면적 같은데 용량↑…AI 반도체 '핫템' 떠오른 QLC 낸드

[이데일리 김응열 기자] 고대역폭메모리(HBM)에 이어 기업용 솔리드스테이트드라이브(SSD)가 인공지능(AI) 메모리로 급부상하고 있다. 글로벌 빅테크 기업들이 AI 솔루션을 준비하면서 자체적으로 데이터센터 투자에 적극 나서고 있기 때문이다. 기업용 SSD 중에서도 쿼드러플레벨셀(QLC) 기반 제품이 주목 받고 있다. AI 추론에 필요한 데이터를 대량 저장하는 대용량 특성 구현에 용이해서다. 주요 반도체 기업들도 QLC 기반 대용량 SSD 생산에 집중할 전망이다.

SSD 핵심 낸드…셀에 전압 걸어 정보 저장

SSD 구성 요소인 낸드플래시와 D램, 컨트롤러. (사진=삼성전자)

14일 업계에 따르면 QLC 기반 낸드가 AI 데이터센터향 제품으로 주목 받고 있다.

SSD는 크게 낸드플래시와 D램, 컨트롤러로 구성된다. 낸드는 서재처럼 데이터를 저장하고, 컨트롤러는 데이터 읽기·쓰기 순서 설정 및 데이터 이동 조정 등을 담당한다. 낸드가 책을 보관하는 서재라면 컨트롤러는 책을 정리하는 사서에 해당한다. D램은 낸드 작업 속도를 올릴 수 있도록 지원하는 임시메모리(캐시메모리) 역할을 맡는다.

저장장치인 SSD의 핵심은 낸드다. 낸드는 정보를 저장하는 최소 단위 ‘셀(Cell)’을 집적해 만든다. 통상 이 셀은 전압을 거는 ‘컨트롤 게이트’와 전기 알갱이인 전하를 저장하는 ‘플로팅 게이트’로 구성된다. 컨트롤 게이트에 전류가 흐를 수 있는 최소한의 전압, 즉 문턱전압을 걸면 전하가 플로팅 게이트 안으로 들어간다.

이 플로팅 게이트는 전기가 통하지 않는 절연체 막으로 둘러싸여, 전원이 꺼져도 전하가 빠져나가지 못한다. 이 셀 내 전하 유무를 파악하고 이진법에 따라 0 또는 1을 기록한다. 전하가 없으면 0, 있으면 1이다. 이 0 또는 1이 정보의 최소 단위인 비트(bit)다. 최근에는 플로팅 게이트 방식을 개선한 ‘차지트랩플래시(CTF)’ 방식으로 데이터를 저장하지만, 전압을 걸어 전하를 넣는다는 기본 원리는 같다.

플로팅 게이트에 전하 저장 유무를 파악해 0 또는 1로 기록하는 셀. (사진=키옥시아)

셀 4등분한 QLC, 속도 느리지만 용량 ‘업’

더 나아가 정보를 저장하는 셀을 몇 개의 구역으로 나누느냐에 따라 낸드를 분류할 수 있다. 셀 내 저장구역이 하나면 싱글레벨셀(SLC), 둘이면 멀티레벨셀(MLC)이다. 셋은 트리플레벨셀(TLC), 넷은 QLC다.

QLC 낸드는 총 16가지 경우의 수를 기록할 수 있다. (사진=SK하이닉스)

셀 내 각 저장구역에 전하가 있는지 없는지에 따라 구역별로 0 또는 1을 기록한다. 셀 내 구역별로 비트, 즉 정보를 담는 것이다. 예컨대 SLC는 셀 내 저장구역이 하나인 만큼 0 또는 1 둘 중 하나를 기록한다. 1비트란 뜻이다. MLC는 00이나 01, 10, 11 중 하나를 기록한다. 경우의 수 하나에 0 또는 1이 두 개이므로 2비트다. 정보가 두 배가 된 것이다. TLC는 000부터 111까지 2의 3승, 즉 8가지 경우의 수를 3비트로 저장한다. MLC는 셀 내 구역이 네 곳이니 4비트다.

이런 원리에 따라 셀을 더 많이 나눌수록 더 많은 정보를 저장할 수 있다. QLC는 다른 낸드 분류보다 대용량 구현이 쉽다는 의미다. 비교적 저렴하다는 장점도 있다. 단점이 없진 않다. 셀 하나에 많은 정보를 담는 만큼 SLC나 MLC, TLC보다는 읽기·쓰기 속도가 느려질 수 있다. 전하량도 더 세밀히 파악해야 하기 때문에 안정성 역시 떨어진다. 이에 항공이나 커넥티드 카처럼 신뢰성 높은 제품이 필요한 분야는 SLC 낸드가 유리하다. 반면 QLC는 대용량과 비용 효율성이 중요한 데이터센터 쪽에서 수요가 많다.

업계 관계자는 “셀을 더 많이 나눌수록 속도가 느려지기 때문에 무조건 좋다고 하기는 어렵고 특징이 다른 것”이라며 “QLC 속도가 느려도 컨트롤러로 보완이 가능한 수준”이라고 설명했다.

한 셀에 몇 개 비트를 저장할 수 있는지에 따라 낸드를 분류한다. (사진=SK하이닉스)

빅테크 ‘큰 손’ 수요↑…삼성·SK, AI 메모리 2차전 시작

대용량 구현이 쉽다는 특징 때문에 QLC 낸드는 AI 시대 들어 호황기를 맞았다. 구글과 아마존, 메타 등 글로벌 빅테크 기업들이 자체 AI 서비스를 내놓기 위해 너도나도 수조원대 데이터센터 투자에 뛰어들고 있어서다.

올해 QLC 낸드 출하량 역시 대폭 증가할 전망이다. 시장조사기관 트렌드포스 집계 결과 8Gb 환산 기준 올해 QLC 낸드 출하량은 1329억900만개로 추정된다. 지난해 출하량 1053억7000만개보다 26.14% 증가할 것이라는 의미다. 2022년 661억3100만개에서 꾸준히 늘어나는 중이다.

삼성전자의 9세대 V낸드. (사진=삼성전자)

삼성전자(005930)와 SK하이닉스(000660)도 수요에 맞춰 QLC 낸드를 활용한 대용량 SSD 제품을 준비 중이다. 삼성전자는 하반기 중 QLC 기반 최신 9세대 V낸드를 양산할 계획이다. SK하이닉스는 QLC 60테라바이트(TB) 기업용 SSD를 연내 개발하고 내년에는 300TB 제품을 선보일 예정이다. 자회사 솔리다임은 이미 QLC 60TB 기업용 SSD를 앞세워 수요에 대응하고 있다.