낸드 적층 기술 경쟁...내년 400단, 2027년 1000단 쌓는다

AI 시장 성장으로 서버 투자 다시 활발

인공지능(AI) 시장 성장으로 빅테크 기업들의 서버 구축이 다시 활발해지면서 고용량 낸드플래시 수요 또한 높아지고 있다. 메모리 업계에서 고용량 고성능 낸드를 공급하기 위한 적층 경쟁이 다시 불붙으면서 내년 400단, 2027년에는 1000단 낸드 시대가 열릴 전망이다. 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론을 중심으로 낸드 적층 기술 경쟁을 하고 있는 가운데 최근엔 키옥시아까지 가세했다.

삼성전자의 1Tb TLC 9세대 낸드(사진=삼성전자)

낸드는 셀을 수직으로 여러 층을 쌓아서 저장 용량을 늘리는 기술로, 한 공간에 고층 아파트를 지어 더 많은 사람들을 수용하는 방식에 비유할 수 있다. 삼성전자가 2013년 낸드를 수직으로 쌓아 올린 뒤, 평면 단의 3차원 공간에 구멍을 뚫어 각 층을 연결하는 23단 'V낸드'를 처음 개발하면서 업체간 적층 경쟁을 본격화했다. 이후 삼성전자는 100단 이상 6세대 V낸드까지 세계 최초로 선보이며 시장을 선도해왔다.

삼성전자는 1000단 적층에서도 세계 최초를 목표로 한다. 삼성전자는 2022년 삼성 테크데이에서 “2030년까지 1000단 V낸드 개발을 목표로 한다”고 로드맵을 처음 공개했다. 이어 지난해 10월 ‘삼성 메모리 테크 데이 2023’에서는 “셀의 평면적과 높이를 감소시켜 체적을 줄이고, 단수를 높이는 핵심 기술인 채널 홀 에칭으로 1000단 V낸드 시대를 준비해 나가겠다”며 계획에 변경이 없음을 강조했다.

그러나 지난달 키옥시아는 웨스턴디지털과 협력해 삼성전자 보다 3년 앞선 2027년 1000단 낸드를 출시한다는 목표를 발표하면서 세계 최초 1000단 타이틀을 누가 차지할지에 주목된다.

아울러 키옥시아는 지난 1일 최첨단 낸드를 생산하는 이와테현 기타카미 공장 'K2'를 완공하고 내년 가을부터 가동을 시작한다고 발표했다. 키옥시아는 낸드 시황이 회복세로 돌아섬에 따라 첨단 낸드 생산에 다시 속도를 내고 있는 것으로 보인다. 지난해 키옥시아는 218단 3D 낸드 양산에 성공했다.

현재 시장에 출시된 낸드의 최대 적층수는 290단이다. 삼성전자는 지난 4월 290단 1테라비트(Tb) TLC(트리플레벨셀) 9세대 V낸드 양산을 시작했으며, 올 4분에는 첨단 기술인 QLC(쿼드레벨셀) 9세대 V낸드를 양산한다. 시장조사업체 테크인사이츠에 따르면 삼성전자는 내년 하반기 430단 10세대 V낸드를 양산하면서 400단대에 진입할 예정이다.

1개 셀에 1비트를 담으면 SLC(싱글레벨셀)이고 2비트를 담으면 MLC(멀티레벨셀), 3비트를 저장하면 TLC, 4비트는 QLC이다. QLC는 1개의 셀에 더 많은 정보를 저장하는 만큼 같은 면적에서도 더 큰 용량을 지원한다.

SK하이닉스, 321단 낸드 (사진=SK하이닉스)

SK하이닉스도 낸드 초격차를 위한 기술 개발에 한창이다. SK하이닉스는 지난해 상반기 238단 TLC낸드를 양산했다. 이어 같은해 8월 ‘플래시 메모리 서밋(FMS) 2023’에서 세계 최고층 321단 TLC 4D 낸드플래시 메모리 샘플을 공개하며 업계 최초로 내년 상반기 300단 이상 낸드플래시 메모리 양산을 예고했다. SK하이닉스는 또한 400단 낸드 기술 개발에도 돌입해 내년 하반기 양산을 목표로 한다.

미국 마이크론은 지난달 30일 276단 TLC 9세대(G9) 3D 낸드로 만든 첫 2650 클라이언트 SSD를 발표하며 국내 메모리 업체를 추격 중이다. 마이크론도 내년에 400단 낸드를 출시한다는 목표다. 앞서 마이크론은 2022년 7월 232단 TLC 낸드를 양산하며 선두 업체인 삼성전자를 앞지르고 200단 낸드를 처음으로 출시했다는 점에서 주목을 받았다.

마이크론 276단 TLC G9 낸드(사진=마이크론)

다만, 단순히 적층 수가 많다고 기술 우위라고 볼 수 없다는 것이 업계의 의견이다.

낸드 적층 기술은 가장 아래에 있는 셀과 맨 위층에 있는 셀을 하나의 묶음(구멍 1개)으로 만든 싱글 스택, 묶음 두 개를 하나로 합친 더블 스택, 묵음 3개를 하나로 합친 트리플 스택으로 나뉜다. 스택 수가 적을수록 원가경쟁력 측면에서 더 우수하다.

마이크론과 SK하이닉스는 72단부터 '더블 스택'을 활용해 적층을 쌓았지만 삼성전자는 '싱글 스택'을 사용하다 176단 7세대 V낸드부터 '더블 스택'으로 전환했다.

삼성전자는 올해 290단 V9 낸드에서 300단에 가까운 단수를 쌓으면서도 ‘더블 스택’ 방식을 유지했다는 점에서 경쟁력을 확보했다. SK하이닉스, 마이크론 등은 트리플 스택으로 300단 초반대 제품을 내년 양산한다는 점과 대비된다. 업계에서는 400단 낸드부터는 삼성전자 또한 트리플 스택 도입이 불가피할 것으로 전망한다.

한편, 시장조사업체 트렌드포스는 지난달 보고서에서 전세계 낸드 매출은 서버 수요 회복에 힘입어 올해 647억 달러로 전년 보다 77% 증가하고, 내년에는 올해 보다 29% 증가한 870억 달러로 증가할 것으로 전망했다.

올해 1분기 기준으로 낸드 시장 점유율은 1위 삼성전자(36.7%), 2위 SK하이닉스·솔리다임(22.2%), 3위 키옥시아(12.4%), 4위 마이크론(11.7%), 5위 웨스턴디지털(11.6%) 순으로 차지했다.