#1 반도체 스터디: 반도체 종류

반도체 산업 스터디/스타트업/투자

Jan 28. 2025

한국에서 반도체 산업이 차지하는 비중은 매우 큽니다. 코스피 시장에서 반도체가 30%를 차지하는 만큼 국내에서 반도체를 빼놓고 투자하기는 매우 어렵습니다. 전반적인 반도체 산업에 대해서 이해해 보는 시간을 가지려고 합니다.

반도체 종류

무언가를 깊게 파고들기 위해서는 전체적인 그림을 그리고 들어가야 합니다. 반도체를 알기 위해서 어떤 종류들이 있는지 정리해 보겠습니다.

반도체 종류 정리

반도체는 가장 크게 1) 메모리 반도체 2) 비메모리 반도체로 분류됩니다.

1. 메모리 반도체

메모리 반도체는 두가지 일을 합니다. '기억 및 저장'과 '전달'입니다. 두뇌 역할을 하는 CPU가 처리해야 하는 명령어를 '저장'해두고, CPU가 요청하면 '전달'합니다. 저장과 전달을 잘 하기 위해서는 '용량'과 '속도'가 중요합니다.

빠른 계산을 위해서 순간순간 기억해 주고 이를 전달하는 역할을 합니다. 예를 들어서, 100x125x187처럼 많은 수의 곱셈을 해야 한다면, 100x125를 잠깐 기억해 줍니다. 데이터를 저장하고 찾고 싶은 것을 빠르게 찾아서 전달해줍니다.

중요한 것은 메모리 반도체는 스스로 무언가를 시작할 수 없다는 것입니다. 누군가 저장하라고 하면 저장하고, 읽으라고 하면 그저 읽을 뿐입니다. 메모리 반도체가 CPU에게 명령을 내릴 수는 없습니다.

삼성전자의 메모리 반도체

1-1. 메모리 반도체 종류

메모리 반도체는 2가지로 종류가 나누어집니다.

1) D램

D램은 빠르지만 기억력이 좋지 않습니다. 전원을 끄면 기억이 사라집니다.

2) 낸드 플래시

낸드 플래시는 느리지만 기억력이 좋습니다. 전원을 꺼도 기억이 영구적으로 보존됩니다.

1-2. D램 종류

D램은 크게 4가지 종류가 있습니다.

1) DDR(Double Data Rate)
일반적으로 PC와 서버용에 사용되는 D램입니다. 데이터를 클럭 주파수의 상승/하강 시점에서 동시에 전송하는 방식을 사용합니다. 데이터 처리 속도가 빠른 것이 특징입니다.

2) LPDDR(Low Power DDR)

모바일 최적화 D램이라고 생각하시면 좋습니다. 작은 핸드폰에 최적화되어 배터리 소모를 최소화하는 저전력 설계가 특징입니다.

3) GDDR(Graphics DDR)

요즘 유행하는 'GPU(그래픽 처리 장치)'에 최적화된 고성능 메모리입니다. 높은 대역폭과 속도가 요구되는 GPU에 특화된 것이 특징입니다.

4) HBM(High Bandwidth Memory)

최근 D램에서 가장 중요해진 것이 바로 HBM입니다. 최첨단 메모리 기술로 메모리 반도체 칩을 수직으로 쌓아 올린 3D 설계가 특징입니다. AI, HPC(고성능 컴퓨팅), 데이터센터에 사용됩니다. HBM에 대해서는 다음 글에서 좀 더 자세하게 알아보겠습니다.

메모리 반도체 D램 종류

1-3. 낸드 플래시 종류

낸드 플래스는 크게 3가지 기준으로 종류가 나뉩니다.

1) 셀구성

D램의 역할은 데이터를 기억하고 저장하는 것입니다. 낸드 플래시는 메모리 셀이 '한 번에 저장할 수 있는 비트 수'에 따라 구분됩니다. 삼성전자에서 발행하는 용어사전에서 아래와 같이 이해하기 쉽게 표현합니다.

셀=반도체 칩 속 방
비트 수=방에 사는 사람 수

셀은 반도체 칩 속 방, 비트 수는 방에 사는 사람 수로 이해하면 쉽습니다(출처:삼성반도체이야기)

즉, SLC 하나의 방에 한 명의 사람이 살고 있는 것이 됩니다. 원룸에 혼자 살기에 가격은 비싸지만 삶의 질(=데이터 처리 속도)은 좋습니다.

SLC(Single-Level Cell): 하나의 메모리 셀이 1비트를 저장함

MLC(Multi-Level Cell): 하나의 메모리 셀이 2비트를 저장함

TLC(Triple-Level Cell): 하나의 메모리 셀이 3비트를 저장함

QLC(Quad-Level Cell): 하나의 메모리 셀이 4비트를 저장함

낸드 플래시 종류 정리

2) 구조

낸드플래시는 구조에 따라서 2가지로 구분됩니다. 2D구조가 1층 단독주택이라면, 3D 구조는 고층 빌딩이라고 생각하시면 됩니다.

2D 구조: 셀이 평면 구조로 배열된 구조입니다. 초기 낸드 플래시 구조로, 용량 확장이 어려운 단점이 있습니다.

3D 구조: 셀이 수직으로 쌓이는 구조입니다. 수직으로 셀을 쌓아 올림으로써 용량 확장이 가능합니다. 3D 기술을 통해서 메모리 반도체 성능이 높아져 현재 주류 기술로 사용되고 있습니다.

낸드플래시 2D, 3D 구조 비교(출처:램리서치)

3) 적층 기술

3D 구조가 생기면서 셀을 수직으로 쌓아 올리게 되었습니다. 그럼 이제는 몇 층까지 쌓아 올림에 따라서 낸드플래시가 구분됩니다. 현재 삼성전자와 SK하이닉스가 치열하게 경재하고 있습니다.

32층(2013년): 삼성전자가 32층으로 쌓아 올린 최초의 3D 낸드플래시 양산에 성공합니다.

64층(2017년): 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론등이 대규모 양산에 들어가면서 3D 낸드가 본격적으로 대중화되기 시작합니다.

128층(2019년): SK하이닉스가 세계최초로 100층을 넘은 128층 낸드플래시 양산에 성공합니다.

286층(2024년): 삼성전자가 286층 낸드를 양산하고 있습니다.

321층(2024년): SK하이닉스가 321층 낸드플래시 양산에 성공했다고 밝히며, 2025년부터 고객사에 공급하겠다고 밝혔습니다.

400층 이상(2025년): 삼성전자는 2025년 2월 '고체회로학회'에서 400층 이상의 낸드플래시 논문을 발표할 계획이라고 합니다.

치열한 낸드 적층 기술 현황

1-4. 메모리 반도체 대표 기업

메모리 반도체는 TOP 3 기업인 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론이 글로벌 시장점유율 80% 이상을 차지하고 있습니다.

삼성전자

sk하이닉스

마이크론

키옥시아(Kioxia)

웨스턴 디지털(Western Digital))

2. 비메모리 반도체(=시스템 반도체)

비메모리의 가장 큰 특징은 '데이터 처리 및 제어'입니다. 메모리 반도체가 정보를 기억했다면, 비메모리는 데이터를 처리하고 제어하는 역할을 합니다. 비메모리 반도체는 대체가 불가능하여, 성능과 제품에 맞는 최적화가 중요합니다. 그렇기에 고객사로부터 먼저 수주를 받고 나서 생산에 들어갑니다.

비메모리 반도체 시장은 우리나라가 주력하는 메모리 반도체시장보다 훨씬 큰 시장입니다. 시장규모는 3배 이상 차이가 납니다. 소프트웨어 산업에서 우위를 점하고 있는 미국이 절반 이상의 점유율을 보유 중입니다.

비메모리 반도체는 컴퓨터의 '두뇌'입니다.

2-1. 비메모리 반도체 종류

1) CPU(Central Processing Unit)

컴퓨터 및 서버의 핵심 처리 장치입니다. 데이터 연산, 명령어 처리, 프로그램 실행제어등 컴퓨터의 주요 기능을 처리하는 '중앙 처리 장치'입니다.

2) GPU(Graphics Processing Unit)

GPU는 그래픽 처리와 병렬 연산에 특화된 비메모리 반도체입니다. 단순한 작업을 빠른 속도로 처리할 수 있기에, AI 학습 및 머 신너링 등 최근 많은 곳에서 사용되고 있습니다.

3) AP(Application Processor)

AP는 스마트폰이나 태블릿등의 두뇌 역할을 하는 메인 반도체칩을 의미합니다. CPU, GPU, 메모리칩등을 하나의 칩으로 모아 놓은 반도체라고 생각하시면 됩니다. 크기가 작은 모바일의 경우 저전력이 중요하기 때문에 하나의 반도체 칩에 여러 기능을 모으는 것이 중요합니다.

모바일 AP는 다양한 기능을 모은 반도체입니다. (출처:삼성반도체이야기)

4) NPU(Neural Processing Unit)

NPU는 AI와 딥러닝 연산에 특화된 반도체입니다. AI 모델을 학습하고 추론하는 데 사용됩니다. 물론 CPU, GPU도 AI 학습에 사용될 수 있습니다. 하지만 NPU는 '기계 학습'이라고 불리는, 학습된 데이터를 통해 새로운 데이터에 대한 예측과 결정을 내릴 수 있다는 강점이 있습니다.