DRAM과 물리적 한계
2019.05.16 02:40
마이크로소프트의 빌게이츠가 했다는 (정작 빌게이츠는 자기는 그 말을 한 적이 없다고 -_-;;), 640kByte라는 메모리 크기는 누구에게나 충분한 크기 라는 말이.. 지금은 누구나 비웃는 말이 되어있습니다.
https://quoteinvestigator.com/2011/09/08/640k-enough/
DRAM이 어떤 면에서는 IC기술의 총아이긴 한데요 그래서인지 물리적 한계라는 말이 자주 들먹거려지는 칩이기도 합니다. 오랜 옛날 얘기입니다만, Alpha Particle에 의한 soft error가 문제가 되었을때는 16kbit DRAM (우습게 들리시겠지만)이 물리적 한계라고들 했었습니다. 물리적 한계를 얘기하는게 그리 단순하지는 않은데요, 우선 칩을 무진장 크게 만들수 있다면 이런 문제가 어느 정도는 해결이 될 수도 있지만, 칩 크기도 물리적 한계(!)가 있어서.. 그렇게 할 수도 없지요. 일단 칩 크기가 원가의 큰 부분을 차지하니까요. 제조공정에 따라 다르지만 싸면 평방밀리미터에 대략 2쎈트에서 10쎈트 정도 안쪽에 들어오는게 칩 원가입니다. (여기에 packaging, testing, 수율 등등이 들어가야 실제 원가가 되고 거기에 마진을 붙여야 가격이 되죠) 즉 면적이 곧 돈입니다. -_-;;
Alpha Particle은 처음엔 아 우주에서 날아오는거야 라고만 생각했었는데.. 알고보니 DRAM 칩 (실리콘 조각!)을 싸고 있는 플라스틱에서도 나오더라는게.. 충격이었죠. 원인을 제대로 파악하면 해결은 비교적 간단합니다. 알파파티클이 안나오는 플라스틱을 쓰자..
그러고 수십년이 흘러.. 메가비트 시대와 기가비트 시대를 거쳐 지금은 칩 하나에 몇기가바이트가 들어가는지 물어보지도 않는 시대가 되었습니다. 지금은 옛날에 이리 갈거라고 했던 거의 모든 것들이 다 구현되었습니다. 디램칩을 겹겹이 쌓는 것도 물론 나왔죠. 수백층은 못 쌓습니다만. 필요하면 그것도 할 겁니다.
실리콘 단결정에서 (이 단결정이란게 무서운 넘인데요.. 다음 기회에) 원자와 원자 사이의 거리가 5.5 옹스트롬 정도라고 합니다. 이건 0.55nm 인데요.. 요즘 3 nm 공정을 많이들 얘기하는데, 3nm안에는 실리콘 원자가 대략 5개 정도 들어갑니다. (실제로는 조금 더 들어갑니다. 실리콘 단결정에서의 원자 배열때문에) 이 정도면.. 구멍 숭숭 한쪽에서 저쪽이 훤히 보이는 정도.. ㄷㄷㄷ
Doping이라는건 실생활에선 운동선수들 약물쓰는거에 사용하는 단어인데 반도체에서 doping은 이 단결정에 실리콘이 아닌 다른 원소를 극미량 넣어서 실리콘의 물리적 특성을 바꾸는 것을 의미합니다. 단위가 조금 이상합니다만 10^18 정도 되면 high doping이라고 해서 (이게 농도로는 1/10000도 채 안될겁니다) doping에 의한 부작용이 나타나기 시작하는데요.. 3nm 에서 원자 다섯개가 있는데 한개만 갈아쳐도 20% 농도! 이건 이미 실리콘이 아닌겁니다. 실제로 실리콘 공정에 사용하는 화학물질들의 순도는 실생활과는 완전히 무관한데요.. 99.999999999% (eleven nine 이라고 부릅니다)정도는 되야 쓸만한가 하는 수준입니다. (연변 아닙니다)
기사에선 거의 다 지워졌는데요 최근 우리나라에서 DRAM을 생산/판매하는 S사 (이름은 밝힐 수 없습니다)가 클라우드 사업을 크게 하는 A사에 DRAM 모듈을 공급했다가 불량때문에 엄청난 액수의 보상을 해주게 된 사건이 있었다고 합니다. 실제로 보상을 해주는지, 해 준다면 어떤 형태로 하는지, 액수가 어느 정도인지는 대략은 알지만 밝힐 수는 없고요. 일단 우리나라에서 두번째로 DRAM을 많이 생산하는 다른 S사의 제품으로 교체를 했다는 얘기가 있었습니다. 워낙 큰 뉴스라 그런지 진실은 저 너머에이고, 큰 돈이긴 하지만 그 회사가 쌓아둔 현찰이 많아서 아무 영향이 없을 거라는 얘기도 있습니다. 제 생각은 아무래도 마이너스의 손 때문이라는 결론. 아무 상관없어 보이는 마이너스의 손이 왜 여기 나오냐 하면요.. S사 정도 규모의 회사에 경험많은 엔지니어들이 많은데 이 정도 생각 못해 봤을 리는 없는데 (남들 다 연구하는 것이고요), 그게 뭉게져서 고객 손에서 문제가 터진다는 얘기는 연구개발에 있어서 가장 중요한 아래위 소통이 안되고 있다는 얘기고 그건 전형적인 마이너스의 손 문제거든요. 아마 송사리 (상무 정도 직급이겠죠) 몇 잘리는 선에서 마무리 짓지 않을까 합니다.
A사의 service log를 보면 해당 기간 동안 미쿡 동/서부를 담당하는 서버쪽의 많은 서비스가 중단된 것을 확인할 수 있습니다. 이정도 대형사고에 검색해서 기사 안 나오는건 잘 지웠다는 얘기.
이건 새로운 문제의 발견이라고 보는게 타당한데요.. 칩을 뱅기로 나르면 문제가 생기더라.. 는 겁니다. 사실 이건 올초에 그 S사가 10 nm "대"의 공정을 적용한 DRAM 양산 이라고 발표한 거랑 무관하지 않습니다. (저 "대"가 중요한데 업계에선 저렇게 얘기하면 아하 19 nm 구나 라고 이해합니다. -_-;; 아니 저 위에서 3 nm얘기했는데 DRAM은 왜 이리 구려라고 하실 수도 있는데 여기도 할 말은 많죠. 한 마디로 안 구립니다.. 라고 할 수도 있고 구릴수록 좋은 겁니다 라고 할 수도 있습니다.)
DRAM cell array에 생긴 문제라면 annealing할 수도 있고 redundancy로 해결할 수도 있는데 회로 (peri라고 부르기도 합니다)에 생긴 문제는 답이 안 나옵니다.
지금까지는 이게 구체적으로 어떤 문제인지 정량적으로 밝혀진 것은 없다고 보는게 타당합니다. 학계에서는 몇년째 얘기해온 주제들과 무관하지 않을거라고 하고 있기는 합니다만. 정성적으로는 alpha particle이라기 보다는 공기중에 있는 neutron (중성자) 때문이라는 얘기들이 있습니다. 중성자가 왜 공기중에 있어.. 라고 하시면 정상! 아마 cosmic ray로 인해 2차적으로 발생된 중성자가 칩에 침입해서 생기는 문제가 아닐까 하고 있는데.. 이걸 막는 방법과, 이정도면 괜찮지 않을까 하고 설계/테스트할 방법까지 나와야 답이 나온 것이라.. 현재는 10 nm 대의 DRAM은 일단 피해야 하는게 아닌가 하고 있습니다.
우리나라 안에서는 뱅기에 실어 공수할 일이 없으므로 무방할듯 하기도 하고요.
뱀발: 저는 양 S사 메모리 관련자 중에 잘아는 사람들이 주왁 깔려있지만 여기 내용은 그 사람들에게서 들은 것이 아닙니다. 물론 저는 저 두 회사랑 현재는 아무 상관이 없습니다.
코멘트 18
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박영민
05.16 09:02
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왕초보
05.16 22:13
제가 모르고 떠들어서 그런듯 합니다. OTL
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타바스코
05.16 10:26
제가 처음 사용해본 애플PC의 메인 메모리는 32k byte였는데 16k bit가 한계로 거론되었다면 정말 아주 오래전 이야기군요
와~ 알아들었다 /(^^)/
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왕초보
05.16 22:15
ㅎㅎ 경계선에 앉아계십니다! 그 애플이 아마도 바로 저 16kbit DRAM을 16개! 써서 32kbyte를 만들었을 겁니다. 그리고 8개 붙일 공간이 더 있어서 더 비싼 넘은 칩 8개를 더 붙여서 48kbyte모델로 팔고 여기에 language card (16kbyte)를 꽂으면 64kbyte 완성!
(우리 모두 할할재 인증 -_-)
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앙겔로스
05.16 12:38
와이프가 하고 있는 일인데, 뭔말인지 모르겠어요 ㅋㅋㅋㅋ
막내동생도 잠수함 소프트웨어 만들다가 반도체쪽으로 이직했는데,
S사는 모르겠으나 좀더 작은 S사는.. 신문만 번지르르하게 광고하지
회사 인수하곤 투자를 하긴 하는지 모르겠어요.
그룹사 빨대 꼽기로 수율은 저멀리 날아가고 장기적으로 많이 불안해보이네요 ㄷㄷ
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왕초보
05.16 22:19
우리나라 두 메모리 회사는 절대 안 불안합니다. 빨대 아무리 꽂아도 생존에는 지장없습니다. 직원 보너스는 날라가겠지만요.
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앙겔로스
05.18 14:17
작년이 최고 실적이였는데, 직원들 보너스는 많이 줄었더라고요;;
그리고 회계상 이익을 조금이라도 늘려보일려고 이것저것하고요
덕분에 일하는 분들은 헬게이트 제대로 열렸더라고요;;;
받는 돈은 줄어들고 직급은 통폐합해서 더더욱 미래는 없고
일은 2~5배 업무강도는 늘어나고 직장내 위치추적해서 분단위로 쪼고-0 -...;;;
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왕초보
05.21 01:18
솔까말.. 받는 돈 줄어들고 직급 통폐합해서 미래 없고, 업무 강도 늘어나고 직장내 위치 추적해서 분단위로 쪼고 하는 것.. 하루 이틀 일이 아닙니다. (1989년.. 그러니까.. 30년전에도 똑같은 얘기 했습니다. 스물 아홉살인 제가 어떻게 아는지는.. -_-;;) 반도체 경기가 어떻게 되더라도 계속 진행중인 일이었고요. 보너스라는 것도 단순히 경쟁사에 직원 잃지 않기 위해 하던 짓이지 회사가 직원을 위해서 하던 짓은 아니었습니다.
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스노우캣
05.16 14:47
그렇군요
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왕초보
05.16 22:19
오옷 안광이 지배를 철하고 있습니다!
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piloteer
05.16 15:13
DRAM은 모르겠는데 요즘 일반 CPU등에 사용되는 공정은 nm값이 뻥인데요 (design rule에 적힌 거랑 완전 상관없는 값을 내놓음). DRAM에 쓰이는 공정은 아직 그런 걸 지키고 있나요..?
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왕초보
05.16 22:12
그럴리가요.
그런데 이게 뻥인데도 뻥이 아니기도 한게.. 나름 개뻥치는게 근거가 있고요.. 그리고 scaling (예전엔 그냥 optical shrink라고 불렀는데 말을 바꾼걸 보면 일이 많이 복잡해진 모양입니다. 옛날에도 그냥 optical shrink이었던 것은 아니고요)을 해서 7나노 공정을 4나노 정도까지 줄이기때문에 여전히 design rule과 이 nm값이 별 상관없이 보이는건 변함없지만, 꽤 비슷하게도 갑니다. :).
finfet 쓰기 시작하면 내가 맘대로 트랜지스터 크기도 못 바꾸고, multi-patterning 되면서 메탈도 맘대로 못그리는 상황. 어차피 design rule이란게 별 관심이 없어지는 design flow가 되어버린듯 합니다. (logic하시는 분들이야 원래 별 관심이 없으셨겠지만, 그쪽도 상전벽해인듯 하더라구요)
뱀발. 원래 디자인룰 이란게 Carver Mead/Lynn Conway의 책에 나온 얘기였고, 이미 그때부터 design rule은 별로 현실성이 없었습니다. 수많은 예외가 있었죠. 3um 이럴땐 비교적 잘 맞았습니다만. Mead and Conway책은 지금 봐도 대단한 혜안을 지닌 책인듯 합니다. 같이 일하면 어떤 느낌이 들지 모르지만, Carver는 참 소탈한 사람인듯.
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유령상어
05.17 16:19
배경 지식과, 최근 트렌드, 그리고 업계에 대한 해박한 지식까지 덧붙여진 이 멋진 글에 이런 대답밖에 못 다는게 한심하네요.
"예?"
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왕초보
05.24 01:37
해박한 지식은요. 그냥 수박 겉핥기 뿐인걸요. 그냥 이 업에 종사한지 30년이 훌쩍 넘어버렸네요. (스물 아홉살인데!)
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유령상어
05.25 09:47
그러고보니 그 옛날 학부 다니던 시절에 전자공학 수업을 들으면서 '어쨌든 이쪽 비즈니스는 극한까지 발달하면 물질의 문제가 되고 물리학이 필요하게 되는건가?' 라는 생각을 한 적이 있었는데, 얼추 비슷하게 맞는 이야기였을수도 있겠군요.
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왕초보
05.29 01:51
바로 맞추셨습니다. 그리고 그게 제가 물리학이 아닌 전자공학을 선택한 이유가 되었고요. (그때는 학력고사 점수로 전국 등수내서 원서 내는 거라 2지망을 물리학과를 썼지만 별 영양가가 없..) 지금 생각해보면.. 소질없는 물리학보단 일단 재미난 전자공학을 선택한게 잘한거다 싶기도 하고. 거기서 재미난 일을 찾을 수도 있었을 거다 싶기도 하네요. 실제로 비슷한 분야에서는 물리학 박사가 전자공학 교수를 하기도 하고 우리과 선배가 물리과 교수를 하기도 합니다. (박사는 다들 물리학으로 했네요) 당장 기억나는 분만 두분인데 두분다 매우 특이한 분들이었죠. 굉장하시고요. 아마 귀국하지 않으셨으면 노벨상 가능성도 있었을 겁니다.
몇년전에 ISSCC (학회입니다. 이바닥 사람들은 모르기 힘든 학회죠)의 plenary talk에서 미국 아이들이 미래의 직장으로 선호하는게 Scientist 는 거의 최상에 있고, Engineer는 바닥이다. 왜 그럴까 뭐 이런 얘기가 있었는데. 발표한 분의 정리는 이랬습니다.
"나는 왜 아이들이 Scientist를 선호하는지 이해가 안간다. Engineer는 Job을 가진 (즉 돈 버는) Scientist인데 말이지"
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Electra
05.23 12:26
흠... 재미있는 글이군요.
최근에 Back to the future3을 다시 보면서, 살짝 놀랜 부분이 서부 개척시대로 날아가면서, 고장나버린 회로 부품이 1947년인가에 만들어지기 때문에 거기서는 방법이 없다고 써놓은 편지...
그걸 55년인가에 이것 저것 이어 붙여서 본넷 위에다가 진공관들이 들어있는 나무 상자를 장착해놨는데, 지금 생각해보니 꽤 신경써서 소품을 꾸민거였다는게...
반도체 제조 공정중에 광학적 특성을 이용해서 에칭을 하는 걸로 알고 있는데,
광학계는 포커스를 좁히다보면 회절등의 특성으로 한점에 모이지 않게 될텐데, 그것도 누군가를 갈아넣어서 극복하겠죠? (이미 했는지도 모르겠습니다. 그쪽 업계 일하는게 아니라...)
본문에 나온 문제도 뭐 언젠가는 극복될거라 믿어 의심치 않고 있네요.
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왕초보
05.24 01:44
답글을 너무 길게 적어서 날렸습니다. ㄷㄷ 조금씩 적어야겠어요.
회절 특성의 한계를 넘어간지는 매우 오래 되었습니다! 몇배나 넘긴걸요. 그렇지만 그래도 그 몇배의 한계는 넘기기 힘들어서 파장을 짧게 하고 짧게 하다가 (이 두가지 -- 회절 특성 넘기는 기술과 파장 짧게 하는것 -- 는 엎치락 뒤치락 계속 발전하고 있기는 합니다) 지금은 EUV (극원자외선 정도라고 해야 하나요. 이정도면 이미 빛이라고 보기는 힘듭니다) 를 쓰고 있습니다. 렌즈를 쓸 수가 없어서 거울로 바뀐지도 제법 되었고, 광원이란 것도 전구 종류가 아닙니다. ㄷㄷㄷ 당연 레이저 고요. 파장이 짧은 레이저는 에너지 갭이 큰 state들을 사용해야 해서 만드는게 물리적으로나 공학적으로나 매우 큰 도전 거리입니다. (에너지 갭이 크단 얘기는 참 많은 걸 내포하고 있어서요)
NA를 키우기 위해 반사경 크기를 키우는 것도 한계가 분명해서 매질을 바꾸는 것 (즉 refractive index가 큰 물질로)도 이미 몇세대 전부터 사용하는 것이고요. double patterning같은것도 여러겹 사용하는 것도 일반화 되어있는데 생산성에 문제가 있어서 EUV로 가면서 피하려고 하는데 결국 다시 쓰게 될 것이고요. 거기쯤 가면 이젠 단순히 파장 만이 문제가 아니라 photoresist의 분자 크기 및 경계면이 주는 한계까지 잘 보여서 결국은 photoresist를 단결정처럼 정렬할 수 있는 물질로 바꾸거나 아예 photoresist를 안쓰는 공정으로 바뀔 것이고요. 상상하는 모든것이.. ㄷㄷㄷ
이번에 터진 (그렇지만 뉴스들은 대략 지워진 -_-;) 문제의 해결에 있어서 가장 큰 문제는.. 왜 이게 발생하는지에 대한 정확한 이해입니다. DRAM이 signal integrity측면에서 제일 힘든 칩들중 하나이긴 한데 이번 문제의 기전으로 생각되어지고 있는 것들은 사실 훨씬 더 작은 트랜지스터를 쓰는 일반 칩들 -- 예: A12 -- 에서도 나타나야 하거든요. 어쩌면 이미 나타나고 있는데 우리만 모르고 있을 수도 있습니다.
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예전에는 다 알아 들었는데....(진짜입니다!!!)