데이터 주도 시대 AI 및 차세대 오토모티브 최적화 칩 ‘eMRAM’의 기초 이론

현시대를 정의할 때 빼놓을 수 없는 한 단어가 있다면 바로 데이터다. 전 세계에서 생성되는 데이터의 양은 매년 기하급수적으로 커지고 있다. AI, 엣지 컴퓨팅, 자율 주행 기술과 같은 새로운 응용처의 등장은 이를 가속화한다. 이에 맞추어 업계 전반에서 고성능·저전력·저비용 반도체 칩 개발 및 안정적 공급에 대한 요구가 높아지는 가운데 eMRAM은 성능, 비용, 신뢰성 관점에서 최적의 솔루션을 제공할 수 있는 차세대 제품으로 주목받고 있다.

eMRAM (embedded Magnetic Random Access Memory)은 내장형 MRAM으로 자성체 소자를 이용한 비휘발성 메모리다. 마이크로 컨트롤러, 시스템온칩(SoC) 등 시스템 반도체 및 프로세서에 통합되어 기능한다. 지난 테크 아티클 「‘업계 최고 에너지 효율’ 차세대 MRAM 개발, IEDM 하이라이트 논문으로 선정」에서 스위칭 효율 향상과 MTJ 크기 미세화를 중심으로 MRAM의 고성능, 고집적도, 최고 에너지 효율을 달성한 삼성전자의 기술 혁신 및 향후 eMRAM 포트폴리오 확대 계획에 대해 살펴보았다. 이번 아티클에서는 MRAM의 기초 이론을 통해 eMRAM에 대해 상세히 알아보기로 한다.

 

DRAM과 MRAM, 무엇이 다를까?

기존 DRAM은 칩 크기 축소(Shrink) 기술을 통해 집적도를 높이고, 대역폭 향상으로 동작 속도를 개선하며, 모바일 기기가 일반화되면서 저전력 트렌드를 추구하며 발전을 거듭해 왔다. 하지만 전하 축적 기반 메모리인 DRAM은 단점이 있다. 시간이 지남에 따라 손실된 전하 보충을 위해 동작하지 않는 순간에도 지속적인 리프레시(Refresh) 동작이 이뤄져 대기 전력 소모가 불가피하다. 또한, 집적도가 높아질수록 셀 간 간섭현상이 심화되어 미세 공정을 고도화하는 데 제한이 있다. 반면, MRAM은 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)의 유닛 셀(Unit cell) 저항 변화에 기반한 메모리다. 전하 대신 ‘스핀’을 이용하기 때문에 영구적 수준으로 데이터 보존이 가능하며, 대기전력을 사용하지 않아 디바이스 및 인프라의 총 전력 소비를 낮춰 높은 에너지 운영 효율성을 자랑한다.

 

MTJ란? 장점과 개선점

MTJ는 MRAM 동작 원리의 핵심이다. MTJ는 두 개의 강자성 금속층(Ferromagnetic Layer) 사이에 터널 장벽(Tunnel Barrier)으로 사용되는 절연막이 삽입된 3중 구조로 구성된다. 두 강자성 금속층 중 하나는 자화 방향 조절이 가능한 자유층(Free Layer)이고, 다른 하나는 자화 방향이 고정된 고정층(Pinned Layer)이다.

*강자성: 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적 성질

즉, MTJ는 자유층과 고정층의 상대적 자화 방향에 따라 소자 저항이 달라지며, MRAM의 Read와 Write는 이같이 변화하는 저항값을 이용한다. 이 두 개 자성층의 자화 방향이 ‘평행 (Parallel)’이면 낮은 저항값을, 반대로 자화 방향이 ‘반평행(Antiparallel)’이면 높은 저항값을 가진다. 이진법으로 표현되는 로직 ‘0’과 ‘1’은 이러한 저항값에 의해 결정된다.

초기 MTJ는 DRAM과 마찬가지로 집적도가 높아지면서 셀 간의 거리가 가까워져 이로 인한 간섭 현상과 자기장의 영향으로 인한 오차 발생이라는 단점이 있었다. 이러한 초기 단계의 문제를 개선한 방식이 스핀전달토크 (Spin Transfer Torque, STT), 즉 전류 유도 스위칭이다.

기존 MRAM 방식은 전류를 기반으로 자기장을 발생시켜 자유층의 방향을 전환했지만, STT 방식은 MTJ에 직접 전류를 통하게 해 자유층의 자화 방향을 전환한다. 이 방식은 셀 사이의 간섭 현상을 극복해 집적화의 기술 한계를 극복하는 솔루션이다. 해당 기술을 채용해 eMRAM 기술 고도화를 진행 중인 삼성전자는 파운드리 분야에서 eMRAM을 가장 에너지 효율이 높은 주요 제품으로 만들어 고객에게 공급하고 있다. 이를 통해 ‘고객을 통해 인류의 삶을 쉽고 편하게 만드는 데 기여한다’는 미션을 지속적으로 실현할 것이다.

NVM (Non-volatile memory) : 비휘발성 메모리.

데이터 주도 시대 AI 및 차세대 오토모티브 최적화 칩 ‘eMRAM’의 기초 이론 | 삼성반도체 (samsung.com)

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