삼성전자, 초저전력 낸드플래시 원리 규명…전력 소모 최대 96% 절감

강유전체·산화물 반도체 결합 구조, 네이처 게재
사내 연구진 34명 공동 성과…셀당 5비트 고용량 가능성 확인

▲논문에 참여한 삼성전자 SAIT 연구진 (사진제공=삼성전자)

인공지능(AI) 확산으로 데이터 저장 수요가 급증하는 가운데 삼성전자가 기존 낸드플래시의 구조적 한계를 넘어서는 초저전력 메모리 기술을 세계 최초로 규명했다. 적층이 증가할수록 전력 소모가 커지는 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방향을 제시했다는 점에서 차세대 스토리지 기술 경쟁에서도 의미 있는 이정표를 세웠다는 평가다.

삼성전자는 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 새로운 낸드플래시 구조를 통해 셀 스트링(Cell String) 동작 시 전력 소모를 기존 대비 최대 96% 줄일 수 있는 메커니즘을 규명했다고 27일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 네이처(Nature)에 ‘Ferroelectric transistors for low-power NAND flash memory’라는 제목으로 게재됐다.

이번 연구는 삼성전자 SAIT와 반도체연구소 소속 연구진 34명이 공동 저자로 참여한 순수 사내 연구 성과다. 외부 연구기관이나 학계와의 공동 연구가 아닌 내부 기술력만으로 세계 최고 권위 학술지에 논문을 게재했다는 점에서도 상징성이 크다.

기존 낸드플래시는 셀에 전자를 주입해 정보를 저장하는 구조다. 저장 용량을 늘리기 위해 셀을 수직으로 쌓는 적층 방식이 사용되지만, 직렬로 연결된 셀 스트링 구조 특성상 적층 수가 증가할수록 읽기·쓰기 과정에서 소모되는 전력이 커지는 문제가 있었다. 고용량 스토리지를 구현할수록 전력 효율이 나빠지는 구조적 딜레마였다.

삼성전자 연구진은 이 한계를 돌파하기 위해 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 새로운 트랜지스터 구조를 설계했다. 강유전체는 자발적인 분극 변화를 통해 정보를 저장할 수 있는 물질이고, 산화물 반도체는 누설전류가 적어 저전력 구동에 유리한 특성을 갖는다.

특히 기존 고성능 소자에서는 약점으로 여겨졌던 산화물 반도체의 문턱 전압 제어 특성이 강유전체 소자 구조와 결합되면서, 역설적으로 셀 스트링 구동 전력을 획기적으로 줄이는 핵심 요소로 작용했다. 연구진은 이 조합을 통해 고적층 환경에서도 전력 소모가 급증하지 않는 구조적 해법을 제시했다.

이번 연구에서는 전력 효율 개선뿐 아니라 고용량 구현 가능성도 확인됐다. 연구진은 셀당 5비트(bit) 저장이 가능한 고다중화 구조에서도 기존 대비 낮은 전력 소모를 구현할 수 있음을 실험적으로 입증했다. 이는 현재 상용 기술 최고 수준과 맞먹는 고용량을 유지하면서도 전력 효율을 획기적으로 개선할 수 있다는 의미다.

기존에는 적층 수와 셀당 비트 수를 늘릴 경우 전력 효율 저하가 불가피했지만, 삼성전자의 이번 연구는 이 상충관계를 구조적으로 뒤집었다는 점에서 차세대 낸드플래시 기술 패러다임 전환 가능성을 보여줬다는 평가다.

해당 기술이 상용화될 경우 활용 범위는 데이터센터부터 모바일, 엣지 AI 기기까지 폭넓게 확산될 전망이다. AI 데이터센터의 경우 저장장치 전력 소모를 줄이면 전체 운영 비용 절감과 탄소 배출 저감에 기여할 수 있다. 스마트폰·웨어러블 등 모바일 기기에서는 배터리 사용 시간을 크게 늘릴 수 있는 기반 기술로 활용될 가능성이 크다.

이번 연구의 제1저자인 유시정 삼성전자 SAIT 연구원은 “초저전력 낸드플래시 구현 가능성을 실질적으로 확인한 점에서 의미가 크다”며 “AI 시대에 스토리지의 역할이 점점 중요해지는 만큼, 향후 제품 적용을 목표로 후속 연구를 지속할 계획”이라고 말했다.