메모리 반도체와 시스템 반도체란?
메모리 반도체의 RAM과 ROM
시스템 반도체, 팹리스와 파운드리로 나눠
[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 반도체란 전기전도도가 도체랑 부도체의 중간 사이에 있는 물질로 평소에는 부도체처럼 전류가 통하지 않지만 어느 특정 조건에서는 도체처럼 전류가 흐를 수 있는 물질이다. 즉 직접 전류 흐름을 제어할 수 있기 때문에 대부분의 전자기기의 제어 및 정보를 기억하는 장치에 쓰인다.
반도체는 크게 메모리와 시스템 반도체 두 가지로 나뉜다. 둘의 가장 큰 차이점은 메모리 반도체는 정보를 저장하고 기억하는 반면 시스템 반도체는 추론 및 연산 등 정보를 처리한다. 쉽게 말해 시스템 반도체는 우리의 뇌와 같은 역할을 하며, 설계가 보다 복잡하다.
우리나라의 대표적인 반도체 기업인 삼성과 SK 하이닉스의 경우, 메모리 반도체를 주도하고 있다. 지난해 글로벌 D램 시장 점유율은 삼성전자가 43.6%, SK하이닉스가 27.7%로 국내 기업의 점유율이 71.3%에 달한다.
메모리 반도체는 크게 램(RAM, Random Access Memory)과 롬(ROM, Read Only Memory)으로 나뉜다
램은 휘발성 메모리로 한시적으로 모듈에 저장된 정보는 컴퓨터가 재시작 혹은 종료될 시 삭제된다. 램 또한 저장 방식에 따라 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 SRAM(Static Random Access Memory)로 나뉜다.
D램은 저장된 정보가 시간의 흐름에 따라 지워지는 반도체이다. 주기억이란 컴퓨터의 중앙처리 장치로 프로그램이 실행하는 동안 프로그램 설명이나 자료를 빠른 속도로 접근하게 해 준다. D램은 단시간 내에 주기억으로 정보를 재충전시켜 기억이 유지되게 해 컴퓨터의 기억소자에 많이 사용된다. 재충전하는 과정이 있기 때문에 dynamic이란 이름이 붙여졌다. D램은 용량이 크고 데이터를 빠른 속도로 처리한다는 장점을 갖고 있어 컴퓨터의 메인 메모리, 스마트폰, 그래픽 메모리 등 D램이 많이 쓰인다.
S램은 전원을 공급하는 동안 데이터를 유지하는 반도체로 전원이 켜져 있는 동안 기록된 데이터가 지워지지 않기 때문에 Static이란 이름이 붙여졌다. 데이터를 처리하는 속도가 빠르지만 회로가 복잡해 1개의 반도체 칩에 구성돼 있는 소자의 수를 나타내는 집적도가 낮으며 비용 또한 높기 때문에 대용량으로 만들기 어렵다. 보통 그래픽 카드를 포함한 소용량의 메모리에 사용된다.
롬(ROM)은 비휘발성 메모리로 직접 지우지 않는 이상 전력 공급이 안되어도 정보가 사라지지 않는다. 보통 은행 ATM 기기를 이용할 때 쓰이는 IC카드(Integrated Circuit Card)나 컴퓨터의 입출력 시스템에 사용된다. 롬은 다양한 메모리가 있지만 그중 가장 수요가 늘어나고 있는 메모리는 플래시 메모리(Flash Memory)이다.
플래시 메모리는 데이터를 영구적으로 보존하는 롬의 성능과 데이터를 고속으로 쓰고 지울 수 있는 램의 장점을 둘 다 지니고 있다. 스마트폰, 사물인터넷 IoT), 빅데이터 등에 사용된다. 전력 소모가 적고 충격, 온도 그리고 압력에 대한 내구성이 강해 SSD (Solid State Drive, 보조기억장치)에도 사용된다.
플래시 메모리는 회로 형태에 따라 NOR과 NAR로 나뉜다. Not OR은 데이터 저장 단위인 셀이 병렬로 위치되어있는 코드 저장형 플래시 메모리이고 Not AND는 직렬로 배치되어 있는 데이터 저장형 플래시 메모리이다. NAND는 전원이 없는 상태에서도 데이터가 계속 저장이 되는 플래시 메모리로 USB나 SSD에 사용된다.
시스템 반도체는 정보를 저장하는 것이 아닌 정보를 처리하는 것을 목적으로 한다. 비메모리 반도체라 불리기도 하며 전자제품에 필수적으로 들어간다. 시스템 반도체는 1980년대 후반, 분업이 확대되면서 팹리스(Fabless)와 파운드리(foundry)로 나뉘었다.
팹리스는 제조 설비를 뜻하는 패브리케이션(fabrication)과 리스(less)를 합성한 말로 설계를 전문으로 하는 회사를 말하며, 파운드리는 설계 전문회사가 주문한 반도체를 전문 생산하는 회사를 말한다. 애플, 테슬라, 구글 등 대다수의 미국 대기업들은 팹리스에 강점을 보이고 있지만 파운드리의 경우 1987년 TSMC가 전문 파운드리 기업으로 출사표를 던지면서 대만이 시장을 장악하고 있다. 대다수의 기업들이 설계를 하고 대만의 TSMC나 한국의 삼성전자에 반도체 생산을 맡긴다. 삼성은 현재 파운드리 업계 2위로, 2005년부터 생산에 참여했지만 2017년이 돼서야 본격적으로 사업팀이 분리되었다. 파운드리는 직접 설계하여 제품을 만드는 것이 아닌 고객들로부터 위탁받아 제품을 대신 생산해 이익을 번다.
파운드리 업체 중 10나노 미만의 미세공정 기술력을 갖춘 기업은 삼성전자와 TSMC 뿐이다. 반도체가 미세화될수록 발열량이 줄어 스마트폰 전체 성능을 높일 수 있기 때문에 보다 미세한 미세공정기술에 도전하고 있다. 삼성전자는 올 상반기 중 차세대 공정 기술인 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용한 3나노 1세대 제품 양산에 돌입할 예정이며 TSMC보다 반년 정도 앞선 기술이라는 것이 업계의 평가이다.
반도체 시장에서 한국은 SK하이닉스랑 삼성전자 등 메모리 반도체에서 강세가 있지만 시스템 반도체 점유율은 4%에 그치고 있다. 특히, 팹리스는 아직 약세를 보이고, 파운드리 역시 세계에서 두 번째로 생산이 많지만 대만의 TSMC와 격차가 매우 크기 때문에 우리나라 정부는 경쟁력을 갖추기 위해 인재 육성에 적극적으로 투자하는 중이다.
