업계 최고 128단, TLC 낸드 최고 용량인 1Tb 제품 양산

SK하이닉스는 26일 세계 최초로 128단 1테라비트(Tbit) TLC(Triple Level Cell) 4D 낸드플래시를 개발하고 양산에 돌입한다고 밝혔다.

이는 SK하이닉스가 지난해 10월 96단 4D 낸드 개발 이후 8개월만의 이룬 성과다.

전원이 끊겨도 데이터를 보존하는 비휘발성 메모리 반도체인 낸드플래시(NAND Flash)는 데이터 저장 방식에 따라 구분된다. 이 데이터 저장 방식 중 하나라 트리플 레벨 쎌(TLC)이며, TLC는 하나의 쎌(Cell)에 3비트(bit)를 저장하는 것을 의미한다.

◇업계 최고 적층 128단으로 1Tb 4D TLC 낸드 구현

SK하이닉스에 따르면 이번에 양산하는 128단 낸드는 업계 최고 적층으로 한 개의 칩에 3bit(비트)를 저장하는 낸드 셀(Cell) 3600억개 이상이 집적된 1Tb 제품이다. SK하이닉스는 이를 위해 자체 개발한 4D 낸드 기술에 ▲초균일 수직 식각 기술 ▲고신뢰성 다층 박막 셀 형성 기술 ▲초고속 저전력 회로 설계 등 혁신적인 기술을 적용했다고 설명했다.

이 제품은 TLC 낸드로는 업계 최고 용량인 1Tb를 구현했다. 기존 SK하이닉스를 포함한 다수 업체가 96단 등으로 QLC(Quadruple Level Cell: 쎌 하나에 4비트 저장) 1Tb급 제품을 개발한 바 있다.

SK하이닉스 측은 “성능과 신뢰성이 우수해 낸드 시장의 85% 이상을 차지하고 있는 주력 제품인 TLC로는 업계 최초로 상용화한 것”이라며 “SK하이닉스 4D 낸드 최대 장점인 작은 칩사이즈(Chip Size)의 특성을 활용했기 때문에 초고용량 낸드의 구현이 가능해진 것”이라고 강조했다.

4D 낸드는 지난해 10월 SK하이닉스가 세계 최초로 개발한 CTF(Charge Trap Flash)와 PUC(Peri Under Cell)를 결합한 혁신적 제품이다. 기존 3D CTF 기술과 셀 밑에 주변부 회로를 적층한 PUC 기술을 결합한 것으로, 아파트 옥외주차장을 지하주차장으로 구조 변경해 공간효율을 극대화한 것에 비유할 수 있다.

◇4D 플랫폼으로 생산성 40%‧투자효율 60% 향상

이번에 개발한 128단 1Tb 4D 낸드는 웨이퍼당 비트 생산성이 기존 96단 4D 낸드 대비 40% 향상됐으며, 같은 제품에 PUC를 적용하지 않은 경우와 비교해도 비트 생산성이 15% 이상 높다.

낸드 기술은 갈수록 복잡해지고 개발 난이도도 높아지고 있으며 생산 공정수도 증가하고 있다. 이에 대해 SK하이닉스 측은 “동일한 4D 플랫폼을 활용해 제품을 개발했고 공정 최적화를 통해 96단 대비 셀 32단을 추가 적층하면서도 전체 공정수를 5% 줄였다”면서 “이를 통해 128단 낸드로의 전환 투자비용을 이전 세대에 비해 60% 절감할 수 있었다”고 설명했다.

특히 지난해 10월 세계 최초로 개발한 CTF 기반 96단 4D 낸드 공정 플랫폼을 그대로 활용해 96단 이후 8개월만에 128단 제품을 개발했다는데 의미가 크다.

SK하이닉스 측은 생산성과 투자효율이 높아지고 개발기간이 단축된 128단 4D 낸드는 SK하이닉스 낸드 사업의 근원적 경쟁력을 확보하게 한 것이라고 평가했다.

◇초고속 고용량 모바일용 UFS 3.1, 기업용 SSD 내년 상반기 출시

SK하이닉스는 이번에 양산에 돌입하는 128단 4D 낸드플래시를 하반기부터 판매하고 다양한 솔루션 제품도 출시한다.

이 제품은 한 개의 칩 내부에 플레인(Plane) 4개를 배치한 구조로 데이터 전송속도 1400Mbps를 저전압 1.2V로 구현해 고성능 저전력 모바일 솔루션 및 기업용 SSD의 구현이 가능하다는 것이 회사 측의 설명이다.

또 내년 상반기에는 차세대 UFS 3.1 제품을 개발해 스마트폰 주요 고객의 5G 등 플래그십 모델에 공급할 예정이다. 현재 스마트폰 업계 최대 용량인 1TByte(테라바이트) 제품을 512Gb 낸드로 구현할 때 보다 낸드 개수가 반으로 줄어들어 소비전력은 20% 낮아지고, 패키지(Package) 두께도 1㎜로 얇아진 모바일 솔루션을 고객들에게 제공할 수 있게 된다.

SK하이닉스 측은 128단 1Tb 4D 낸드 16개를 하나의 반도체 패키지로 구성하면 업계 최고인 2TB 저장용량을 갖는 5G 스마트폰 구현도 가능해진다고 설명했다.

이와 함께 SK하이닉스는 자체 컨트롤러와 소프트웨어가 탑재된 소비자용 2TB SSD를 내년 상반기에 양산할 예정이다. 이전 세대 대비 20% 향상된 전력 효율을 기반으로 인공지능(AI)과 빅데이터 환경에 최적화된 첨단 클라우드 데이터센터향 16TB와 32TB NVMe SSD도 내년에 출시한다.

SK하이닉스 GSM담당 오종훈 부사장은 “128단 4D 낸드로 SK하이닉스는 낸드 사업의 근원적 경쟁력을 확보하게 됐다. 업계 최고 적층, 최고 용량을 구현한 이 제품으로 고객들이 원하는 다양한 솔루션을 적기에 제공할 것”이라고 강조했다.

[용어] CTF(Charged Trap Flash) 기반 4D 낸드=SK하이닉스 4D 낸드는 기존 일부 업체가 플로팅 게이트(Floating Gate) 셀(Cell) 구조에 PUC(Peri Under Cell)를 결합한 방식과 달리, SK하이닉스를 포함한 대부분 업체가 3D 낸드에 채용 중인 CTF 셀 구조와 기술을 결합한 점이 특징. SK하이닉스는 특성이 우수한 CTF 기반에서는 업계 최초로 PUC를 도입해 최고 수준(Best in Class)의 성능과 생산성을 동시에 구현한 차별성을 강조하기 위해 ‘CTF 기반 4D 낸드플래시’로 명명.