하루「30억 건의 데이터 x AI」로 진화하는 거대 스마트 팩토리 사례

KIOXIA사의 욧카이치 공장은 일본의 주요 산업 도시 중 하나인 미에현 욧카이치시에 있다. 

세계 최대의 플래시 메모리 공장으로 약 30년 동안 첨단 디지털 기술을 도입해 온 일본의 대표적인 스마트 팩토리이다. 

매일 생성되는 30억여 개의 빅 데이터와 AI 기술을 최대한 활용하고 있는 최첨단 욧카이치 공장은 디지털 트윈을 활용하여 계속 진화하고 있다.

데이터와 AI를 활용 플래시 메모리 제조를 지원하는 거대한 스마트 팩토리

AI의 확산으로 데이터의 가치가 높아지고 있는 가운데 플래시 메모리의 중요성은 그 어느 때보다 더욱 높아지고 있다. 

머신러닝/딥러닝, 생성형 AI를 비롯한 다양한 AI 기술을 활용하려면 데이터를 수집하고 분석해야 한다. 

모든 AI 어플리케이션의 시작점이 되는 귀중한 데이터를 저장하는 플래시 메모리에 대한 수요도 AI의 급속한 발전으로 증가하고 있다.

KIOXIA의 요카이치 공장 플래시 메모리 제조

욧카이치시는 일본을 대표하는 공업 도시 중 하나로, 자동차, 기계, 식품 등 다양한 기업의 거점과 공장이 모여 있다. 

욧카이치시에 건설된 KIOXIA 욧카이치 공장은 야구돔 15개(694,000m2)에 해당하는 면적의 거대한 공장이다. 

7개 동의 제조 건물 안에는 수천 개의 제조 장비가 클린룸 상태에서 완전 자동 제어하에 하루 24시간 가동되고 있다. 

욧카이치 공장은 1992년 설립 이래 어플리케이션 개발에 따른 플래시 메모리 수요 증가로 계속 확장해 왔으며, 

2022년에는 새로운 제조 동(제조 7동)이 완성되었고 현재 욧카이치 공장에는 총 약 10,000명이 근무하고 있다.

세계 최대의 플래시 메모리 공장 중 하나인 욧카이치 공장은 첨단 디지털 기술을 활용한 일본의 대표적인 스마트 팩토리이다. 

이 공장 생산라인의 모든 설비에서 생성되는 하루 30억 개의 데이터와 AI 기술을 최대한 활용하는 최첨단 제조 활동이 이루어지고 있다.

엔지니어의 "장인정신"만으로 변화 상황에 대처 불가: 

KIOXIA사의 사명은 “메모리로 세상을 더 흥미롭게 만드는 것”이다. 

이 회사는 1987년에 낸드 플래시 메모리를 개발했다. 이 칩은 휴대용 음악 플레이어에서 디지털카메라, 노트북 PC, 스마트폰, 데이터 센터에 이르기까지 

광범위한 전자 장치와 시스템에 막대한 양의 데이터를 저장하는 저장 장치로 채택된다.

특히 스마트폰과 기타 모바일 기기용 플래시 메모리의 수요 증가로, 이 공장은 계속 확장해 왔다. 

스마트폰은 새로운 모델이 발표될 때마다 진화하여 더 큰 플래시 메모리, 더 높은 성능, 더 작고 얇은 플래시 메모리에 대한 끊임없는 수요에

KIOXIA는 소형화 및 다단계 메모리 셀, 메모리 셀의 3차원 적층 등 다양한 기술 혁신으로 부응해 왔다.

그 결과 용량과 성능이 크게 향상되어 플래시 메모리의 용량은 1990년대 256Mbit에서 오늘날 최대 2Tbit로 증가했다.

한편, 플래시 메모리가 발전함에 따라 메모리의 구조가 더욱 복잡해지고 제조의 어려움도 증가하였다. 

KIOXIA의 최신 제품 BiCS FLASH 3D 플래시 메모리는 수 μm 미만의 높이에 200개 이상의 메모리 셀 층으로 적층된다.

이 메모리 셀에 인플루엔자 바이러스 같은 크기의 직경 100nm의 홀이 있으며 1cm2 안에 그 밀도가 100억 개나 된다. 

또한, 홀 내부에는 DNA의 너비와 동일한 2~3nm 두께의 막이 균일하게 형성되어 있다.

KIOXIA의 BiCS FLASH 8세대 3D 플래시 메모리는 별도의 프로세스로 CMOS 회로용 웨이퍼와 메모리 셀용 웨이퍼를 제조한 다음 두 웨이퍼를 고정밀(CBA)로 접합한다. 

접합 공정은 웨이퍼의 직경이 1km라고 가정하면 1mm 편차의 정밀도로 제어된다. 원자 수준의 제어로 정밀하고 정확한 제조 품질이 보증된다.

욧카이치 공장은 이러한 방식으로 1년 365일 웨이퍼를 제조하고 있다. 

원자 1개 크기의 오차를 관리해야 하는 플래시 메모리의 제조 공정에서는 방대한 양의 데이터를 분석하고, 

결함이나 개선 사항을 시각화하여 생산 라인에 즉시 피드백하여야 하는데, 이러한 일은 엔지니어의 지식과 경험 등 장인정신만으로 처리할 수 있는 영역이 아니다. 

수백 개의 제조 프로세스에서 가동되는 제조장비, 검사장비 및 웨이퍼 운송 시스템에서 매일 30억 개의 데이터가 생성된다. 

더 이상 인간이 분석할 수 있는 한계를 훨씬 넘어선 양의 데이터이다.

“이것이 우리가 요카이치 공장에서 자동화를 적극적으로 추진하고 IT 및 AI 사용을 채택한 이유이다”라고 공장 관리자 시미즈씨는 강조한다.

30억 개의 데이터 및 AI 기반으로 품질 관리

욧카이치 공장은 약 30년 전에 준공한 후 규모를 확장하고 첨단 디지털 기술 도입으로 철저하게 공장을 스마트화하였다.

20년 전인 2005년에 이 공장은 이미 제조 분야에서 높은 수준의 자동화를 이루었다.

스마트한 첨단 기술과 AI의 활용은 처음부터 순조로운 것은 아니었다. 

공장 설립 당시 인터넷은 초기 단계였고 통신 속도가 매우 느려 데이터를 수집하고 분석하는 일이 매우 어려웠다. 

각 제조 동에서 생성되는 데이터는 서로 다른 데이터베이스에 저장되어 있어 데이터를 표준화하고 시각화하기가 좀처럼 쉽지 않았다. 

그래도 엔지니어가 수동 분석을 하는 것보다는 훨씬 효율적이었다. 

온갖 시행착오를 거치며 계속 최첨단 디지털 기술을 도입하여 괄목할 만한 스마트 팩토리로 성장했다. 

“IT의 발전에 따라 데이터 수집 및 분석의 효율이 크게 향상되었으며, 플래시 메모리의 진화도 IT의 발전에 따라 혜택을 보았다”고 시미즈씨는 말한다.

고도로 자동 제어되는 클린룸 외에도 매일 모든 공정에서 30억 개의 데이터를 수집 AI를 통해 실시간으로 분석한다. 

머신러닝에 의한 결함원인의 자동 추정, 딥 러닝에 의한 이미지 분류 등 다양한 분석 등 적극적인 AI활용으로 문제점과 개선점을 시각화한다. 

분석 결과는 장비 및 시스템에 피드백되어 제조 공정에 즉시 반영된다. 생산성 향상과 철저한 품질 관리로 고효율 고품질 제조 활동이 이루어지고 있다.

엔지니어는 제품 개발과 동시에 AI를 어떻게 활용할지 고민해야 하는 단계에 접어들고 있다고 시미즈씨는 말한다. 

실제로 엔지니어들은 매일 AI에 대한 연구와 교육을 심화하고 있다. 

위에 언급한 정교한 데이터분석 외에도 고품질 제조에 필요한 다양한 AI 어플리케이션을 고안하고 개발하는 경우가 많다. 

욧카이치 공장에서는 이러한 지식을 공유하는 프로젝트도 활발히 진행되고 있다.

시미즈 씨는 “IT와 AI를 통해 생산성을 향상하는 것도 중요하지만, 공장을 유지시키는 핵심인자는 여기서 일하는 직원들이며, 

이들이 욧카이치 공장이라는 거대한 스마트 팩토리를 구축했고 앞으로 발전시켜 나갈 중요한 역할도 이들 엔지니어들이다“ 고 강조했다.

디지털 트윈으로 스마트 팩토리 더욱 진화 발전

이처럼 그때 그때 최신 디지털 기술을 접목한 KIOXIA의 스마트 팩토리는 디지털 트윈을 활용해 더욱 진화 발전하고 있다.

디지털 트윈은 현실 세계의 물리적 환경을 가상 공간에서 실시간으로 재현한 후, 그 결과를 시뮬레이션하고 분석하여 현실 세계에 반영하는 것이다. 

개발 효율 향상과 비용 절감이 가능하므로 제조업에 서서히 도입되고 있다.

KIOXIA는 또한 디지털 트윈에 초점을 맞춘 선도 기업 중 하나다. 

욧카이치 공장과 2020년부터 플래시 메모리를 양산하고 있는 기타카미 공장(이와테현 기타카미시)은 디지털 트윈을 활용하여 협업을 진행하고 있다. 

가상 환경에서 실시간으로 공장을 복제하여 제조 장비와 시스템의 데이터 활용으로 제조 프로세스를 최적화한다.

이 회사는 디지털 트윈을 기타카미 공장에 적용한 결과, 이전보다 신속하고 원활한 공장착공에 성공했으며 더 높은 수율을 달성하고 있다.

가상 공간의 공장에 욧카이치 공장과 기타카미 공장의 제조와 관련된 모든 데이터가 실시간으로 집계된다. 

"일본에서는 디지털 트윈을 활용해 이런 규모의 제품을 만드는 공장이 많지 않다고 생각한다"라고 시미즈 씨는 말한다.

디지털 트윈의 사용은 제조 영역을 넘어서고 있다. 

자국과 해외에 있는 제조 거점을 디지털 트윈으로 연결함으로써 원활한 생산착수는 물론 제품을 시장에 신속히 출시할 수 있어 향후 

디지털 트윈을 통해 개발부터 자재 조달, 제조, 판매까지 전체 공급망을 최적화할 수 있을 것이다. 

“​모든 제조 현장의 모든 데이터를 디지털 트윈을 통해 실시간으로 연결할 수 있다면 생산량과 재고량이 더욱 명확해져 

자재 조달을 최적화하고 영업 활동의 효율성을 높일 수 있다. 

가장 이상적인 것 중 하나는 디지털 트윈을 사용하여 KIOXIA 전체에 부가가치를 창출하는 것이다​​​​​​”​라고 시미즈씨는 말한다.

또한, 시미즈씨는 디지털 트윈은 업무와 작업을 개선하는 방법이라고 말한다. 

“​무엇보다 중요한 것은 그것을 사용하는 목적에 있다. 욧카이치 공장에서는 업무 효율성을 높이기 위해 모든 부서에서 AI를 사용하고 있다. 

그러나 이것은 현재 AI를 활용하여 정의된 업무와 작업을 간소화하고 있을 뿐이다. 

디지털 트윈 같은 DX(디지털 혁신)를 통해 우리의 일을 어떻게 재정의하고 근본적으로 변화시킬지 고민해야 한다. 

이것은 또한 우리 공장과 KIOXIA의 플래시 메모리 기술의 추가 개발로 이어질 것이다.”​

지속적으로 부가가치를 창출하는 공장을 향하여

“​욧카이치 공장은 준공 이래 끊임없이 새로운 IT 및 AI 기술을 도입하여 발전해 왔다. 

앞으로 이 공장에서 어떤 부가가치를 창출할 수 있을지 바라보는 것이 중요하다”​라며, 

“​세상에 필요한 반도체와 플래시 메모리를 조합하고 제공하여 사회와 일상생활의 개선에 기여하는 일이 우리의 사명”​이라고 말한다.

참고 | https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2504/11/news002.html