반도체 종류와 용어 ① 메모리 반도체 (DDR 낸드플래시 RAM ROM)

중국 반도체굴기와 그에 따른 산업지형 전망을 예측하려면 기본적으로 반도체의 종류가 어떤 것이 있고 무엇에 쓰이고 있으며 그걸 잘하는 회사는 어디인지 알아야 한다.

 

메모리 반도체

메모리, 말그대로 데이터를 기억하는 장치를 말한다. 따라서 얼마나 많은 양을 기억하고, 빠르게 읽고 쓰는 동작을 할 수 있는가가 관건이다. 최근에는 모바일 디바이스의 발달과 함께, 초박형으로 사이즈를 줄이는 것과 저전력으로 동작하는 기술도 중요해지고 있다.

RAM : 임의접근 기억장치, 어떠한 데이터 영역에 접근하여 작업하던지 동일한 시간이 걸리는 메모리를 뜻한다. 초창기의 RAM은 음극선관, 자기코어를 이용했기에 주판 수준으로 그 크기가 거대했고 오늘날의 초미세 집적회로와는 거리가 멀었다.

(흔히 알고 있는 '읽고 쓸 수 있는' 이라는 의미가 오해라고 한다. 나도 예전에 배울때 ROM과 대비하여 전원이 꺼지면 내용이 날아가는 휘발성 메모리라고 들었던 기억이 난다.)

SRAM : 동적(Dynamic)을 뜻하는 DRAM과 상반되는 의미로 정적(Static)이라는 이름이 붙었다. 위 CMOS SRAM 회로도와 같이 6개의 트랜지스터 소자가 하나의 filp-flop (1비트의 정보를 보관할 수 있는 공간)을 구성한다. 두 쌍의 인버터가 0/1값을 안정적으로 유지하므로 내용이 계속 보존되고, 대칭회로의 구조로 인해 처리속도가 DRAM보다 훨씬 빠르다.

 

DRAM : 개개의 비트를 각각의 Capacitor에 저장하는 방식이다. 축전기는 방전되는 특성이 있어 결국 저장된 0/1값을 잃어버리게 된다. 따라서 주기적으로 정보를 Refresh 해주어야 하고 이것이 동적(Dynamic) RAM이라고 부르는 이유이다. 1968년 IBM 왓슨연구소의 로버트 H. 데나드 박사가 발명특허를 받았다.

SDRAM : 동기식(Synchronous) DRAM이며 SRAM과는 무관하다. 제어장치 입력을 Clock Pulse와 동시에 실행하도록 하는 방식이다. 현재 널리 쓰이고 있는 DDR SDRAM과 대비하여 SDR SDRAM 이라고도 하는데, 각 클록사이클 한번당 하나의 정보를 전송한다고 하여 Single Data Rate 명칭이 붙었다. (그전에 그냥 DRAM은 어떤 방식으로 Refresh한거지..?)

DDR : 위의 SSR과 대비해서 빨라진 Double Data Rate 방식의 DRAM이다. 클록사이클 상승/하강때마다 두번씩 동기화를 하니까 Clock Frequency를 높이지 않고 대역폭(?)이 두배가 늘어났다. 이후 DDR2, DDR3은 각각 동시에 4비트, 8비트를 액세스할 수 있게 하여 갈수록 넓은 메모리 대역폭을 제공하게 된다.

ROM : 고정기억장치 (Read-Only Memory) 또한 어릴적부터 RAM과 함께 익히 들어온 용어이다. 한번 데이터를 씌워 놓으면 고정이 되어버리고 수정이나 삭제를 할 수가 없다는 뜻인데, 따라서 컴퓨터의 바이오스(BIOS)라던지 운영체제(OS), 펌웨어 등을 저장하는데 사용되었다. 어릴적 게임기에 꼽아서 플레이하던 게임팩 카트리지도 이에 해당한다.

 

EEPROM : 1956년 1번 변경이 가능한 PROM, 1971년 자외선 노출로 반복적 프로그래밍이 가능한 EPROM, 1983년 EEPROM 발명으로 이제 장착된 ROM에 결함이 있어도 제품전체를 리콜을 하는 사태는 없게 되었다. 그래도 EEPROM은 플래쉬메모리에 비하면 매우 느리며 반복기록횟수에 약 10만회 정도의 제한이 따른다.

FLASH : 도시바가 1980년대 중반 발명하고 1990년대 초반 상용화하였다. 데이터 보존에 전력이 필요없는 비휘발성 메모리이지만 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 기억장치이다. 따라서 Read-Only라는 ROM의 개념은 무의미하게 되었다. 속도가 빠르고 충격에도 강해서 배터리를 사용하는 이동식장치에 많이 쓰이면서 EEPROM을 대체하고 있다.

NAND&NOR : 플래시 메모리를 발명한 마스오카 후지오 박사는 1984년 IEEE에서 발표하는데, 이 잠재력을 알아본 인텔도 연구에 착수하여 1988년 NOR 타입 플래시메모리를 내놓는다. 그러나 이듬해 다시 도시바에서 NAND FLASH를 발표하는데, NOR에 비해 속도가 빠르고 집적도가 높아 단가가 낮고 내구성도 훨씬 뛰어났다.

(NAND와 NOR의 원리적 차이점은 트랜지스터 회로도 보고 공부를 더 해야하는데 그건 나중에 따로 시간날때 한번 보기로 하고,,,)

기술은 돈되는 쪽을 쫓고 현재는 모두 알다시피 NAND FLASH 쪽이 주류를 이루고 있다. 지우기 횟수가 제한이 있다는 점을 극복하기 위해 블록별로 지운횟수를 카운트하여 고르게 쓰이도록 배치해서 수명을 늘린다. 하드디스크도 SSD가 대체해가는 추세이다.

SSD 장단점

 

장점

○ 임의 접근을 하기 때문에 탐색 시간이 없어 보다 빠르게 데이터를 주고 받을 수 있다.

○ 물리적인 이동이 없기 때문에 전력을 절약할 수 있으며, 소음이 없고, 발열도 낮다.

○ 물리적으로 움직이는 부분이 없어 기계적으로 접근이 실패할 가능성이 없기 때문에 높은 기계적 신뢰성이 보장된다.

충격, 기압, 진동, 온도 변화에 강하다.

○ 하드 디스크 드라이브보다 무게가 더 가볍다.

○ 크기적인 제약이 약하다. 하드 디스크와는 달리 저장장치를 구성하는 물리적인 구성요소가 단순하고, 필요에 따라 늘이고 줄이는 것이 비교적 간단하여 매우 작은 크기로 만드는 것이 가능하다.

○ 전송속도의 증가가 비교적 쉽다. HDD의 경우 데이터 전송 속도를 향상시키기 위해서는 플래터에서 물리적으로 서로 다른 위치에 있는 데이터까지 바늘이 빠르게 움직여야 하기 때문에 기계적인 장벽이 문제가 되는 반면, SSD 의 경우 데이터 전송 속도는 이와같은 기계적인 장벽에서 자유롭기 때문에 논리적인 구조에 따라 전송 속도를 비교적 쉽게 증가시킬수 있다.

단점

○ 2016년 현재 플래시 메모리의 단위용량당 가격이 하드 디스크 드라이브보다 7배 비싸므로, 수요가 점진적으로 증가하는 추세다.

○ 데이터를 기록하는 행위 자체가 기록 소자의 파손을 유발하므로, 하드 디스크 드라이브보다 수명이 짧다. Wear leveling(균등 분배) 기술로 수명의 연장이 가능하다.(그러나 현실적으로는 기록소자가 파손되기 전에 장치의 수명이 끝날 확률이 더 높다)

○ 다른 요인 때문에 데이터 손상이 있을 수 있다. 예를 들면 (특히 DRAM 기반의 솔리드 스테이트 드라이브에서) 뜻밖의 정전으로 데이터 손실이 발생할 수 있으며, 일반 하드 디스크 드라이브에 비해 정전기에 약하다.

○ 하드 디스크 드라이브처럼 바로 덮어쓰기를 할 수 없고 블록단위 삭제를 한 후 쓰기를 수행한다. 때문에 임의 쓰기(Random Write)에는 약한 면이 있으며 읽기와 쓰기 성능이 비대칭적이다. 제조회사마다 고유의 FTL을 이용하여 이를 해결하고 있다.

○ 휴대용 컴퓨터에 솔리드 스테이트 드라이브를 장착하여 배터리 지속시간을 측정할 경우 하드 디스크 드라이브를 장착한 휴대용 컴퓨터의 배터리 지속시간이 훨씬 길 수도 있는데, 그 이유는 풀 로드의 경우가 아닌 유휴상태에서 솔리드 스테이트 드라이브보다 하드 디스크 드라이브의 전력 소모량이 적기 때문이다. 즉 하드 디스크의 경우 사용하지 않을때 전력 소모량을 0으로 만들수 있으나, 솔리드 스테이트 드라이브는 그것이 거의 불가능하다.

○ 일부 솔리드 스테이트 드라이브는 내장된 컨트롤러 칩셋의 한계로 인해 사용중 데이터 교환이 일시적으로 수 초간 멈추는 현상(프리징)이 간혹 발생할 수 있다. 이와같은 프리징은 주로 데이터 입출력을 담당하는 칩셋의 성능부족이 원인이나 그 이외에도 다양한 원인이 있을수 있다.

다음 시간에는 메모리 반도체와 함께 반도체산업을 양분하고 있는 비메모리반도체, 시스템 반도체의 종류와 용어에 대해 살펴본다.