키오시아, 5TB 대용량 및 64GB/s 고대역폭 플래시 메모리 모듈 시제품 제작 성공 3

키오시아는 DRAM 기반 기존 메모리 모듈의 과제였던 용량과 대역폭 간의 상충 관계를 해결하기 위해, 여러 개의 플래시 메모리를 데이지 체인 방식으로 연결하는 새로운 모듈 구성을 개발했다. 또한 초당 128기가비트(Gbps) 대역폭을 구현하는 고속 트랜시버 기술과 플래시 메모리 성능 향상 기술도 함께 개발했다. 이러한 혁신 기술들은 메모리 컨트롤러와 메모리 모듈 모두에 효과적으로 적용되었다.

이 메모리 모듈이 상용화되면 포스트 5G/6G 시대의 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC) 서버 및 기타 애플리케이션에서 사물인터넷(IoT), 빅데이터 분석, 고급 AI 처리를 활성화하여 디지털 전환을 가속할 것으로 기대된다.

1. 배경
포스트 5G/6G 시대의 무선 네트워크는 초고속, 초저지연을 실현하고 더 많은 기기를 동시에 연결할 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 데이터를 원격 클라우드 서버로 전송해 처리하면 유선망을 포함한 전체 네트워크의 지연 시간이 늘어나 실시간 애플리케이션 구현이 어려워진다. 이 때문에 사용자와 더 가까운 곳에서 데이터를 처리하는 MEC 서버의 광범위한 도입이 필요하며, 이는 다양한 산업의 디지털 전환을 촉진할 것으로 기대된다. 또한, 최근 생성형 AI와 같은 고급 AI 애플리케이션 수요가 증가하면서 MEC 서버의 성능 향상과 더불어 메모리 모듈에도 더 큰 용량과 더 높은 대역폭이 요구되고 있다.

이러한 배경하에 키오시아는 이번 프로젝트에서 플래시 메모리를 활용한 메모리 모듈의 용량 및 대역폭 향상에 집중했다. 그 결과 5TB 용량과 64GB/s 대역폭을 갖춘 시제품 메모리 모듈 개발에 성공했으며, 그 동작 가능성을 검증했다.

2. 프로젝트 성과
2.1 데이지 체인 연결 방식 채택
키오시아는 대용량·고대역폭 메모리 모듈을 구현하기 위해 버스 연결 방식 대신, 각 메모리 보드에 연결된 컨트롤러들을 직렬로 잇는 데이지 체인(daisy-chain) 연결 방식을 채택했다. 그 결과, 플래시 메모리 수를 늘려도 대역폭이 저하되지 않으며 기존 한계를 넘어서는 대용량을 구현할 수 있게 되었다.

2.2 128Gbps PAM4[1] 고속·저전력 트랜시버
메모리 컨트롤러 간 데이지 체인 연결에 병렬 신호 방식 대신 고속 차동 직렬 신호 방식을 적용하여 연결 단자 수를 줄였으며, PAM4(4레벨 펄스 진폭 변조) 기술을 활용해 저전력으로 128Gbps의 높은 대역폭을 달성했다.

2.3 플래시 메모리 성능 향상 기술
키오시아는 메모리 모듈 내 플래시 메모리의 읽기 지연 시간을 단축하기 위해, 순차 접근 시 데이터를 미리 읽어와 지연 시간을 최소화하는 플래시 프리페치(flash prefetch) 기술을 개발해 컨트롤러에 구현했다. 또한, 메모리 컨트롤러와 플래시 메모리 간 인터페이스에 저진폭 신호 및 왜곡 보정/억제 기술을 적용하여 메모리 대역폭을 4.0Gbps까지 향상시켰다.

2.4 메모리 컨트롤러 및 메모리 모듈 시제품 제작
키오시아는 128Gbps PAM4 고속·저전력 트랜시버와 플래시 메모리 성능 향상 기술을 구현하여, PCIe® 6.0(64Gbps, 8레인)을 서버 호스트 인터페이스로 사용하는 메모리 컨트롤러 및 메모리 모듈 시제품을 제작했다. 이 시제품 메모리 모듈은 40와트 미만의 전력 소비로 5TB 용량과 64GB/s 대역폭 구현이 가능함을 입증했다.

3. 향후 계획
키오시아는 엣지에서의 IoT, 빅데이터 분석, 고급 AI 처리뿐만 아니라, 생성형 AI와 같은 새로운 시장 트렌드를 활용하여 이번 연구 성과의 조기 상용화 및 실용화를 추진하고 있다.

[1] PAM4(4레벨 펄스 진폭 변조): 2비트 데이터를 나타내는 4가지 전압 레벨을 이용한 데이터 전송 기술.

* PCIe는 PCI-SIG의 등록 상표이다.

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키오시아 소개

키오시아(Kioxia)는 플래시 메모리 및 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)의 개발, 생산 및 판매에 주력하는 메모리 솔루션 분야의 세계적인 선도 기업이다. 2017년 4월, 전신인 도시바 메모리(Toshiba Memory)는 1987년 낸드(NAND) 플래시 메모리를 발명한 도시바(Toshiba Corporation)에서 분사했다. 키오시아는 고객에게 더 많은 선택권을 제공하고 사회를 위한 메모리 기반 가치를 창출하는 제품, 서비스, 시스템을 통해 ‘메모리’로 세상을 뒷받침하는 데 전념하고 있다. 키오시아의 혁신적인 3D 플래시 메모리 기술인 BiCS FLASH™는 첨단 스마트폰, PC, 자동차 시스템, 데이터센터, 생성형 AI 시스템을 포함한 고밀도 애플리케이션에서 스토리지의 미래를 열어가고 있다.

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