고성능 반도체와 이미지칩, 이를 담는 모듈...

삼성전자 화성 사업장. <사진=삼성전자 제공>
▲ 삼성전자 화성 사업장. <사진=삼성전자 제공>

[폴리뉴스 안희민 기자]코로나19로 인해 실적이 악화될 것이라는 예상을 뒤엎고 삼성전자가 1분기에 전년 동기 대비 매출과 영업이익 신장세를 시현했다. 재택 근무 확산으로 서버용 반도체 수요가 늘 것이라는 예측은 있었지만 ‘선방’하리라곤 기대 못했다. 삼성전자가 코로나19 정국을 극복하게 만든 1등 공신들을 8일 살펴봤다.

512GB eUFS 3.1, 기존 대비 3배속 스마트폰 내장 메모리

삼성전자는 업계에서 유일하게 연속 쓰기 속도가 초당 1200MB인 스마트폰 내장 메모리 512GB eUFS 3.1을 세계 최초로 개발해 양산 중이다. '512GB eUFS 3.1'은 기존 512GB eUFS 3.0 보다 약 3배 빠른 연속 쓰기 속도로 영화 1편을 약 4초만에 저장할 수 있다.

이 제품의 연속 읽기 속도는 2,100MB/s, 임의 읽기와 임의 쓰기 속도는 각각 100,000 IOPS(Input/Output Operations Per Second), 70,000 IOPS로 기존 'eUFS 3.0' 제품보다 성능을 향상했다.

스마트폰에 '512GB eUFS 3.1' 메모리를 탑재하면 8K 초고화질 영상이나 수백장의 고용량 사진도 빠르게 저장할 수 있어 소비자가 울트라 슬림 노트북 수준의 편의성을 체감할 수 있다. 또, 100GB의 데이터를 새 스마트폰으로 옮길 때 기존 eUFS 3.0 메모리 탑재폰은 4분 이상 시간이 걸렸지만, eUFS 3.1 탑재폰은 약 1분 30초면 충분하다. 이 제품은 512GB, 256GB, 128GB 세가지 용량이 있다.

삼성전자의 eUFS 512GB UFS 3.1  <사진=삼성전자 제공>
▲ 삼성전자의 eUFS 512GB UFS 3.1  <사진=삼성전자 제공>

16GB LPDDR5, 역대 최고 속도·최대 용량

삼성전자가 생산하는 16GB(기가바이트) LPDDR5 모바일 D램은 역대 최고 속도·최대 용량이다. LPDDR은 Low Power Double Data Rate의 약자다.

삼성전자는 작년 7월 12GB LPDDR5 모바일 D램을 세계 최초로 출시한 데 이어 5개월 만에 업계 유일 16GB 모바일 D램을 양산해 기염을 토했다. 16GB 모바일 D램 패키지는 2세대 10나노급(1y) 12Gb 칩 8개와 8Gb 칩 4개가 탑재됐다.

또 하이엔드 스마트폰용 모바일 D램(LPDDR4X, 4,266Mb/s)보다 약 1.3배 빠른 5,500Mb/s의 속도를 구현해 풀HD급 영화(5GB) 약 9편 용량인 44GB의 데이터를 1초 만에 처리할 수 있다. 기존 8GB LPDDR4X 패키지 대비 용량은 2배 높이면서 소비전력을 20% 이상 줄였다.

특히 16GB D램은 전문가용 노트북 및 게이밍 PC에 주로 탑재되는 8GB D램보다 용량이 2배나 높아 서바이벌 슈팅게임을 할 때 멀리 있는 대상을 더 빠르게 보고 반응할 수 있게 하는 등 플래그십 스마트폰으로 콘솔게임 수준의 게임성능을 느낄 수 있게 한다. 소비자가 8K급 UHD 초고해상도의 미러링 VR 게임을 할 때도 선명한 화질로 캐릭터를 움직일 수 있어 더욱 실감나는 영상을 즐기도록 돕는다.

삼성전자의 LPDDR5 16GB <사진=삼성전자 제공>
▲ 삼성전자의 LPDDR5 16GB <사진=삼성전자 제공>

속도 1.3배·용량 2배 향상된 3세대 16GB HBM2E D램 '플래시볼트’

플래시볼트는 삼성전자가 차세대 슈퍼컴퓨터(HPC)와 인공지능(AI) 기반 초고속 데이터 분석에 활용될 수 있는 초고속 D램이다. 16기가바이트(GB) 용량의 3세대 HBM2E D램으로 기존 2세대 대비 속도와 용량이 각각 1.3배, 2.0배 향상됐다. HBM2E는 고대역폭 메모리를 의미하며 High Bandwidth Memory 2 Extended의 약자다. HBM은 고대역폭 메모리로, TSV 기술을 적용해 기존의 금선을 이용한 일반 D램 패키지에 비해 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올린 제품이다.

삼성전자는 2세대 8GB HBM2 D램 '아쿠아볼트(Aquabolt)'를 세계 최초로 개발해 업계에서 유일하게 양산한 지 2년 만에 3세대 HBM2E D램 '플래시볼트'를 출시하며 차세대 프리미엄 메모리 시장을 석권하고 있다.

'플래시볼트'는 1개의 버퍼 칩 위에 16기가비트(Gb) D램 칩(10나노급) 8개를 쌓아 16GB 용량을 구현해 차세대 고객 시스템에서 최고용량, 최고속도, 초절전 등 최적의 솔루션을 제공한다.

삼성전자는 16Gb D램 칩에 5,600개 이상의 미세한 구멍을 뚫고 총 4만개 이상의 TSV 접합볼로 8개 칩을 수직 연결한 '초고집적 TSV 설계 기술'을 이 제품에 적용했다.

특히 이 제품은 '신호전송 최적화 회로 설계'를 활용해 총 1,024개의 데이터 전달 통로에서 초당 3.2기가비트의 속도로 410기가바이트의 데이터를 처리한다. 풀HD(5기가바이트) 영화 82편을 1초에 전달할 수 있는 수준이다.

삼성전자는 2020년 이 제품을 양산해 기존 인공지능 기반 초고속 데이터 분석과 고성능 그래픽 시스템을 개선하고 슈퍼컴퓨터의 성능 한계를 극복해 차세대 고성능 시스템 적기 개발에 기여할 계획이다. 이 제품은 또 세계최초로 초당 4.2기가비트까지 데이터 전달 속도 특성을 확보해 향후 특정 분야의 차세대 시스템에서는 538기가바이트를 1초에 처리할 수 있을 것으로 전망된다. 2세대 제품과 비교할 경우 초당 데이터 처리 속도가 1.75배 이상 향상되는 것이다.

삼성전자의 HBM 플래쉬볼트 <사진=삼성전자 제공>
▲ 삼성전자의 HBM 플래쉬볼트 <사진=삼성전자 제공>

삼성전자, D램에 EUV 첫 적용…고객사에 모듈 100만개 공급

삼성전자는 EUV 공정을 적용해 생산한 1세대(1x) 10나노급 DDR4 D램 모듈 100만개 이상을 공급하고 있다.

EUV 노광 기술을 적용하면 회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티 패터닝(Multi-Patterning) 공정을 줄이면서 패터닝 정확도를 높이게 되어 성능과 수율을 향상시키고 제품 개발 기간을 단축할 수 있는 장점이 있다.

삼성전자는 현재 EUV 공정으로 14나노 초반대 '4세대 10나노급(1a) D램 양산 기술'을 개발하고 있으며, 향후 차세대 제품의 품질과 수율도 기존 공정 제품 이상으로 향상시킬 예정이다.

EUV를 이용해 만든 4세대 10나노급(1a) D램은 1세대 10나노급(1x) D램보다도 12인치 웨이퍼당 생산성을 2배 높여 사업 경쟁력을 더욱 강화할 수 있게 됐다.

삼성전자는 내년에 성능과 용량을 더욱 높인 4세대 10나노급(1a) D램(DDR5, LPDDR5)을 양산하고 5세대, 6세대 D램도 선행 개발해 프리미엄 메모리 시장에서의 기술 리더십을 더욱 강화해 나간다는 전략이다.

삼성전자는 내년부터 DDR5/LPDDR5 D램 시장의 본격 확대에 맞춰 글로벌 IT 고객과 기술협력을 강화하고 업체간 다양한 표준화 활동을 추진해, 차세대 시스템에서 신제품 탑재 비중을 지속적으로 높여 나갈 예정이다. 올해 하반기 평택 신규 라인을 가동함으로써 증가하는 차세대 프리미엄 D램 수요에 안정적으로 대응할 수 있는 양산 체제를 구축할 계획이다.

삼성전자의 10나노급 DDR4 D램 모듈 <사진=삼성전자 제공>
▲ 삼성전자의 10나노급 DDR4 D램 모듈 <사진=삼성전자 제공>

아이소셀 브라이트 HM1, 1억 8백만 화소 모바일 이미지센서

아이소셀 브라이트 HM1은 반도체가 아니라 이미지 센서다. 삼성전자가 갤럭시 S20 울트라를 출시하며 함께 소개했다. 갤S20 울트라는 카메라 화소가 1억800만 화소에 달하며 향상된 컬러 필터링 기능이 특징이다. 삼성전자가 업계 최초로 최첨단 ‘노나셀(Nonacell)’ 기술을 적용해 기존보다 카메라 감도를 최대 2배 이상 향상시킨 차세대 모바일 이미지센서다.

아이소셀 브라이트 HM1은 0.8㎛ 크기의 작은 픽셀 1억800만개를 ‘1/1.33인치’의 크기에 구현한 제품으로 신기술 '노나셀' 기능을 탑재해 어두운 환경에서도 밝은 이미지를 촬영할 수 있다.

‘노나셀’은 9개의 인접 픽셀을 하나의 큰 픽셀(3x3)처럼 동작하게 하는 것으로 촬영 환경에 따라 어두울 때는 밝게, 밝을 때는 더욱 세밀한 이미지를 구현할 수 있는 삼성전자만의 이미지센서 기술이다.

병합하는 픽셀 수가 많아질수록 인접 픽셀 간 색상 간섭이 민감해지기 때문에 이론적으로는 가능했지만 실제로 구현하기에 매우 어렵다. 삼성전자는 픽셀 간 분리막을 만드는 특허 기술,‘아이소셀 플러스(ISOCELL Plus)’를 적용해 ‘노나셀’ 구현으로 발생할 수 있는 인접 픽셀 간 간섭과 빛 손실, 산란 현상을 방지했다.

‘노나셀’ 기술을 활용한 ‘아이소셀 브라이트 HM1’은 어두운 환경에서 0.8㎛ 크기의 작은 픽셀을 2.4㎛의 큰 픽셀처럼 활용해 고감도 촬영이 가능하다. 4개의 픽셀을 활용하는 ‘테트라셀(Tetracell, 2x2)’ 과 비교할 때 빛을 2배이상 많이 받아들일 수 있다.

이 제품은 최근 모바일 기기에 탑재되는 카메라의 수가 많아지고 사양이 높아지는 트랜드에 최적화된 초고화소ㆍ초소형ㆍ고성능 이미지센서로 초고화질 이미지와 최대 8K(7680x4320) 해상도로 초당 24프레임 동영상 촬영이 가능하다.

‘강화된 이미지 줌(Zoom)’을 이용한 프리뷰기능도 주목할 점이다. 피사체를 확대 촬영하기 위해 줌 기능을 활용할 경우, 이미지의 화질이 저하돼 보이는 것이 일반적이다. ‘아이소셀 브라이트 HM1’은 1억 8백만화소 통해 피사체를 최대 3배(천 2백만)까지 확대해도 화질 저하 없이 촬영하는 이미지를 볼 수 있는 특징이 있다.

이 외에도 ‘아이소셀 브라이트 HM1’은 ‘스마트 ISO(Smart-ISO)’, ‘실시간 HDR(High Dynamic Range)’, ‘전자식 이미지 흔들림 보정(EIS)’ 등 최신 이미지센서 기술을 탑재해 어떠한 환경에서도 선명한 사진 촬영이 가능하다.

아이소셀 브라이트 HM1 이미지칩
▲ 아이소셀 브라이트 HM1 이미지칩

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