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빠르고, 비휘발이고, 빽빽하고, 닳지 않는 단 하나의 메모리 — MRAM·PCRAM·ReRAM·FeRAM이 같은 꿈을 다른 물리로 쫓는다.
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당신이 이 글을 읽는 지금, 컴퓨터 안에서는 데이터가 끊임없이 자리를 옮기고 있다. 빠르지만 비싸고 작은 메모리, 느리지만 싸고 큰 메모리 사이를 부지런히 오가며. 이 위계는 수십 년간 컴퓨팅의 토대였다. 그런데 그 토대를 떠받치던 두 기둥 — D램과 낸드 — 이 동시에 물리적 한계에 부딪히고 있다.
그래서 학계와 산업계는 오래된 꿈 하나를 다시 꺼냈다. 하나의 메모리로 전부 해결하는 '유니버설 메모리'. 빠르면서, 전원이 꺼져도 데이터가 남고, 빽빽하게 집적되며, 수없이 다시 써도 닳지 않는 메모리. 이 글은 왜 기존 메모리가 벽에 부딪혔는지, 그 벽을 넘으려는 네 가지 후보(MRAM·PCRAM·ReRAM·FeRAM)가 각각 무엇이며 무엇을 약속하고 무엇이 아직 발목을 잡는지, 그리고 — 솔직하게 — 아직 어느 것도 D램과 낸드를 완전히 대체하지 못한 현주소까지 따라간다. (근거는 모두 arXiv 프리프린트다. 동료평가 전 단계의 결과라는 점을 감안해 읽어 달라.)
컴퓨터 메모리는 피라미드처럼 쌓여 있다. 꼭대기에는 가장 빠른 S램(캐시), 그 아래 주기억장치인 D램, 맨 아래에 대용량 저장장치인 낸드 플래시. 위로 갈수록 빠르지만 비싸고 작고, 아래로 갈수록 느리지만 싸고 크다. 문제는 이 세 층이 거의 동시에 미세화의 끝을 보고 있다는 점이다.
D램의 가장 근본적인 약점은 데이터를 붙잡아 두기 위해 끊임없이 리프레시(주기적 재충전)를 해야 한다는 것이다. 작은 커패시터에 담긴 전하가 새어 나가기 때문이다. 이 리프레시는 전력을 먹고 성능을 갉아먹는데, 더 심각한 것은 이것이 미세화에 따라 점점 더 나빠지는 확장의 벽이라는 점이다. 셀이 작아지고 칩 용량이 커질수록 리프레시 부담은 커진다 (arXiv:2306.16024).
미세화는 또 다른 자해를 낳았다. 셀이 서로 너무 가까워지면서, 한 줄(row)을 반복해서 두드리면 옆줄의 데이터가 멋대로 뒤집히는 현상이 나타난 것이다. 이른바 '로우해머(RowHammer)'다. 더 무서운 변종도 보고됐다. 한 줄을 오래 열어 두기만 해도 옆줄이 교란되는 '로우프레스(RowPress)'인데, 실제 DDR4 칩 164개를 분석한 결과 비트플립을 일으키는 데 필요한 활성화 횟수를 한두 자릿수나 줄였고, 극단적으로는 인접 줄을 단 한 번 활성화하는 것만으로도 비트가 뒤집혔다. 게다가 이 취약성은 미세화가 진행될수록 더 심해진다 (arXiv:2306.17061). 산업계는 이 문제를 풀기 위해 D램 제조사와 사용자(시스템 설계자) 사이의 오래된 칸막이 자체가 진보의 걸림돌이 되고 있다고 진단할 정도다 (arXiv:2401.16279).
낸드 플래시는 다른 길을 택했다. 평면에서 미세화하는 대신 셀을 수직으로 수십 층 쌓아 올리는 3D 적층으로 밀도를 높였다. 덜 공격적인 공정으로도 집적도를 끌어올리는 영리한 우회였다. 하지만 공짜는 없었다. 실제 3D 낸드 칩을 분석하자 평면 낸드에는 없던 세 가지 새로운 오류원이 드러났다. 층마다 오류율이 다른 '층간 공정 편차', 프로그래밍 후 몇 시간 안에 오류가 급증하는 '조기 데이터 유실', 이웃 셀의 값에 따라 전하 누출 속도가 달라지는 '데이터 유지 간섭'이다 (arXiv:1807.05140).
밀도를 더 짜내려는 시도는 한계를 더 선명하게 만든다. 한 셀에 4비트를 욱여넣는 QLC 낸드는 읽기 여유(margin)가 너무 좁아져, 인접 셀 사이 전하가 옆으로 새는 '측면 전하 이동'에 시달린다. 한 연구는 LSTM 신경망으로 페이지 데이터 배열을 바꿔 비트 오류율을 평균 80.4% 낮췄다 — 알고리즘까지 동원해야 할 만큼 물리적 여유가 빠듯하다는 뜻이다 (arXiv:2511.00075). 내구성도 문제다. 낸드의 지우기(erase) 동작은 20V가 넘는 높은 전압을 3.5밀리초 넘게 가하는데, 이것이 셀의 수명을 깎는 주범이다. 셀 상태에 맞춰 지우기 시간을 적응적으로 조절하면 실제 3D 낸드 칩 160개에서 SSD 수명을 43% 늘릴 수 있었다 (arXiv:2404.10355).
요컨대 세 층 모두, 더는 단순히 작게 만드는 것만으로는 나아갈 수 없는 지점에 와 있다.
여기서 오래된 질문이 되살아난다. 왜 메모리를 굳이 여러 층으로 나눠야 할까? S램처럼 빠르고, 낸드처럼 비휘발성이며(전원이 꺼져도 데이터가 남고), D램처럼 빽빽하면서, 수없이 다시 써도 닳지 않는 단 하나의 메모리가 있다면?
이 '유니버설 메모리'의 꿈은 비휘발성 메모리(NVM) 연구의 북극성이다. 한 튜토리얼은 새로운 NVM 기술들이 S램·D램 같은 기존 휘발성 메모리의 유망한 대안이라고 정리하며, 실제 소자가 드물어 시뮬레이터가 핵심 역할을 한다고 짚는다 (arXiv:2502.10167). 후보는 한둘이 아니다. 비휘발성 주기억(NVMM) 기술을 정리한 또 다른 리뷰는 여러 기술의 분류 체계와 하이브리드 메모리 연구 방향을 함께 제시한다 (arXiv:2010.04406). 그리고 이 후보들을 비교하면 하나의 정직한 결론이 나온다 — 어느 하나도 모든 항목에서 이기지 못한다. 한 교차 스택 프레임워크는 각 NVM이 밀도·읽기·쓰기·신뢰성을 저마다 다르게 맞바꾼다는 점을 벤치마크로 보여준다 (arXiv:2109.01188). 꿈은 하나지만, 그 꿈에 다가가는 길은 적어도 네 갈래다.
MRAM(자기저항 메모리)은 전하 대신 전자의 자기적 방향(스핀)에 정보를 저장한다. 자성층의 자화 방향을 바꿔 0과 1을 표현하므로, 전원이 꺼져도 데이터가 남는다. 한 연구는 MRAM을 "유니버설 메모리가 될 잠재력"을 가진 기술로 꼽으며 무한에 가까운 내구성, 낮은 읽기/쓰기 지연, 초저전력, 고밀도, CMOS 호환성을 장점으로 든다 (arXiv:2104.00198).
가장 큰 숙제는 '쓰기'다. 1세대 STT-MRAM은 스핀 전류로 자화를 뒤집는데, 임계 전류가 높아 초고속 동작에 불리했다. 그래서 등장한 것이 SOT-MRAM이다. 면내 전류가 만드는 스핀-궤도 토크로 자화를 뒤집는 방식인데, 한 두-단자 SOT-MRAM 셀은 같은 구조의 STT-MRAM 대비 임계 쓰기 전류를 70% 넘게 줄였다 (arXiv:1806.09713). 더 미래적인 시도도 있다. 모든 층을 2차원 물질로 만든 자기저항 메모리는 외부 자기장 없이 상온에서 스위칭하는 데 성공했다 (arXiv:2312.01269). MRAM은 이미 틈새에서 쓸모를 증명하고 있다. GPU의 L1 캐시에 STT-MRAM을 결합한 한 설계는 칩 밖 메모리 접근을 32% 줄여 성능을 217% 끌어올리고 에너지를 53% 절감했다 (arXiv:1903.01776).
PCRAM(상변화 메모리)은 물질을 결정 상태와 비정질 상태 사이에서 전환해 정보를 저장한다. 두 상태의 전기저항 차이가 0과 1이 된다. 대표 물질은 Ge2Sb2Te5(GST) 계열이다. 한 종합 리뷰는 PCM의 강점으로 결정/비정질 사이의 큰 저항 대비, 확장성, 빠른 스위칭을 들면서, 동시에 높은 리셋 전류와 변동성이라는 과제도 함께 짚는다 (arXiv:1001.1164).
PCRAM은 D램을 겨냥한 주기억 후보로도 거론된다. 비휘발성에 누설 전력이 0이고, D램보다 높은 셀 밀도와 긴 데이터 유지 시간, 더 나은 용량 확장성을 제공하기 때문이다 — 다만 쓰기 지연과 쓰기 에너지는 D램보다 크다 (arXiv:2107.11516). 미세화 관점에서 가장 흥미로운 결과 하나는 '단일 원소' 상변화 메모리다. 보통 정확한 비율의 여러 원소를 섞어 만드는데, 안티모니라는 단일 원소도 극히 작은 부피에 가두면 유효한 대안이 된다는 것이다. 조성을 단순화하면 소자를 공격적으로 축소할 때 생기는 화학량론 이탈 문제를 없앨 수 있다 (arXiv:1902.00254). 한편 PCRAM의 약점인 저항 드리프트(시간에 따라 저항이 변하는 현상)는 인메모리 연산의 정밀도를 떨어뜨리는데, 상 구성을 안정적인 요소에 '투영'하는 구조로 이를 완화하려는 연구도 진행 중이다 (arXiv:2105.13693).
ReRAM(저항변화 메모리)은 절연 물질에 전압을 걸어 내부에 전도성 통로(필라멘트)를 만들거나 끊어 저항을 바꾸는 방식이다. 구조가 단순하고 고밀도 집적에 유리해 멤리스터라는 이름으로도 널리 연구된다. 그 작동 원리가 실제로 무엇인지는 오랫동안 논쟁거리였다. 한 연구는 싱크로트론 X선으로 전도성 통로가 형성되는 순간을 직접 관찰해, 산소가 부족한 통로가 줄(Joule) 가열에 의한 열영동과 확산으로 만들어진다는 것을 보였다 (arXiv:1701.00864).
ReRAM은 극한 환경에서도 강했다. 한 산화물 멤리스터는 상온부터 1.5켈빈의 극저온까지 저항 스위칭에 성공해, 선택 소자가 필요 없는 극저온 크로스바의 가능성을 열었다 (arXiv:1908.05545). 다만 이 분야에는 건강한 회의론도 있다. 흔히 "모든 저항변화 메모리는 멤리스터"라고 말하지만, 한 실험은 전기화학적 금속화 셀을 엄밀히 시험한 결과 그것이 이상적인 멤리스터가 아님을 보였다 — 멤리스터라는 이상적 소자가 실제로 만들어질 수 있는지에 의문을 던진 것이다 (arXiv:1909.07238). 과장 없는 평가가 기술을 더 단단하게 만든다.
FeRAM(강유전체 메모리)은 강유전체의 분극 방향에 정보를 저장한다. 오랫동안 실리콘 공정과 잘 맞지 않아 틈새에 머물렀지만, 강유전성 HfO2(이산화하프늄)의 발견이 판도를 바꿨다. 실리콘 호환성이 좋고, 얇은 막에서도 분극이 의외로 잘 유지되기 때문이다. 다만 왜 HfO2가 강유전성을 띠는지는 여전히 논쟁 중인데, 한 제일원리 계산은 흔히 간과되던 2가 양전하 산소 공공(空孔)이 강유전 상을 안정화하는 핵심이라고 제안한다 (arXiv:2106.12159).
수치로 보면 잠재력이 또렷하다. 한 HfO2 기반 FeFET 모델은 10년 이상의 데이터 유지, 10^12 사이클이 넘는 높은 내구성, 1나노초 이하의 빠른 분극 스위칭을 정리한다 (arXiv:2105.12892). 최신 소자들은 더 공격적이다. HfO2/ZrO2 강유전 메모리는 5V 이하에서 20피코초의 비파괴 읽기와 1나노초 쓰기, 10^11 사이클 이상의 내구성, 10년 유지를 단 14펨토줄의 읽기 에너지로 달성했다 (arXiv:2606.03677). FeFET는 S램의 약점(면적·누설)을 직접 겨냥하기도 한다. 한 4-트랜지스터(4T) 차동 FeFET 비트셀은 기존 6T S램보다 작으면서, 비휘발성 모드에서 2나노초 저장 시간에 0.13마이크로와트의 저장 전력만 쓰고 별도의 백업/복원 동작이 필요 없었다 (arXiv:2606.19918). 흥미롭게도 강유전체는 비휘발 메모리만이 아니다. HZO 강유전 커패시터로 밀리초 규모의 휘발성 메모리(시간 상수를 조절할 수 있는)를 만들어 뇌를 흉내 낸 시간적 연산에 쓰려는 연구도 있다 (arXiv:2508.08973). 비파괴 읽기를 강조한 또 다른 강유전 커패시터는 1V에서 10^9 사이클 넘게 읽어도 견뎠다 (arXiv:2512.16040).
차세대 메모리의 진짜 야심은 단순히 D램·낸드를 대체하는 데 그치지 않는다. 더 큰 표적은 컴퓨터 구조 그 자체의 오래된 병목이다.
오늘날 거의 모든 컴퓨터는 연산 장치와 메모리가 분리된 폰노이만 구조다. 데이터는 계산을 위해 메모리와 연산기 사이를 끊임없이 오가야 하는데, 이 데이터 이동이 에너지와 시간을 잡아먹는 병목이 된다. 특히 AI처럼 데이터가 많은 작업에서 치명적이다. 해법은 발상의 전환이다 — 데이터가 있는 그 자리에서 바로 계산하자(인메모리 컴퓨팅). 무어의 법칙이 한계에 다다른 지금, 멤리스터 같은 소자가 인메모리 컴퓨팅과 딥러닝 가속, 스파이킹 신경망의 길을 연다는 리뷰가 이 흐름을 잘 요약한다 (arXiv:2004.14942).
이건 이론에 그치지 않는다. 한 연구팀은 76만 개의 상변화 메모리(PCM) 소자 위에서 완전한 인메모리 초차원 컴퓨팅 시스템을 구현해, 언어·뉴스·제스처 인식 과제에서 소프트웨어와 맞먹는 정확도를 냈다 (arXiv:1906.01548). 비휘발성 메모리 자체를 연산에 쓰려는 시도도 활발하다. 3D 낸드 플래시를 연산 장치로 재설계한 한 PIM(메모리 내 처리) 구조는 거대 언어모델의 토큰 생성을 떠맡아, RTX4090 4장 구성 대비 2.4배 빠른 속도를 냈다 (arXiv:2511.12860). 흥미롭게도 D램을 두드려 데이터를 망가뜨리던 로우해머의 원리(여러 줄 동시 활성화)는, 거꾸로 D램을 거대한 병렬 연산기로 쓰는 프로세싱-인-D램의 기반이기도 하다. 상용 D램 칩이 칩이나 인터페이스 변경 없이도 비트 단위 대량 연산을 수행할 수 있음이 실증됐다 (arXiv:2412.19275).
메모리의 무대는 전자 너머로도 넓어진다. 빛으로 동작하는 광집적회로를 위해, 저항 스위칭과 광학적 읽기를 결합한 비휘발성 광-전자 저항 메모리가 떠오르고 있고 (arXiv:2606.01463), 2차원 물질(MoS2/h-BN/그래핀)로 만든 반데르발스 플래시는 약 20나노초의 쓰기/지우기 속도를 보였다 (arXiv:2009.01581).
여기까지 보면 차세대 메모리가 곧 모든 것을 갈아치울 것 같다. 하지만 정직한 그림은 더 조심스럽다. 아직 어느 후보도 D램과 낸드를 완전히 대체하지 못했다. 각자 자기에게 맞는 틈새 — 임베디드 메모리, 캐시, 스토리지 클래스 메모리, 뉴로모픽·인메모리 가속기 — 부터 파고드는 중이다.
이유는 분명하다. 후보들을 나란히 벤치마크하면 모든 항목에서 이기는 단 하나가 없다 (arXiv:2109.01188). MRAM은 쓰기 전류와 스위칭의 확률적 변동성과 씨름하고 (arXiv:1806.09713, arXiv:2104.00198), PCRAM은 높은 리셋 전류·쓰기 에너지·저항 드리프트를 안고 있으며 (arXiv:1001.1164, arXiv:2107.11516, arXiv:2105.13693), ReRAM은 변동성과 — 무엇이 진짜 작동 원리인지에 대한 — 근본적 물음표를 남기고 (arXiv:1909.07238, arXiv:1701.00864), FeRAM/FeFET조차 강유전 HfO2의 메커니즘과 소자 단위 특성 편차를 여전히 다듬는 중이다 (arXiv:2106.12159, arXiv:2105.12892). 그래서 시뮬레이터와 모델링이 이렇게 중요하다 — 실제 소자가 아직 충분치 않기 때문이다 (arXiv:2502.10167).
한국은 D램과 낸드 양쪽에서 세계를 이끄는 메모리 강국이다. 위에서 본 벽들 — 미세화, 리프레시, 로우해머, 3D 적층의 새 오류원, QLC의 좁은 여유, 지우기 내구성 — 은 곧 이 산업이 매일 마주하는 현실의 문제이기도 하다. 어떤 차세대 후보가, 어느 틈새부터, 언제 주류로 올라설지는 아직 열린 질문이다.
차세대 메모리의 이야기가 흥미로운 건, 그것이 '하나의 정답'을 향한 직선 경주가 아니기 때문이다. D램과 낸드라는 두 거인이 동시에 벽에 부딪힌 지금, 전자의 스핀(MRAM), 물질의 상(PCRAM), 저항의 변화(ReRAM), 강유전체의 분극(FeRAM)이 저마다 다른 물리로 같은 꿈 — 빠르고, 비휘발이고, 빽빽하고, 닳지 않는 메모리 — 을 좇고 있다. 게다가 이들은 단순한 대체재가 아니라, 메모리와 연산을 합쳐 폰노이만 병목을 푸는 새로운 컴퓨팅의 재료이기도 하다.
아직 승자는 없다. 어쩌면 승자는 끝내 하나가 아닐지도 모른다. 분명한 건, 우리가 데이터를 '저장하는 방식'이 다시 한번 근본부터 흔들리고 있다는 사실이다. 다음에 당신의 기기가 눈 깜짝할 새에 켜지거나, 전원을 뽑아도 작업이 그대로 남아 있다면 — 그 뒤에는 이 조용한 경쟁의 결과가 있을 것이다.
이 글은 공개된 arXiv 프리프린트(동료평가 전 단계)를 바탕으로 한 기술 해설이며, 투자나 제품 선택의 근거가 아닙니다.
기존 메모리의 벽 — D램
기존 메모리의 벽 — 낸드
유니버설 메모리 / 종합·모델링
MRAM (자기저항)
PCRAM (상변화)
ReRAM / 멤리스터 (저항변화)
FeRAM / FeFET (강유전체 HfO2)
인메모리 / 뉴로모픽 / 폰노이만 병목
메모리 너머 — 광·2D