[김정호의 4차혁명 오딧세이] 반도체 메모리도 휴식 필요한 이유

기사입력 : 2019년05월07일 08:00

최종수정 : 2019년05월16일 06:09

반도체 메모리 디램, 전원 끄면 데이터 사라진다

4차 산업혁명 시대를 맞아 데이터의 중요성이 그 어느 때 보다 높다. 특히 데이터는 인공지능 학습에 필요하다. 그래서 데이터가 힘의 원친이 된다. 그런데 인공지능 프로세서가 데이터로 학습하거나 판단할 때, 꼭 메모리로부터 데이터를 받아 와야 한다. 그리고 계산 후에 다시 저장해야 한다.

김정호 교수

여기에서 시간이 걸리고 전력이 많이 소모된다. 그래서 빠르게 읽고 저장할 수 있는 빨리 반응하는 반도체 메모리의 수요가 증가하고 있다. 반도체 메모리 중에 빠른 동작 속도를 나타내면서 아울러 가장 많은 수요를 차지하는 반도체 메모리가 바로 디램(DRAM, Dynamic Random-Access Memory)이다. 저장 밀도도 높고 나노 초 (10억분의 1초) 단위의 동작 속도를 보인다. 디램은 데이터를 유지하려면 지속적인 전기 공급이 필요하기 때문에 DRAM은 휘발성 기억 장치(Volatile Memory)에 속한다. 현재 삼성전자와 SK 하이닉스가 세계 디램 시장의 1, 2 위를 차지하고 있다.

디램은 가장 간단한 구조를 가지면서 경제성이 높은 반도체 메모리 기억장치이다. 디램에는 한 개의 트랜지스터(Transistor)와 한 개의 캐패시터(Capacitor)로 이루어져 있다. 이 다른 말로 축전기라고 부르는 이 캐패시터에 전자를 저장한다. 전자가 충분히 저장된 상태이면 디지털로 ‘1’ 이고 전자가 비어 있으면 디지털로 ‘0’ 인 상태가 된다. 그래서 디램 제작 공정 시에 최대한 작은 면적에 디램 셀(Cell)을 만들려고 좁은 면적에 3차원 구조의 캐패시터를 만든다. 거의 나노 미터(10억 분의 1 미터)급 크기에 100층 짜리 고층 빌딩을 건축하는 공사와 비슷하다.

그리고 이 캐패시터에 전자를 담았다 다시 꺼내기 위한 스위치 동작을 하는 것이 트랜지스터이다. 1개의 셀 트랜지스터와 1개의 스위치가 1 비트를 저장하는 장치가 된다. 그리고 이를 연결하기 위한 데이터용 비트라인(Bit Line), 주소를 알리기 위한 워드라인(Word Line)의 금속이 디램 내부에 격자로 배치된다. 그리고 이러한 셀들이 2차원으로 격자를 이루고, 그 주위로 센서회로, 쓰기 회로, 읽기 회로, 주소 생성 회로 등이 배치된다.

다만 디램의 단점은 전기를 끄면 데이터가 사라진다는 사실이다. 그래서 영원히 데이터를 기록하기는 불가능하다. 그래서 장기간 저장하기 위해서는 데이터를 지워지지 않은 낸드 플래쉬(NAND Flash) 메모리로 이동해야 한다. 그래서 컴퓨팅 서버에는 디램이 주로 사용되고, 데이터 센터에는 낸드플래쉬 메모리가 주로 사용된다.

반도체 메모리의 대표적 기술인 디램과 낸드플래쉬 메모리의 구조, [출처=네이버 블로그]

컴퓨터 프로세서 주변에 설치되는 SK Hynix 디램의 단면 전자현미경 사진, [출처=maltiel]

디램도 휴식이 필요해

그런데 디램에도 태생적인 문제가 있다. 캐패시터에 저장된 전자가 새어 나가는 전자 누설(Leakage) 문제이다. 오래 시간이 지나면 디지털 ‘1’ 로 저장된 전자가 거의 다 새어나가 디지털 ‘0’으로 변한다. 저장된 데이터 값이 변화하는 것이다. 특히 반도체 메모리의 소자의 온도가 올라가면, 전자의 활동 열 에너지가 높아져서, 전자가 셀에서 빠져나가 누설될 확률이 더욱 커진다. 또한 공정이 발달하여 캐패시터 유전체의 두께가 점점 얇아 진다. 그러면 더욱 전자가 유전체를 뚫고 나가 누설될 확률이 점점 더 높아진다.

이러한 디램의 근본적인 문제를 극복하려고 일정한 시간이 지나면 디램 셀에 가두어준 전자를 읽고 다시 데이터를 쓴다. 다시 말해서 새어 나간 전자를 다시 채우는 작업이다. 이러한 디램 동작을 ‘리프레쉬(Refresh)’라고 부른다. 이 리프레쉬 시간 동안 디램은 휴식을 취하고, 그 대신 데이터를 읽고 쓰기 동작을 하지 못한다. 프로세서와 데이터의 교환도 없다. 일종의 메모리의 ‘휴식’ 기간이 된다.

컴퓨터 시스템을 사용하는 모든 장치에서 디램은 저장장치로서 가장 많이 쓰이고 있다. 디램을 사용하는 동안 데이터를 계속 저장시켜 놓기 위해서는 지속적인 리프레쉬(Refresh)가 필요하다. 그러므로, 사용하지 않을 때에도 리프레쉬를 위해서 전력을 계속 소모하게 된다. 따라서 이 리프레쉬 동작이 반복적으로 지속되면 전력 소모는 증가하지만, 컴퓨팅 계산효율은 매우 떨어지게 된다. 이 리프레쉬 동작으로 디램의 데이터는 다시 복원되지만, 일은 잠시 멈추게 된다. 이처럼 어쩔 수 없이 디램도 휴식이 필요하다.

이렇게 전자가 누설되는 문제를 줄이는 또 다른 방법이 반도체를 냉각시키는 방법이 있다. 디램을 냉각하면 전자의 운동성이 느려져 디램 셀에서 전자가 새어 나갈 가능성이 줄어든다. 그래서 인공지능 서버나 데이터센터 서버 전체를 물속에 넣는 방법이 있을 수 있다. 그러면 온도가 0 도로 유지할 수 있다. 더욱 적극적인 방법은 컴퓨터를 아예 액체 질소에 넣고 냉각하는 방법이다. 디램을 포함하는 컴퓨터와 반도체 전체를 '액화질소(Liquified Nitrogen)’로 냉각하는 방법이다.

대부분의 질소가 기체 상태이며 자연상의 액체질소는 존재하지 않기 때문에 항상 기체 질소를 액화해서 제작하며, 액체 질소의 온도는 영하 - 196°C(77K) 이다. 매우 차가운 물질 가운데는 그나마 공기 중에서 근처에서 쉽게 구할 수 있다. 더 차가운 액체헬륨은 -269°C(4K)이다. 거의 전자의 열 운동 에너지가 정지한 상태이다. 그러면 이 온도에서 디램의 리프레쉬를 아주 드물게 하여, 컴퓨터 성능과 효율을 획기적으로 높일 수 있다. 그래서 미래의 인공지능 컴퓨터와 저장장치는 액체 질소 냉각통 안에 설치될 수도 있다.

영하 -196도 액체인 액체 질소와 그 기화 증기 사진, [출처= Thoughtco]

◆ 인간도 휴식 필요하다

우리도 날씨나 일로 인해서 열을 받고 더우면 에어컨을 켠다. 찬 물에 샤워를 하기도 한다. 그래서 보통 휴가는 시원한 날씨와, 바다가 있는 휴양지로 간다. 경험에 따르면 유가지로 하와이 와이키키 해변이나 빅아일랜드(Big Island)가 최고의 장소이다. 머리를 식히는데 최적의 장소이다. 머리를 리프레쉬하는 장소이다. 이렇게 휴가를 가면 사물을 바라보는 시각이 긍정적으로 바뀌고, 생각이 낙관적으로 바뀌고, 에너지와 아이디어를 다시 충전하고 일터로 돌아온다. 더 나아가 창의적 발상을 하게 되고, 일을 하거나 해결할 신기한 방법도 얻게 되는 경우가 많다. 그래서 휴식과 휴가는 꼭 필요하다. 여름에 한달 씩 휴가를 간다면 일의 효율이 두 배는 더 늘 것 같다.

KAIST 에 프랑스 학생들이 교환학생으로 온다. 교수들에 의하면 아주 우수한 학생들로 평가 받는다. 특히 일의 집중도가 매우 높다고 한다. 정해진 시간에만 일을 하지만 창의적이고, 독창적이면서, 일의 완결도가 높다고 한다. 아마 프랑스에서 여름 3개월을 휴가를 가기 때문일 수도 있다. 4차 산업혁명 시대에 꼭 필요한 소자인 디램에서 배우는 삶의 지혜이다.

최고의 휴가지로 추천하는 하와이 와이키키 해변 전경. [출처=네이버 블로그 ]

joungho@kaist.ac.kr

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

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트럼프, 韓 4대 그룹 총수들과 골프 [서울=뉴스핌] 송은정 기자 = 도널드 트럼프 미국 대통령이 한국을 비롯한 아시아 주요 기업 총수들과 함께 한나절 동안 '골프 회동'을 진행했다. 글로벌 통상 현안이 산적한 가운데 열린 자리여서 관세와 대미 투자 관련 의견 교환 여부에 관심이 쏠린다. (왼쪽부터)이재용 삼성전자 회장, 최태원 SK 회장, 정의선 현대차 회장, 구광모 LG 회장 [사진=뉴스핌DB] 19일 외신에 따르면 18일(현지시각) 트럼프 대통령은 오전 9시쯤 플로리다주 팜비치의 마러라고 별장을 나와 인근 '트럼프 인터내셔널 골프클럽'으로 이동해 오후 5시쯤까지 라운딩을 즐겼다. 백악관 풀기자단은 "트럼프 대통령이 오전 9시15분 골프장에 도착했다"고 전했다. 이날 행사에는 이재용 삼성전자 회장, 최태원 SK그룹 회장, 정의선 현대차그룹 회장, 구광모 LG그룹 회장, 김동관 한화그룹 부회장 등 한국 주요 대기업 총수들이 참석한 것으로 알려졌다. 일본 소프트뱅크 손정의 회장이 이들을 초청했으며, 일본과 대만 주요 기업인들도 함께 자리했다. 한국의 주요 재벌기업 총수들이 집단적으로 미국의 대통령 및 정·관계 주요 인사들과 함께 골프를 즐긴 것은 사상 유례가 없는 일이다. 통상 4인 1조로 진행되는 아마추어 골프 경기에서 트럼프 대통령이 누구와 한 조를 이뤘는지는 알려지지 않았다. 백악관은 풀기자단의 확인 요청도 거부했다. 골프장 입구는 경호원들에 의해 외부인의 접근이 차단됐다. 골프장 주변도 높은 나무로 빽빽이 둘러싸여 내부 확인은 어려웠던 것으로 알려졌다. 트럼프 대통령이 한국 기업인들과 동반 라운딩을 하지 않았더라도 경기 전후 또는 점심시간이나 휴식시간 등을 활용해 대화를 나눴을 가능성이 있다. 이 자리에서 반도체·자동차·배터리·조선 등 분야에서 이들 기업의 대미 투자 및 관세에 대한 의견이 오갔을지에 대해 관심이 쏠리고 있다. 한편 마러라고 별장 일대에서는 경찰이 기자와 시민의 접근을 통제하며 "VIP들이 있다"며 경계태세를 유지한 것으로 전해졌다. yuniya@newspim.com 2025-10-19 10:00

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김세영, 고향 땅에서 '5년만의 통산 13승' [서울=뉴스핌] 박상욱 기자 = '빨간 바지의 마법사'가 화려한 금의환향 퍼포먼스를 보여줬다. 고향 팬들과 가족의 열렬한 응원을 받은 김세영(31·메디힐)이 고향 땅에서 와이어 투 와이어로 천금 같은 우승 트로피를 들어올렸다. 2020년 11월 펠리컨 챔피언십 이후 5년이라는 긴 침묵을 깨고 LPGA 통산 13승을 기록했다. 한국은 올 시즌 6승과 함께 7명째 LPGA 우승자를 배출했다. 김세영은 19일 전남 해남군 파인비치 골프링크스(파72·6785야드)에서 열린 미국여자프로골프(LPGA) 투어 BMW 레이디스 챔피언십 최종일 4라운드에서 5언더파 67타를 적어내 최종 합계 24언더파 264를 기록, 단독 2위 하타오가 나사(일본)를 4타 차로 따돌리고 정상에 올랐다. 24언더파는 대회 72홀 최저타 신기록이다. 우승 상금 34만 5000달러(약 4억9000만원)를 보태 통산 1518만 달러의 상금을 쌓아 로레나 오초아(멕시코)를 제치고 역대 상금 10위에 올랐다. 김세영이 19일 열린 LPGA 투어 BMW 레이디스 챔피언십 최종일 우승 트로피를 들고 포즈를 취하고 있다. [사진=LPGA] 이날 4타 차 선두로 출발한 김세영은 초반 불안한 출발을 보였다. 3번 홀에서 짧은 파 퍼트를 놓치며 1번 홀에서 버디를 잡은 노예림에게 2타 차까지 쫓겼다. 그러나 5~7번 홀에서 3연속 버디를 잡아 추격자들의 의지를 꺾었다. 이어 9번 홀(파4)에서 버디를 추가하며 2위와 4타 차로 벌려 우승 가능성을 높였다. 후반에는 추격자들이 타수를 줄이지 못하au 단독 2위 경쟁을 하는 사이 김세영은 편안하게 타수를 지켜가며 우승을 굳히는 상황으로 진행됐다. 후반 첫 4개 홀을 파로 지나간 김세영은 14, 15번 홀에서 버디를 보태 2위로 치고 올라온 셀린 부티에(프랑스)와 6타 차까지 벌려 사실상 우승을 확정했다. 김세영이 19일 열린 LPGA 투어 BMW 레이디스 챔피언십 최종일 챔피언 퍼트를 넣은 뒤 기뻐하고 있다. [사진=LPGA SNS동영상 캡처] 해남 옆동네인 전남 영암군에서 태어난 김세영은 한국 국적 선수로는 2021년 고진영 이후 4년 만에 이 대회 챔피언에 올랐다. 2019년에 시작한 BMW 레이디스 챔피언십은 2023년까지 한국 선수 혹은 한국계 선수들이 우승컵을 가져갔다. 2019년 장하나, 2021년 고진영, 2022년 리디아 고(뉴질랜드), 2023년 이민지(호주)가 우승했고 지난해엔 호주의 해나 그린이 이 대회 최초로 한국 또는 한국계 선수가 아닌 우승자로 이름을 남겼다. 2025 BMW 레이디스 챔피언십 우승자 안세영. [사진=LPGA] 김세영은 2015년 LPGA 투어에 데뷔해 3승을 거두며 신인상을 수상했다. 이후 2020년까지 매년 우승 트로피를 들어 올렸다. 2019년에는 3승을 쓸어 담았고 2020년에는 메이저 대회인 KPMG 위민스 PGA 챔피언십 우승을 포함해 2승을 달성하며 올해의 선수상까지 거머쥐었다. 특히 김세영은 2018년 7월 손베리 크리크 클래식에서 31언더파(63-65-64-65, 257타)로 우승하며 남녀 통틀어 72홀 역대 최저타 및 최다 언더파 신기록을 세웠다. 이전 기록은 LPGA 애니카 소렌스탐의 27언더파, PGA 어니 엘스의 30언더파였다. 한국 선수들은 이날 대약진했다. 김아림이 이날 6타를 줄이며 공동 3위에 올랐고 안나린과 최혜진은 무려 9타씩 줄여 나란히 공동 7위에 랭크됐다. 김효주와 이소미가 공동 10위에 자리해 한국 선수 6명이 톱10에 진입했다. 고진영도 8타를 줄여 고교생 아마추어 오수민과 함께 공동 19위로 순위를 크게 끌어 올렸다. LPGA 투어 BMW 레이디스 챔피언십 대회 중 은퇴 기념 케이크를 선물 받은 지은희(가운데). [사진=LPGA] 19일 열린 LPGA 투어 BMW 레이디스 챔피언십 최종일 캐디로 나선 최나연. [사진=LPGA] 19년 LPGA 투어 생활을 마감하는 은퇴 무대로 이번 대회에 공동 24위로 마친 지은희는 9번 홀에서 현역 마지막 퍼트를 버디로 장식하며 갤러리들의 뜨거운 박수 갈채를 받았다. 루키 윤이나는 3타를 줄이는 데 그쳐 공동 24위로 톱10 진입에 실패했다. 2023년 은퇴한 최나연은 이번 대회에서 이정은5의 캐디로 나서 눈길을 끌었다. psoq1337@newspim.com 2025-10-19 16:10