발에 나설 수 있을 것”이라고 했다.

…한정된 공간에서 D램 셀을 늘리는 데 물리적 한계치에 도달하고 있어 이를 눕히거나 모양을 변형시켜 적층하는 방법.