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[MHN 문화뉴스 김종민 기자] 한국은 메모리 반도체 세계 1위다.

2019년 기준 삼성전자는 43%, SK하이닉스는 30%의 점유율로, 한국 기업을 합해 70%의 점유율이다. 둘은 국내 주요 기업 중 가장 '덩치'가 큰 기업이기도 하다. 삼성전자는 27일 기준 국내 증시 시가총액 1위, SK하이닉스는 2위다. 이들 기업이 주력 생산하는 메모리 반도체가 무엇이길래, 이토록 잘 팔리는 것일까?

■ 반도체는 메모리 반도체와 시스템 반도체로 구분

반도체는 크게 시스템 반도체와 메모리 반도체로 나뉜다. 시스템 반도체는 컴퓨터와 스마트폰의 '두뇌'에 해당한다. 명령을 처리하고, 연산을 실행하는 역할을 한다. CPU(중앙처리장치)와 AP(애플리케이션 프로세서), 그래픽 카드에 사용되는 GPU 등이다.

메모리 반도체는 이들 '두뇌'가 연산을 잘 처리할 수 있도록 정보를 저장, 전달하는 기억장치다. 디램(DRAM)과 낸드플래시(NAND Flash)가 주력 상품이다. 연산을 직접 처리하는 것은 두뇌인 CPU 등이지만, 이들이 아무리 머리가 좋아도 작업을 전달하는 기억장치가 느리면 총 작업량은 덩달아 떨어지게 된다. 따라서 메모리 반도체는 컴퓨터의 속도와 성능에 큰 영향을 미친다.

■ 메모리 반도체의 대표 디램과 낸드플래시

메모리 반도체는 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 구분된다. 휘발성 메모리는 전원이 공급되고 있는 동안에만 정보가 저장된다. 비휘발성 메모리는 전원이 없더라도 정보가 유지되며, 장치에서 언제든 정보를 복사할 수 있다.

컴퓨터에 쓰이는 부품 램(RAM)에는 디램이 사용된다. 컴퓨터의 램은 CPU가 연산을 처리할 수 있도록 정보를 저장하고, 전달할 명령 및 연산 결과를 기억하는 용도로 사용된다.

디램은 휘발성 메모리다. 디램은 커패시터(축전지)와 트랜지스터가 각각 하나씩 구성돼 있는데, 축전지에 전류로 저장된 정보는 주기적으로 전력을 공급하지 않으면 날아가버리게 된다. 컴퓨터에서 'Ctrl+C'로 복사한 정보는 컴퓨터를 재부팅 했을 때 다시 찾아볼 수 없는 것이 바로 이 때문이다.

이렇게 휘발성 메모리임에도 불구하고 디램이 램으로 사용되는 이유는, 속도 때문이다. 램은 컴퓨터에서 CPU의 연산 결과를 저장하고 동작 정보를 기억하는만큼, 속도가 중요하다. 디램은 정보의 탐색 측면에서 비휘발성 메모리에 비해 빠르다.

램과 CPU의 동작 절차, 사진=사이버 칼리지

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다만 램과 별개로 CPU 내부에도 용량이 작은 휘발성 메모리가 탑재되는데, 이를 '레지스터'라 한다. 이 레지스터는 CPU 옆에서 직접 CPU의 속도에 맞춰 동작해야 하는 메모리라, 램보다 속도가 더 빨라야 한다. 디램은 여기에는 적합하지 않아, 에스램(SRAM)이 대신 사용된다. 에스램은 트랜지스터 6개로 구성돼, 회로가 복잡하고 공정 과정이 디램보다는 까다롭다는 단점이 있다. 그래서 비싸다.

낸드플래시는 비휘발성 저장 장치다. 한 번 정보를 저장하면 전원을 꺼도 유지된다. 다만, 정보를 탐색하고 불러오는 속도가 느리기 때문에 속도가 생명인 CPU 연산에는 적합하지 않고, 보조 저장용 장치로 사용된다. 낸드플래시 면적 대비 대용량으로, 기계적인 충격에도 강하고 가볍다는 장점이 있어 USB 등에도 사용됐다. 그렇지만 더 대표적인 사용처는 SSD다.

삼성 SSD, 사진=삼성전자 제공

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SSD(Solid State Drive)는 말 그대로 고체(반도체) 상태의 물질을 저장 장치로 활용한 것이다. 기존의 HDD(Hard Disk Drive)는 자석의 N극과 S극을 이용해 정보를 저장하는데, 마치 LP판처럼 디스크를 직접 돌려가면서 정보를 찾는 바람에 속도가 느리다. SSD는 전기적인 방법으로 정보를 검색하기 때문에 HDD에 비해 속도가 훨씬 빠르다. 이 때문에 여전히 HDD가 SSD에 비해 용량 대비 가격은 싸지만, 시장에서 점차 HDD는 사라질 것이라는 전망이 제기된다.

SSD는 디램 등 휘발성 메모리보다는 느리다고 하나, 이처럼 HDD보다 빠르기 때문에 컴퓨터의 속도 향상에 크게 기여한다. 컴퓨터 저장소에 있는 정보를 불러오는 속도가 빨라져, 게임 실행이나 프로그램 로딩, 부팅 등의 작업을 훨씬 수월하게 처리한다.

디스크를 돌려 정보를 찾는 HDD, 사진=메사추세츠 암허스트 대학

■ 한국이 메모리는 1위라지만...비메모리 분야는 고전

한국의 메모리 반도체는 세계급이다. 삼성전자와 SK하이닉스의 점유율을 합치면 70%가 넘는다.

구체적으로 디램 부문에서는 작년 상반기 기준 1위 삼성전자가 44.1%, 2위 SK하이닉스가 29.3%의 점유율을 차지했다. 낸드플래시는 작년 상반기 기준 1위 삼성전자가 31.4% 4위 SK하이닉스가 11.7%였다. 그런데 지난해 10월 SK하이닉스가 점유율 11.5%의 인텔 낸드플래시 사업부를 인수하면서, 단숨에 20%를 넘는 점유율로 2위까지 뛰어올랐다.

두 기업은 기술력에 있어서도 앞서 나간다. 2013년 삼성전자는 낸드플래시의 저장 용량을 개선하기 위해 2차원 구조의 낸드플래시를 3차원으로 개선한 제품을 최초로 공개했다. 마치 땅을 더 잘 활용하기 위해 건물을 높이 올리는 것처럼, 저장 공간을 위해 3차원 건물을 세운 셈이다. 이어 2018년 SK하이닉스에서는 아예 저장소를 통제하는 회로까지도 건물로 옮겨 '4D 낸드플래시'를 상용화했다. 이는 건물 외부에 있던 주차장을 건물 지하로 옮긴 격이다.

4D 낸드플래시, 사진=SK하이닉스 제공

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다만 업계에서 한국 메모리 반도체의 성공은 '반쪽 성공'이라는 평이 다수다. 메모리 반도체에서 삼성전자-SK하이닉스가 1위라고는 하지만, 메모리 반도체는 시스템 반도체보다 작은 시장이다. 시장조사업체 가트너에 따르면 메모리 반도체의 시장 규모는 시스템 반도체의 절반 수준이다. 시스템 반도체의 칩 설계에서 인텔, AMD, 엔비디아(NVIDIA) 등에 밀리고, 생산 공정에서는 대만의 TSMC에 밀리고 있다.

정부에서는 시스템 반도체 투자를 위해 전문가 육성을 위해 올해 1302억원을 확보하고, 2029년까지 1조원을 투자한다고 지난 9월 밝혔다. 이어 주요 기업에 감세를 추진한다는 전망이다. 삼성전자에서도 시스템 반도체 제조 공정 기술을 위해 11억을 투자한다고 지난 25일 밝혀, 글로벌 경쟁사인 TSMC와의 격돌이 예상된다.

다만 주요 시장조사업체 가트너 등에서는 메모리 반도체 시장 역시 꾸준히 성장할 것으로 전망해, 전문가들은 한국 기업의 메모리 부문 경쟁 우위를 꾸준히 유지하는 것이 중요하다고 강조한다. 중국의 국가적인 지원과 메모리 부품 생산 가격 경쟁력을 근거로, 업계에서는 메모리-시스템 반도체 양쪽의 균형잡힌 성장이 동반돼야 한다고 지적한다.

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한국이 '세계 1위', 메모리 반도체 종류와 시장 전망은?

삼성전자 1위, SK하이닉스 2위..도합 70%의 점유율
디램과 낸드플래시의 원리와 시장 전망은?

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