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일본의 도호쿠 대학에서 독립한 스타트업기업 파워 스핀은 MRAM 연구를 리드하고 있으며 최첨단 기술로 반도체 메모리 기술의 게임 체인지를 노린다. MRAM은 소니 그룹과 키옥시아 홀딩스(구 도시바 메모리 홀딩스)를 비롯해 TSMC와 한국의 삼성전자, 미국 인텔 등도 연구개발을 진행 중이다. 향후 연산 능력과 에너지 절약을 양립하기 위한 핵심 기술 중 하나다.
◇MRAM의 특성
전자는 전하 외에 자석의 성질도 아울러 가지지만, 통상의 CPU나 메모리에서 전하의 성질만을 사용해, 데이터를 유지하고 있다. 따라서 전원을 끄면 데이터가 사라진다. 계산을 하면서 데이터를 유지하려면 항상 전기를 켜두어야 하고, 동작하지 않을 때에도 대기 전력이 걸려 있었다.
또한, 전원을 공급하지 않아도 데이터를 유지하는 하드 디스크 등으로 데이터를 이동시키는 전력도 필요했다. 그러나 MRAM은 '스핀트로닉스'라고 하는 기술을 활용해 자석의 성질로 데이터를 유지한다. 반발하는 S극과 N극에 "0 또는 1"의 데이터를 할당한다.
전기를 흐르게 하지 않아도 데이터를 유지할 수 있어 소비 전력을 줄일 수 있는 구조다.
◇DRAM과 MRAM의 차이
통상 프로세서는 연산을 행하는 로직부와 데이터를 유지하는 메모리부가 분리되어 있지만, 스핀이 개발하는 '스핀트로닉스 프로세서'는 로직부와 메모리부를 융합함으로써 절전과 연산성을 확보한다. 계산을 할 때만 통전함으로써, 데이터 유지를 위한 대기 전력을 감소시킨다.
기존 프로세서보다 적어도 10분의 1의 저전력을 실현할 수 있다. 저전력으로 가동할 수 있기 때문에 기기의 발열을 피하기 위해 억제하고 있던 연산 능력을 향상시킬 수 있다.
◇스핀 트로닉스 프로세서 개요
파워 스핀은 영국의 암(ARM)을 벤처마킹하려 한다. 암은 영국 케임브리지에 본사를 둔 반도체 전문 회사로 시스템 플랫폼과 SoC의 HW/SW를 개발하는 회사다. 팹리스(fabless)기업이라 공장 없이 오직 설계만 하는 기업이며 자체적으로 제품을 판매하지 않고 타사에 라이선스를 제공해서 받는 로열티로 수익을 낸다. 따라서 매출에 비해 직원이 상대적으로 적다.
스핀의 엔도 테츠로 최고 기술 책임자(CTO)는 자사의 비즈니스 모델에 대해 현재 구조화된 반도체 설계, 제작 프로세스에 주목한다.
현재 반도체 생산 프로세스는 거액 투자를 필요로 하는 산업으로 수평분업이 진행되고 있다. 개발만 하는 미국 엔비디아나 퀄컴, 제조만을 담당하는 대만의 TSMC 등 플레이어가 확립되어 있다. 이들 회사들은 공정마다 사업을 전개해 투자 부하를 줄이고 반도체 제품의 세대교체 속도에 대응하고 있다.
암은 반도체 회로의 설계를 실시해, 이 설계도를 타사에 라이선스하는 것으로 수익을 올리고 있다. 또한 최종 제품에서도 생산 개수에 따라 로열티 수익을 얻는다. 실제로 스마트폰 등 하이테크 제품에서 산업기기용 임베디드 제품 등 수많은 최종 제품에 암 모델 프로세서가 채용되고 있다.
파워 스핀은 암과 마찬가지로 '스핀 트로닉스 프로세서' 설계도를 라이선스할 계획이다. 당분간은 캐시 메모리로 사용되는 SRAM 대체재로 이용을 노린다.
엔도 CTO는 "하이테크 제품용은 가격보다 성능이 중시된다. 장래에 보다 널리 사용되는 DRAM의 치환도 상정한다"고 말한다.
◇사업화에 가속
파워 스핀은 사업 가능성을 인정 받아 2021년 11월에 자후코 그룹 등으로부터 7억 엔의 자금 조달을 받았다. 자후코 그룹에서는 파워 스핀에 대해 "사회적 임팩트가 큰 기술로 사업화를 위한 특허 포트폴리오도 강하다"고 말한다.
조달한 자금으로 회로 설계 기술자의 채용 등을 실시하는 한편 도쿄도에 거점마련을 구상 중이다. 파워 스핀은 암과 마찬가지로 비즈니스 모델의 이익률이 높다고 전망한다.
고도로 정보화된 사회에서, 반도체 성능은 모든 시스템의 질을 결정한다. 향후 정보 처리량이 증가하면 전기 사용량이 증가하는 것은 틀림없다. 지금까지 미세화가 반도체 개발의 진화를 담당해 왔지만, 이제 탈탄소 사회가 진행되는 가운데 에너지 절약은 중요한 차별화의 요소다.
박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com
