DRAM 반도체의 기술 발전사와 산업 구조

반도체 산업의 숨은 심장, D램

스마트폰을 켜는 순간, 노트북 전원 버튼을 누르는 순간마다 조용히 일하는 칩이 있다. 바로 D램(DRAM)이다. CPU와 저장장치 사이에서 데이터를 임시로 붙잡아두는 이 휘발성 메모리는 화려한 스포트라이트를 받는 법이 없지만, 삼성전자와 SK하이닉스라는 두 기업이 한국 수출의 상당 부분을 떠받치는 이유이기도 하다.

D램의 원리는 1966년 IBM의 로버트 데나드가 고안했다. 트랜지스터 하나와 커패시터 하나로 비트 1개를 저장하는 1T1C 구조인데, 이 단순함이 오히려 집적도를 극한까지 끌어올릴 수 있게 했다. 1970년 인텔이 내놓은 1103이 최초의 상용 D램으로, 용량은 고작 1킬로비트였다. 지금 스마트폰 하나에 들어가는 D램 용량이 12기가바이트를 넘는 걸 생각하면, 반세기 만에 용량이 1억 배 넘게 늘어난 셈이다.

미세공정 경쟁의 물리적 한계

D램 미세공정은 나노미터 단위로 좁혀지고 있지만, 이 싸움은 로직 반도체와는 성격이 다르다. CPU나 AP는 트랜지스터만 촘촘히 박으면 되지만, D램은 커패시터가 전하를 얼마나 오래 저장하느냐가 관건이다. 셀 크기를 줄이면서도 커패시터의 정전용량은 유지해야 하는데, 이게 물리적으로 점점 어려워진다. SK하이닉스가 2023년 세계 최초로 양산에 성공한 1b(10나노급 5세대) 공정이 현재 업계 최선단이며, 삼성전자와 마이크론이 그 뒤를 바짝 쫓고 있다.

최근 3~4년 사이 산업의 무게중심이 확 바뀐 계기는 HBM(고대역폭 메모리)이다. D램 칩을 수직으로 쌓아 TSV(실리콘관통전극)로 연결하는 이 기술은 엔비디아 AI 가속기의 필수 부품이 되면서, 2023년만 해도 변방 취급받던 SK하이닉스의 HBM 사업부를 회사 전체 실적을 견인하는 핵심으로 바꿔놓았다. 2024년 SK하이닉스는 HBM3E를 엔비디아에 독점 공급하다시피 하며 삼성전자보다 먼저 고부가 시장을 선점했는데, 이는 메모리 반도체 역사에서 좀처럼 보기 힘든 '기술 선도 역전' 사례로 꼽힌다.

치킨게임의 역사와 산업 재편

D램 산업은 원래 참여자가 훨씬 많았다. 1980년대 일본 기업들이 미국을 제쳤고, 90년대 후반부터는 한국·대만·독일 기업들이 뒤섞여 경쟁했다. 2007~2010년 사이 벌어진 이른바 '치킨게임'—원가 이하로 가격을 내려 경쟁사를 시장에서 몰아내는 전략—은 산업 구조를 완전히 바꿔놓았다. 독일 키몬다는 2009년 파산했고, 일본 엘피다는 2012년 파산 후 마이크론에 인수됐다. 그 결과 지금은 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 세 회사가 전 세계 D램 시장의 90% 이상을 장악하는 사실상의 과점 체제가 됐다.

이 구조는 가격 변동성을 극심하게 만든다. 공급이 조금만 늘어도 가격이 폭락하고, 조금만 줄어도 폭등하는 게 D램 시장의 오랜 특징이다. 2023년 상반기 극심한 다운사이클로 삼성전자 반도체 부문이 적자를 냈다가, 2024~2025년 AI 서버 수요와 HBM 특수로 다시 흑자 전환한 흐름이 이를 잘 보여준다.

남은 과제들

업계 안팎에서는 D램의 미세화가 물리적 한계에 근접했다는 우려가 꾸준히 제기된다. 이 때문에 셀을 평면이 아니라 수직으로 쌓는 3D D램 구조 연구가 진행 중이고, 커패시터 없이 트랜지스터만으로 저장하는 '캡리스(capless)' 방식도 대안으로 거론된다. 동시에 중국의 창신메모리(CXMT)가 국가 지원을 등에 업고 빠르게 격차를 좁히고 있어, 향후 5년 안에 3강 체제가 흔들릴 수 있다는 전망도 나온다.

컴퓨터의 '작업대', D램

책상 위에서 숙제를 할 때를 떠올려보자. 필요한 책과 노트를 서랍(저장장치)에서 꺼내 책상(D램) 위에 펼쳐놓고 작업한다. 컴퓨터도 똑같다. CPU가 계산을 하려면 데이터를 바로 옆에 있는 D램에 올려놓고 빠르게 주고받아야 한다. 하드디스크나 SSD보다 D램이 훨씬 빠른 이유는, 이게 딱 그런 '작업대' 역할을 하기 때문이다.

왜 전원을 끄면 사라질까?

D램은 아주 작은 물통(커패시터)에 전기를 담아 0과 1을 표현한다. 그런데 이 물통은 시간이 지나면 물이 조금씩 새듯 전기가 빠져나간다. 그래서 D램은 1초에도 수십 번씩 전기를 다시 채워줘야 하는데, 이 과정을 '리프레시'라고 부른다. 전원이 꺼지면 더는 리프레시를 못 하니까 저장된 정보가 순식간에 날아간다. 반대로 USB나 SSD는 전기가 없어도 정보가 남는 '비휘발성' 메모리라서 저장 용도로 쓰인다.

한국이 이 분야 세계 1등인 이유

삼성전자와 SK하이닉스가 전 세계 D램 시장의 절반 이상을 차지하고 있다. 원래는 일본이나 독일 회사들도 강했는데, 2000년대 후반 극심한 가격 경쟁에서 여러 회사가 무너지면서 지금의 삼성·SK하이닉스·마이크론(미국) 세 회사 체제가 굳어졌다.

요즘 가장 뜨거운 건 'HBM'이라는 D램이다. 일반 D램을 그냥 옆으로 나열하는 대신, 여러 층으로 쌓아 올려서 데이터를 훨씬 빠르게 주고받게 만든 기술이다. 이게 왜 중요하냐면, 챗GPT 같은 AI를 학습시키는 서버 컴퓨터에 필수적으로 들어가기 때문이다. SK하이닉스가 이 HBM을 세계 최초로 대량 생산하는 데 성공하면서, AI 열풍의 숨은 수혜자로 떠올랐다.

앞으로의 숙제

D램은 반세기 넘게 계속 더 작게, 더 많이 만드는 방향으로 발전해왔다. 하지만 이제는 물리적으로 더 줄이기가 정말 어려운 수준에 도달했다는 얘기가 나온다. 그래서 칩을 평평하게 만드는 대신 아파트처럼 위로 쌓아 올리는 새로운 구조가 연구되고 있다. 또한 중국 기업들이 정부 지원을 받아 빠르게 쫓아오고 있어서, 한국 반도체 산업이 앞으로도 1등 자리를 지킬 수 있을지가 중요한 관심사다.

컴퓨터의 똑똑한 메모 수첩, D램

여러분이 시험 볼 때를 생각해보세요. 문제를 풀려면 머릿속에 방금 배운 내용을 잠깐 기억해둬야 하죠? 컴퓨터에도 이런 '잠깐 기억하는 부분'이 있어요. 그게 바로 D램이에요.

왜 컴퓨터를 끄면 다 사라질까?

D램은 아주 작은 물풍선 같은 것에 전기를 담아서 정보를 저장해요. 그런데 이 물풍선은 시간이 지나면 바람이 조금씩 빠지는 것처럼 전기가 새어 나가요. 그래서 컴퓨터는 1초에도 몇십 번씩 다시 전기를 채워 넣어야 해요. 만약 전원을 꺼버리면 더는 채워 넣을 수 없으니까, 저장했던 내용이 순식간에 사라져버려요. 그래서 게임을 하다가 저장을 안 하고 끄면 진행 상황이 없어지는 거예요.

우리나라가 정말 잘 만드는 물건

D램을 세계에서 제일 잘 만드는 회사 두 곳이 바로 우리나라 회사, 삼성전자와 SK하이닉스예요. 요즘은 D램 여러 개를 아파트처럼 층층이 쌓아 올려서 훨씬 빠르게 만든 'HBM'이라는 특별한 D램도 만들고 있어요. 이건 요즘 인기 많은 인공지능(AI) 컴퓨터에 꼭 필요한 부품이라서, 전 세계에서 서로 사려고 줄을 서고 있답니다.

앞으로 더 작게 만들 수 있을까?

D램은 지난 50년 동안 계속 더 작고 더 많이 저장할 수 있게 발전해왔어요. 옛날에는 손톱만 한 칩 하나에 겨우 글자 몇 개 정도만 저장했는데, 지금은 사진 수만 장을 저장할 수 있을 만큼 좋아졌어요. 하지만 이제는 너무 작게 만들다 보니 더 줄이기가 점점 어려워지고 있어요. 그래서 과학자들은 칩을 옆으로 넓히는 대신 위로 쌓아 올리는 새로운 방법을 열심히 연구하고 있답니다.