세계적인 금리 인상과 경영불안으로 반도체 시장은 춘추전국으로 글로벌 시장에서 춤을 추고있을 때 누군가는 반도체 강국을 유지하고 미래를 향한 선도적 기업으로 도약하고자 비밀병기를 준비하고 있다.

 

 대한민국의 먹거리 1번지 반도체는 명실상부한 한국의 대표 수출산업으로 매년 1,000억달러이상 (140조) 수출하는 효자상품으로 대한민국 1년 예산보다 많은 금액을 수출하고 있는 혁신상품이다.

 

 이렇게 중요한 반도체 산업은 강국이라 불리는 미국, 중국등 국가의 반도체 산업이 강대국으로 유지 하는것에 초긴장 상태로 한국의 삼성을 주목하고 있으며 지난 2022년 조 바이든 미국 대통령이 한국을 방문하면서 가장 먼저 찾은 곳도 세계 최첨단 반도체 공장 중 하나로 꼽히는 삼성전자 평택 반도체 공장이다.

▲ 삼성전자 메모리반도체 HBM 플래시볼트(Flashbolt)

 반도체는 단순히 휴대폰에 들어가는 직접회로도가 아닌 기기 즉 초거대 AI, 실시간 통번역 등을 활용하는 거대한 미래의 비밀병기이다. 통상 웨이퍼 8대 제조공정을 보면 산화공정- 포토공정-식각공정- 증착 및 이온주임공정 –금속배선공정- EDS공정- 패키지공정으로 이루어지는데 웨이퍼란 반도체 집적회로를 만드는데 주 재료로 산화공정인 웨이퍼 표면에 실리콘 산화막(Sio2)를 형성해 트랜지스터의 기초를 만드는 공정을 지나 반도체 회로를 그려넣는 포토공정 등이 순서대로 이루어진다.

 

 반도체는 두 종류로 볼수 있는데 컴퓨터, 스마트폰, 카메라, 가전 등 우리 실생활 전반에서 쓰이는 기기의 데이터 보전을 위해 쓰이는 메모리와 비메모리로 국내 삼성전자는 대표적으로 메모리 반도체 즉 저장장치 반도체 생산을 전문으로 하고 있다.

 

 메모리 반도체는 데이터를 기억 보존하는 장치로 현재 디지털 가전에는 필수적으로 메모리가 탑재되며 삼성전자가 2020년도에 차세대 슈퍼컴퓨터와 인공지능(AI) 기반 초고속 데이터 분석에 활용될 수 있는 초고속 D램, '플래시볼트(Flashbolt)'를 출시하였으며, 기존 2세대 대비 속도와 용량이 각각 1.3배, 2.0배 향상된 16기가바이트(GB) 용량의 3세대 HBM2E (고대역폭 메모리, High Bandwidth Memory 2 Extended) D램 ,'아쿠아볼트(Aquabolt)'를 세계 최초로 개발해 업계에서 유일하게 양산한 지 2년만에 3세대 HBM2E D램 플래시볼트를 출시 차세대 프리미엄 메모리 시장 선점하기도 하였다.

 

 플래시볼트는 1개의 버퍼 칩 위에 16Gb D램 칩(10나노급) 8개를 쌓아 16GB 용량을 구현해 차세대 고객 시스템에서 최고용량, 최고속도, 초절전 등 최적의 솔루션을 제공한다. 삼성전자는 16Gb D램 칩에 5,600개 이상의 미세한 구멍을 뚫고 총 4만개 이상의 TSV 접합볼로 8개 칩을 수직 연결한 '초고집적 TSV 설계 기술'을 이 제품에 적용하였다.

 

 여기에 연산작업, 정보처리를 하는 CPU는 시스템 반도체를 '비메모리 반도체'라고 하는데 비메모리 반도체생산은 TSMC, 엔비디아, 퀄컴 등 대표적 기업이 있으며 세계반도체 시장의 점유율로 보면 메모리가 30%, 비메모리부문이 70% 로 시장이 형성되어있다.

 

 2023년 전 세계반도체 시장은 어떨까? 세계적인 소비 침체 속에 2023 세계경제 성장률 전망은 그리 밝지만은 않다. 최근 반도체 시장이 한겨울 한파와 같다고 누적 재고가 쌓이는현상이 보이는데 관련 기업들은 시장이 혹한기를 견뎌야 살아남을 수 있다며 자체 연구개발 투자를 진행하고 있다.

 

 우리나라도 삼성전자, SK하이닉스 등 한국 대표 반도체 기업은 D램, 낸드플래시와 같은 기존 주력 메모리 반도체뿐만 아니라 10~20년 앞을 내다보며 차세대 메모리 반도체 개발에 더 많은 자원을 투자하고 있다. D램, 낸드플래시가 한국 반도체 산업을 지탱하는 버팀목이 된 것처럼 머지않아 거대 인공지능(AI), 완전 자율주행 자동차 등에 필수적인 초고성능 메모리가 대세가 될 수 있기 때문이다. 

 

▲ 김진현 삼성전자 DS사업부 컴퓨팅 신사업그룹 수석( 삼성전자 캡쳐)

 그렇다면 삼성전자는 향후 어떻게 반도체 시장 세계 1위가 될것인가? 삼성전자 기술개발자들은 잠자는 시간까지 마다하며 고민하고 연구하고 있다고 한다. 차세대 혁신 메모리 반도체에 두뇌를 장착하는 프로세싱인메모리(PIM)를 개발중에 있다고 한다.

 

 프로세싱인메모리(PIM)는 생각하는 메모리로 삼성전자가 아니면 누구도 할 수 없다고 생각했으며, PIM이 메모리의 미래라는 신념이 있었기에 개발한다고 김진현 삼성전자 메모리사업부 컴퓨팅신사업그룹 수석은 12월 27일 조선비즈와 인터뷰에서 이렇게 말했다.

 

 삼성이 살아남을 차세대 메모리 반도체 프로세싱인메모리(Processing In Memory), 줄여서 ‘PIM’이라고 부르는 이 기술은 사실 1970년대부터 논의되던 개념이라고 한다. 현재 우리 주변에 존재하는 대다수의 컴퓨터, 스마트폰, 웨어러블 등의 전자기기는 ‘폰 노이만(von Neumann)’ 컴퓨팅 구조로 설계돼 있다. 폰 노이만 구조란 연산 기능을 담당하는 중앙처리정치(CPU)를 두뇌로, 그 밑에 임시저장장치인 메모리, 정보를 저장하는 스토리지 등 3개 계층으로 이뤄진 구조를 말한다. 컴퓨팅의 기본 개념을 정의한 폰 노이만 구조는 1945년대 처음 등장한 이후 약 70년 넘게 컴퓨터, 스마트폰, 데이터센터 등 기계연산이 필요한 모든 분야의 골격이 됐다.

 

 삼성은 불모지에서 찾아내는 반도체 맛을 본 세계적인 회사이다. 반도체 시장에서 1위를 하기 위해서는 생각하지못한 혁신을 유지해야 한다. 2023년 삼성의 구원투수로 등장한 것이 바로 PIM이다. PIM은 쉽게 말해 ‘지능을 갖춘 메모리’다. 단순히 데이터를 저장, 기억만 하던 메모리 반도체의 기능을 연산·추론으로 확대한 것이다. CPU 혼자서만 두뇌 역할을 하는 구조에서는 데이터를 처리할 때마다 ‘CPU-메모리-스토리지’ 단계를 오가야 하는 비효율성이 있지만, PIM 도입과 함께 ‘중앙집권형’ 연산 체계가 분권형으로 바뀌게 되어 데이터 처리의 효율성이 높아질 뿐 아니라 전력 효율성도 비약적으로 끌어올릴 수 있다.

 

▲ 반도체 계층구조 사진 ( 삼성전자 기사 캡쳐)

 

 학교에 비유하면, 기존 폰 노이만 컴퓨팅 구조에서는 교장(CPU)이 A라는 학생(데이터)을 찾기 위해 10명의 담임(D램)을 호출하고, 담임이 각각 흩어져 각 학급(스토리지)의 반장에게 A라는 학생을 찾아내도록 지시한다. 반장이 학급을 뒤져 A라는 학생을 찾아내면 담임에게 인계된 이후 교장과의 면담이 이뤄지는 곳으로 A를 안내한다. A라는 학생을 찾아내기까지 최소 3~4단계의 과정이 필요한 셈이다. 반면 PIM은 모든 프로세스가 분업된다. 교장과 거의 비슷한 권한을 가진 10명 부교장이 이미 각 학급에 배치돼 있기 때문에 단번에 A라는 학생을 찾아내 곧바로 면담이 가능한 공간으로 불러낼 수 있다.

 

 삼성전자는 오랜 기술 개발 끝에 지난해 세계 최대 반도체 학회인 ISSCC 2021에서 해당 기술을 적용한 고대역폭메모리(HBM)를 발표했다. 이후 최근에는 GPU를 PIM으로 전환해 이를 96개로 엮어 대형 컴퓨팅 시스템을 만드는 실험을 하기도 했다. 전 세계에 하나뿐인 대형 PIM으로 언어모델 알고리즘을 학습시켜본 결과 PIM을 사용하지 않았을 때보다 성능은 2.5배 상승했고 전력 소비는 2.67배 절감되는 효과를 보였다.

 

◇ ‘생각하는 AI’ - AI비서까지

 

 “PIM은 기존 메모리 제품의 속도를 높이는 가속기 수준이 아니라 응용기술을 확대하여 인간의 두뇌와 같은 ‘초거대 AI’ 모델을 저전력으로 구축할 것이며, 메모리가 연산하는 순간 기존에는 생각하지도 못했던 많은 일들을 처리하는 것으로 고대역폭메모리(HBM)에 먼저 적용한 PIM은 고성능컴퓨팅(HPC)이나 대형 IT기업의 데이터센터를 목표로 하고 향후에는 모바일, 그래픽, 자동차 등으로 확대하는 것으로 할것이다.

 

 

 PIM의 등장과 함께 메모리 반도체가 AI에 결합되기 시작하면서 AI 반도체 시장도 급격하게 성장하게 될 것이다. 얼어붙은 반도체 시장 대한민국 반도체 1번지 삼성전자가 해결할 것이다. 시장조사기관에 따르면 AI 반도체 시장 규모는 지난해 360억달러(약 45조원)에서 올해는550억달러(약 69조원)로 확대되고 오는 2025년에는 770억달러(약 97조원)까지 성장할 것으로 전망된다고 한다.