관련 통계자료 다운로드 트랜지스터 D램의 전기적 구성도
시스템 제조업체들은 제품의 디자인과 성능을 최적화하고 비용을 최소화하기 위해 임베디드(내장형) D램 기술을 사용한다. 임베디드 D램은 고객별 전용 제품이나 특정용도범용제품(ASSP:Application Specific Standard Product)에 모두 채용된다.
고도로 복잡하고 고객별로 전문화된 제품의 설계를 위한 임베디드 D램은 주로 통신 인프라와 고성능 정보처리 시스템을 포함하는 여러 가지 응용 제품에 사용된다. 그런데 임베디드 D램을 채용하려면 D램의 블록 외에 디자인이 사용자의 목적에 부합하도록 하는 다른 기능이 있어야 한다. 현재 사용되는 주요 추가기능은 SRAM(Static Random Access Memory·S램)과 같은 메모리지만 최근에는 여기에 아날로그-디지털 변환기(ADC:Analog-to-Digital Converter)나 디지털-아날로그 변환기(DAC:Digital-to-Analog Converter)와 같은 아날로그 기능을 추가해야 할 필요성이 점차 높아지고 있다.
임베디드 D램 제품이 등장한 지가 거의 10년이 되지만 많은 전문가들이 초기에 예상한 규모의 시장이 아직 형성되지 않고 있다. 이처럼 특정용도 임베디드 D램의 수요가 기대만큼 확대되지 않는 주요 이유는 구조가 복잡한 특정용도 플래시 메모리와 마찬가지로 기존 메모리 제품이나 일반 논리 소자와 호환성이 없기 때문이다. 이런 비호환성 문제가 해결된다 하더라도 임베디드 D램은 앞으로 단일 칩으로 구성되는 PC 등의 메인 메모리로 채용될 가능성은 거의 없다. 따라서 시스템 차원의 설계 밀도의 한계가 이 시장 성장의 커다란 걸림돌이 될 것으로 보인다.
반도체 메모리에는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 등 두 종류가 있는데 D램은 S램과 함께 휘발성 메모리 범주에 속한다. 단일 트랜지스터 메모리 셀인 D램은 그 커패시터의 충전상태를 지속시키기 위해 전력을 계속 공급해야 한다. 이에 비해 비휘발성 메모리는 충전상태를 지속시키기 위해 전력을 지속적으로 공급할 필요가 없다. 비휘발성 메모리는 1회 마스크 프로그래밍, 1회 전기적 프로그래밍, 반복 전기적 프로그래밍 등 다양한 방식으로 프로그래밍할 수 있다. 또 전기적으로 프로그래밍이 가능한 메모리 중 어느 것은 비트 또는 블록 단위에서 프로그래밍이 가능하다. 휘발성 메모리와 달리 비휘발성 제품은 메모리 위치를 제한시킬 수 있다. 그러나 대부분의 경우 비휘발성 메모리는 휘발성 제품보다 처리속도가 느린 것이 약점이다.
메모리의 여러가지 기능은 시스템 설계에 내장할 수 있으며 각종 S램은 거의 모든 시스템에 내장돼 있다. 하지만 마스크 롬(ROM:Read Only Memory)은 유연성이 없어서 내장해 사용하는 경우가 별로 없다.
D램 셀의 커패시터에는 기본적으로 스택(stack) 방식 커패시터와 트렌치(trench) 방식 커패시터 등 두 가지가 있다. 원래 메모리 구조는 스택 커패시터로 돼 있었는데 이것은 트렌치 커패시터 구조에 비해 공정이 단순하다. 이에 비해 트렌치 커패시터 구조의 장점은 셀 크기가 스택 커패시터 구조보다 작다는 것이다. 이 때문에 당분간은 스택 커패시터 메모리 구조가 범용 D램 시장을 지배하는 한편 트렌치 방식 커패시터도 기반을 착실히 다져 나갈 것으로 보인다. 내장형 D램의 경우 스택과 트렌치 커패시터 구조 모두 시장이 성장하겠지만 앞으로 3, 4년 후면 트렌치 커패시터 구조가 우세할 것으로 보인다. 스택 커패시터 구조 제품의 성장을 부추기는 요인은 트렌치 커패시터에 비해 생산 공정이 단순하다는 것이다.
D램 메모리 블록을 내장하는 기술은 약 5년 전에 등장한 것으로 초기에는 주로 트렌치 커패시터 구조를 채용했다. D램 블록의 내장과 관련해 가장 큰 어려움은 D램과 종전의 논리소자와의 비호환성 문제다. D램 블록을 내장하는 데 트렌치 커패시터 구조를 주로 사용한 것은 시스템 설계를 위한 셀의 소형화가 가능하고 정상적인 분리 처리과정에서 커패시터의 일부를 형성할 수 있기 때문이었다. 그러나 최근 LSI로직과 같은 주요 반도체 업체들이 스택 커패시터 구조를 개발하기 시작했다.
임베디드 D램의 주요 수요분야는 정보처리(EDP:Electronic Data Processing) 시스템, 유·무선 통신장비, 가전, 산업 전자기기, 군사, 자동차 등 6개 부문이다. 이 중 통신부문 수요가 가장 많고 그 다음은 정보처리 시스템 부문이다. 앞으로 5년 동안 통신부문의 임베디드 D램 매출은 전체의 3분의 2 이상이 되고 정보처리 시스템 부문은 25%를 차지할 것으로 보인다. 임베디드 D램의 세계 전체 시장 규모는 작년 9500만 달러에서 오는 2006년에는 약 2억5000만 달러로 성장할 것으로 전망된다.
대부분의 임베디드 D램 공급 업체들은 동시에 사용업체이기도 하다. 주요 사용 업체는 시스코시스템스, 루슨트테크놀로지스, 노텔네트웍스, PMC-시에라(Sierra), 스리콤, 알카텔, AT&T, 에릭슨, 제너럴일렉트릭(GE), 휴렛패커드(HP), 히타치, IBM, 모토로라, NEC, 노키아, 파나소닉, 필립스, 퀄컴, 레이시온(Raytheon), 지멘스, 소니, 선마이크로시스템스, 도시바 등이다. 또 주요 공급업체는 IBM, LSI로직, 텍사스인스트루먼츠, 삼성전자, 후지쯔, 오키전기, 도시바, 인피니온, UMC 등이다.
◆임베디드 D램 기능별 분류
D램은 기능적으로 아날로그 방식, 논리 방식, 혼합신호 방식 등 세 종류로 분류할 수 있다.
하지만 D램은 그 자체가 디지털기술에 기반한 것이므로 여기에서 아날로그 방식은 제외되기 때문에 임베디드D램에는 실제로 논리 방식과 혼합신호 방식만이 있는 셈이다. 임베디드 D램의 보완적 기능은 논리, 메모리, 아날로그 등 세 부류로 나눌 수 있고 이들은 다시 내장된 기능에 따라 다음과 같이 세분할 수 있다.
△논리 기능=마이크로프로세서(MPU:MicroProcessing Unit)/마이크로컨트롤러(MCU:Micro Controller Unit), 주변장치 제어 인터페이스(PCI:Peripheral Control Interface), 초소형 연산처리 장치(MPU:Micro Processing Unit)/디지털 신호처리기(DSP:Digital Signal Processor), USB(Universal Serial Bus), 이더넷/SONET/기타
△메모리 기능=S램, 플래시(flash), 마스크 ROM(mask ROM)
△아날로그 기능=ADC/DAC, 운용 증폭기(operational amplifier), 비교기(comparator), 발진기(oscillator)
임베디드 D램의 보완기능에 가장 많이 사용되는 내장형 논리 제품은 DSP고 그 다음이 이더넷, SONET을 포함하는 각종 통신 프로토콜이다. 이것은 통신 이외의 다른 내장형 제품 분야와는 다른 현상인데 이는 주로 ARM, MIPS, 파워PC와 같은 내장형 마이크로프로세서들이 다른 분야에서 널리 채용되고 있기 때문이다.
또 하나의 주요 현상은 임베디드 D램의 유연성이 더 높아서 재프로그래밍과 재구성이 가능해야 한다는 것이다. 다시 말하면 앞으로 제품을 설계하는 데는 소프트웨어의 재프로그래밍을 위해 S램과 플래시 메모리가 필요할 뿐 아니라 시스템과 사용 현장의 논리 재구성을 위한 내장된 FPGA(Field Programmable Gate Array)나 CPLD(Complex Programmable Logic Device)가 필요하다는 것이다.
내장된 메모리 기능 관점에서 볼 때 S램은 거의 모든 임베디드 D램 설계뿐 아니라 대부분의 다른 반(半) 맞춤 설계에 포함되기 때문에 가장 주류를 이루는 기능 제품이다. 임베디드 S램 부문에서 가장 보편적으로 채용되는 구조는 2중 및 다중 포트와 FIFO(First-In-First-Out)형태다. 반도체 부문에서는 논리소자와 아날로그 기능 제품에 비해 메모리가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 주요 내장형 메모리 중에서는 플래시 메모리만이 계속 새로운 설계에 사용될 것으로 보인다.
현재와 마찬가지로 앞으로 내장형 메모리 시장의 성장을 주도할 제품은 몇 십 또는 몇 백 메가비트(Mb)의 메모리 제품이 아닐 것으로 예상된다. 작년의 경우 구조가 복잡한 임베디드 D램의 평균 집적도가 약 2Mb이었다는 사실이 이를 뒷받침해 주고 있다. 앞으로 5년 동안 임베디드 D램의 평균 집적도는 4Mb가 될 것으로 보인다.
임베디드 D램의 디자인은 셀기반의 설계가 주류를 이루는 반면 아날로그 기능이 결합된 혼합 신호설계는 그리 많지 않을 것으로 전망된다. 혼합 신호 또는 아날로그 기능을 가진 제품의 채용이 서서히 이루어지는 주요 이유는 D램과 아날로그 제품의 처리과정 차이 때문이며 그보다 더 중요한 것은 다른 논리 기능이 설계에 내장되기 때문이다.
하지만 앞으로 내장형 FPGA와 같은 다른 내장형 제품에 비해 혼합 신호 제품이 많이 채용될 것이다. 아날로그 프로그램 가능 제품을 포함해 내장할 수 있는 아날로그 제품은 다양하지만 그 중에서도 아날로그-디지털 변환기/디지털-아날로그 변환기(ADC/DAC), 운용 증폭기, 비교기 등이 성장을 주도할 것으로 보인다.
<정리 : 이규태기자 ktlee@etnews.co.kr> <마인드브랜치자료 : 자료문의 문덕대 마인드브랜치 아시아퍼시픽 대표 dougm@mindbranch.co.kr>