삼성, 초저전력 낸드 세계 최초 규명 … 네이처가 인정한 메모리 기술력

삼성전자가 개발한 초저전력 낸드플래시 기술이 세계적인 학술지 네이처(Nature)에 소개되며 메모리 1등 기술력을 다시 한번 입증했다.

27일 삼성전자 뉴스룸에 따르면 삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology)와 반도체연구소 소속 연구진 34명이 공동 저자로 참여한 초저전력 낸드플래시 기술이 세계적인 학술지 네이처에 'Ferroelectric transistors for low-power NAND flash memory(저전력 낸드 플래시 메모리용 강유전체 트랜지스터)'라는 제목으로 게재되며 기술적 완성도와 혁신성을 인정받았다.

AI 기술이 고도화할수록 더 많은 데이터를 저장하고 실시간으로 처리해야 하는 스토리지의 중요성은 점점 커지고 있다. 스토리지에 요구되는 용량과 효율은 지속적으로 높아지고 있지만 기존 낸드플래시는 적층이 늘어날수록 전력 소모가 증가하는 구조적 한계를 안고 있었다.

삼성전자 SAIT가 이번에 공개한 연구는 이런 한계를 넘어설 새로운 방향을 제시한다. 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 새로운 낸드플래시 구조를 통해 셀 스트링(Cell String) 동작 과정에서 기존 대비 최대 96%까지 전력 소모를 줄일 수 있는 가능성이 확인된 것이다. 셀 스트링 동작은  낸드플래시에서 여러 셀이 직렬로 연결된 구조를 통해 데이터를 읽고 쓰는 방식을 의미한다.

이번 연구는 삼성전자 SAIT와 반도체연구소 소속 연구진 34명이 공동 저자로 참여한 순수 사내 연구개발 성과라는 점에서도 의미가 크다.

기존 낸드플래시는 셀 안에 전자를 주입해 데이터를 저장한다. 용량을 확대하기 위해서는 셀을 직렬로 쌓아 올리는 적층 증가가 필수적이지만 셀들이 순차적으로 신호를 전달하는 구조적 특성 때문에 적층 수가 많아질수록 읽기·쓰기 과정에서의 전력 소모도 함께 커지는 문제가 있었다. 강유전체 기반 차세대 낸드플래시에 대한 다양한 연구가 제시됐지만 용량 확장과 전력 효율 저하 사이의 상충관계는 여전히 풀리지 않은 과제로 남아 있었다.

SAIT 연구진은 이 문제의 단서를 산화물 반도체의 고유한 특성에서 찾았다. 그동안 문턱 전압 제어 한계 탓에 고성능 소자에서 약점으로 여겨졌던 이 특성이, 강유전체 기반 낸드플래시 구조에서는 오히려 전력 소모를 현저히 낮출 수 있는 긍정적 요소로 작용할 수 있다는 점을 발견한 것이다.

연구진은 산화물 반도체의 특성을 강유전체 기반 낸드플래시와 결합해 기존 대비 셀 스트링 동작 전력 소모를 최대 96%까지 절감할 수 있는 핵심 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 이 과정에서 현재 가능한 최고 수준인 셀당 5비트(bit) 고용량을 유지하면서도 전력 소모를 줄일 수 있다는 가능성도 함께 입증했다.

기존 낸드플래시 구조에서 한계로 받아들여졌던 요소들이 물질 연구와 구조적 이해를 통해 새로운 가능성으로 전환된 셈이다.

이 기술이 실제 제품에 적용되면 대규모 AI 데이터센터는 물론 모바일, 엣지 AI 기기까지 전반적인 시스템 전력 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 전망된다. 전력 소모가 감소하면 데이터센터의 운영비 절감 효과를 기대할 수 있고 모바일 기기에서는 배터리 사용 시간이 더 늘어날 수 있다.

이번 연구의 제1저자인 유시정 삼성전자 SAIT 연구원은 "초저전력 낸드플래시의 구현 가능성을 실험적으로 확인하게 돼 뜻깊다"며 "AI 시대에 스토리지의 중요성이 더 커지고 있는 만큼 제품화로 이어질 수 있도록 후속 연구를 이어갈 것"이라고 말했다.