YMCT, '독자 기술'로 최고층 낸드 플래시 출시
자국산 장비 성능 개선 통해 기술 추격 본격화
자체 기술력으로 美 반도체 제재 돌파구 찾아

중국 양쯔메모리테크놀로지스(YMTC)가 자국 시장에 세계 최고층인 294층 낸드플래시 메모리를 출시하며 기술 주도권 경쟁을 본격화했다. 이에 대해 미국의 강력한 반도체 제재 속에서도 서구권 반도체 장비에 대한 의존도를 줄이기 위해 중국산 장비를 적극 활용하면서 독자적인 기술 개발로 돌파구를 마련했다는 평가가 나온다. 한편 중국의 반도체 굴기가 가시적인 성과로 드러나면서 SK하이닉스, 삼성전자 등 글로벌 빅3도 300층 이상의 차세대 낸드플래시 개발에 속도를 내고 있다.

차세대 X태킹 4.0 기술로 294층 메모리 상용화

2일(현지시각) 반도체 분석기관 테크인사이츠에 따르면 지난달 30일 중국 YMTC의 자회사 치타이(ZhiTai)는 294층 메모리를 탑재한 티프로9000(TiPro9000) 솔리드스테이트드라이브(SSD)를 중국 시장에 출시했다. 이는 'X태킹(Xtacking) 4.0' 기술을 적용한 첫 상용 제품이다. X태킹은 기존 3D 낸드플래시 기술과 차별화된 접근법으로 메모리 셀과 주변 회로를 다른 웨이퍼에서 분리 제작한 뒤 고정밀 웨이퍼 본딩으로 결합하는 구조를 갖는다. 두 부분을 독립적으로 최적화할 수 있어 개발 기간 단축과 성능 향상을 동시에 달성할 수 있다.

차세대 핵심 기술로 평가받는 X태킹 4.0은 메모리 셀을 150층과 144층으로 나눠 제작한 뒤 하이브리드 본딩으로 결합하는 혁신적 방식을 적용해 비트 밀도를 높이고 생산 효율을 개선했다. YMTC가 개발한 제품은 데이터 저장용 활성층 수가 270개에 이르고, 메모리 칩 크기는 50mm² 미만으로 저장 밀도가 1mm² 당 20.5Gb(기가비트)를 기록했다. 특히 이번 제품은 3비트 저장 방식(TLC, Triple-Level Cell)을 채택했음에도 기존 4비트 저장 방식(QLC, Quad-Level Cell)) 제품(232층, 1mm²당 19.8Gb)보다 높은 저장 밀도를 구현했다.

수율 낮은 자국산 반도체 장비로 기술 자립 실현

반도체업계는 YMTC가 독자 개발한 X태킹 기술을 기반으로 미국의 반도체 제재를 극복할 방법을 찾았다는 점에 주목하고 있다. 반도체 시장조사업체 트렌드포스는 1일 발표한 보고서에서 "YMTC는 미국의 제재로 네덜란드 ASML의 첨단 노광 장비와 설계 도구 사용이 제한됐음에도 기술 혁신을 이뤄냈다"며 "이는 중국의 독자 기술 개발 노력이 결실을 맺고 있음을 보여준다"고 평가했다. 중국 후베이성 우한에 본사를 둔 YMTC는 지난해 1월 중국 군과 관련이 있다는 이유로 미 국방부 제재 명단에 오른 뒤 첨단 반도체 장비를 수입하지 못하고 있다.

현재 YMTC는 자국의 장비 제조업체인 나우라 테크그룹, AMEC, 피오텍의 장비를 사용하는 것으로 파악됐다. 식각과 노광 공정에서는 여전히 미국과 일본 장비에 의존하고 있지만, 일부 공정에서는 중국산 장비를 더 많이 활용하며 비중을 늘리고 있다. 사우스차이나모닝포스트(SCMP)는 "미국의 반도체 제재 이후 YMTC는 나우라 등 중국 반도체 장비업체에 대한 의존도를 높여 왔다"며 "중국 장비업체들도 정부의 막대한 지원과 YMTC 등 자국의 큰손 고객을 등에 업고 외산 장비와의 기술 격차를 좁히는데 사활을 걸고 있다"고 짚었다.

다만 생산 수율을 따져보면 중국산 반도체 장비는 아직 글로벌 업계의 표준에 미치지 못하는 상황이다. 그럼에도 불구하고 중국산 장비의 성능이 빠르게 향상되면서 공정이 성숙 단계에 접어들었고, 이는 결과적으로 칩 기술의 개선으로 이어졌다. 지난해 9월 테크인사이츠는 YMTC 제품 치타이 티플러스(TiPlus) SSD를 분해한 결과, X태킹 3.0기술을 활용한 160층 512GB TLC 메모리칩을 발견한 바 있다. 이를 두고 전문가들은 칩의 밀도와 1Gb(기가비트)당 면적은 삼성전자, SK하이닉스 등의 TLC 칩뿐 아니라 QLC 칩과 비교해도 매우 진보한 수준이라고 평가했다.

SK·삼성 등 '빅3'는 300·400층 대 개발 본격화

SK하이닉스, 삼성전자, 마이크론 등 메모리 '빅3' 기업들도 초고층 낸드플래시 개발 경쟁에 돌입했다. SK하이닉스는 지난해 11월 321층 1Tb(테라비트) 4D 낸드플래시를 양산에 성공해 올해 상반기부터 고객사에 공급할 계획이다. 300층 이상의 낸드플래시 양산은 SK하이닉스가 세계 처음이다. 앞서 SK하이닉스는 지난 2023년 5월 당시 업계 최고층이었던 238층 제품을 세계 최초로 생산했고, 같은 해 8월에는 300층 이상 낸드플래시 샘플을 공개하며 빅3 중 가장 진보한 기술력을 보유한 것으로 평가받아 왔다.

마이크론은 2020년까지만 해도 SK하이닉스·삼성전자를 추격하는 후발 주자로 평가받아 왔다. 그러나 2021년 두 경쟁사보다 먼저 176층 낸드플래시를 양산하며 격차를 좁혔고, 2022년 7월에는 232층 제품을 세계 최초로 상용화하며 한 때 기술력에서 우위를 점하기도 했다. 하지만 현재는 3년이 넘게 232층 제품에만 머물러 있어 기술력 측면에서 SK하이닉스와 삼성전자에 다소 뒤처진 것으로 보인다. 이러한 상황을 타개하기 위해 마이크론은 지난해부터 300층 이상의 7세대 제품 개발에 돌입했다.

2013년 세계 최초로 24층짜리 낸드플래시를 쌓아 올리며 업계의 패러다임을 바꾼 삼성전자는 SK하이닉스가 96층 제품을 선보이기 전까진 매년 초고층 신기록을 경신하며 글로벌 시장의 기술 개발을 선도했다. 한때 SK하이닉스에 밀렸다는 평가도 있었지만 지난해 4월부터 290층 1Tb TLC 9세대 V낸드 양산을 시작하면서 300층 급에 제품을 가장 먼저 양산하는 데 성공했다. 현재 삼성전자는 SK하이닉스·마이크론 등과의 초고층 경쟁에서 우위를 점하기 위해 300층 대 낸드플래시를 건너뛰고 400층 개발에 집중하는 전략을 택한 상태다.

업계는 삼성전자가 올해 하반기 430층 낸드플래시인 10세대 V낸드 양산을 시작할 것으로 예상한다. 특히 400층 낸드플래시부터는 기존 제품에 사용되지 않았던 신기술이 대거 적용돼 기존 낸드플래시 시장에 지각 변동이 일으킬 가능성이 크다. 대표적으로 하이브리드 본딩 기술과 극저온 식각 기술이 본격 도입될 것으로 보인다. 하이브리드 본딩 기술은 데이터 통로가 더 빠르고 직관적으로 연결돼 처리 속도와 성능이 개선하는 효과가 있고, 극저온 식각 기술은 기존의 높은 온도에서 발생할 수 있는 화학 반응을 최소화하는 장점이 있다.