Flash memory는 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 저장장치 EPROM에서 파생된 저장장치 입니다. 블록이라는 단위로 데이터를 지우고 바이트 수준에서 데이터를 다시 쓰는 비휘발성 메모리의 일종입니다. Flash memory는 장치의 전원의 on/off 여부와 관계없이 데이터를 장기간 보존할 수 있는 특징을 가집니다. USB, SD카드, 스마트폰, 태브릿, 노트북 등 소비자용 저장장치 그리고 엔터프라이즈 데이터 센터나 임베디드 컨트롤러 같이 응용처의 범위가 상당히 넓습니다. 대표적인 Flash memory로 NAND Flash 기반 SSD는 종종 I/O 애플리케이션의 성능을 가속화하기 위해 사용됩니다. NOR flash는 기본 입출력 시스템 (BIOS)과 같은 제어코드를 PC에 저장할 때 종종 사용됩니다.
[꼬리 1-1]. Read Only Memory, ROM과 Fresh memory의 차이점에 대해서 설명하세요.
Flash memory와 ROM은 전원이 off되도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리입니다. 하지만, Programmable ROM, PROM은 한 번 데이터를 기록하면 다시 기록할 수 없습니다. 그래서 PROM은 기억할 정보를 소자의 제조와 동시에 설정하고, 정보를 소자의 구조로서 기억하기 때문에 바꾸어 쓸 수 없습니다. Erasable PROM, EPROM은 자외선을 조사하면 데이터를 지울 수 있는 UV-EPROM과 전기적으로 데이터를 지우는 Electrically EPROM, EEPROM이 있습니다. UV-EPROM의 경우 Erase 방식이 번거롭기 때문에 현재는 잘 사용하지 않습니다. 그래서 후자인 EEPROM은 현재의 Flash memory로 발전하게 되었습니다. 플래시메모리가 ROM에서 파생됐고, 데이터를 유지한다는 측면에서 ROM과 유사하지만 memory addressing이 아닌 sector addressing을 한다는 특성으로 주기억장치로 분류되는 ROM이 아닌 하드디스크 HDD와 유사한 보조기억장치로 분류됩니다.
[꼬리 1-2]. 플래시 메모리의 장점에 대해서 설명하세요.
플래시메모리은 DRAM, SRAM과 달리 전원이 off 되더라도 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 메모리입니다. 작고 가벼우면서, 자기매체나 광학 매체와 달리 기계적인 충격에 강하고, 고온이나 습기에도 내구성이 강합니다. 플래시메모리는 전력소모가 낮으며 큰 블록에서 데이터를 소거할 수 있는 특징이 있습니다.
[꼬리 1-3]. 플래시 메모리의 종류에 대해서 설명하세요.
플래시메모리는 대표적으로 NAND Flash와 NOR Flash로 구분됩니다. NAND Flash는 각 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에 Random access가 불가능하고 각 셀에서 순차적으로 데이터를 읽어내는 방식입니다.그래서 NOR flash 대비 데이터 Read 속도가 느리지만, 메모리 블록이 여러 페이지로 나누어져 있기 때문에 Write/Erase 속도가 더 빠릅니다. Read 속도가 느리기 때문에 컴퓨터 메모리로는 알맞지 않지만, 다양한 이동식 저장매체와는 적합합니다.
NOR Flash는 각 셀이 병렬형태로 이루어져 있습니다.그래서 Read 시 Random access가 가능합니다.즉, Read 속도가 NAND보다 빠릅니다. 하지만 데이터를 덮어 쓰거나 지우는 것은 Random access가 불가능하기 때문에 Write/Erase 속도가 느립니다. 그 이유는 Read 시에는 페이지 단위로 데이터를 읽을 수 있어 속도가 빠르지만, 해당 페이지를 덮어쓰거나 지우는 것은 모든 블록을 지워야 하기 때문에 속도가 느린 것입니다. 또한 각 셀이 병렬 형태이기 때문에 각 셀을 개별적으로 접근하기 위한 전극이 필요하게 되고, 그래서 NAND Flash보다 더 넓은 면적이 요구되어 집적도 측면에서 다소 불리합니다.
NAND vs. NOR - Cell structure
[질문 2]. NAND Flash memory 셀의 'Write' 동작원리에 대해서 설명해주세요.
낸드플래시에서 정보를 저장하는 최소단위 셀은 1 transistor + 1 capacitor, 1T1C 구조의 DRAM과 달리 Transistor로만 구성되어 있습니다. 초기의 NAND Flash의 셀은 전압을 인가하는 Control gate와 전하를 저장하는 Floating gate로 구분됩니다.Floating gate는 절연막으로 둘러쌓여 전하를 붙잡아 놓기 때문에 전원이 꺼지더라도 전하들이 빠져나가지 못해 데이터가 보존되는 것입니다. Control gate와 Body에 고전압을 인가함에 따라 Tunneling에 의해 전하가 floating gate에 charge 되거나 discharge 되는지에 따라 '0'과 '1'을 판단합니다. Write 동작원리는 Control Gate에 고전압을 인가하여 채널의 전하가 tunneling 돼서 Floating gate로 이동하여 전하가 저장되면 '0'으로 인식하는 Program 과정과, Body에 고전압을 인가함으로써 Floating gate 내의 전자가 tunneling으로 channel로 discharge되면 Floating gate에 전자가 없으므로 '1'로 인식하는 Erase 과정이 있습니다.
[꼬리 2.1]. NAND Flesh memory 셀의 'Read' 동작원리에 대해서 설명하세요.
낸드플래시는 Floating gate에 전하의 저장 여부에 따라 '0'과 '1'을 구분하고 Erased & Programmed state에 따라 threshold voltage가 변화합니다. 이 Threshold voltage의 변화를 이용하여 저장된 Data를 read할 수 있습니다. 읽고자 하는 Cell에는 threshold voltage 이하의 전압을 나머지 Cell은 threshold voltage 이상의 전압을 인가합니다. 만일, Floating gate에 전하가 차있는 Programmed state라 하면, 해당 Cell에는 Vth 이하의 전압이 인가됐기 때문에 channel이 형성되지 않아 Open 상태입니다. 이 때를 '0'의 정보로 읽습니다. 만일 읽고자 하는 Cell이 Floating gate에 전자가 없는 Erased state 상태라면 0V에도 Channel이 형성되어 Bit line으로부터 흘러온 전류가 charging되지 않아 전압강하가 발생합니다. 이때 '1'이라 인지하고 정보를 read합니다.
[세부설명] NAND Flash, 낸드플래시의 동작원리
낸드플래시는 위와 같은 구조를 가집니다. 기존 MOSFET 구조에서 Gate와 channel 상에는 Tunnel Oxide가 존재합니다. 그리고 Control gate에 바이어스 인가 시 tunnel oxide를 뚫고, 전하가 저장되는 Floating gate가 존재합니다.
■ NAND Flash, Write → Program & Erase ① Program: Control gate에 고전압 인가 → Channel 내의 전하가 Tunneling 되면서 Floating gate로 이동하고 축적됨. "Floating gate 내에 전자가 있으면 '0' ② Tunneling을 통해 Floating gate로 저장된 전하는 전계가 사라져도, Tunnel oxide에 의해 외부로 누설될 수 없음. ③ Erase : Body에 고전압을 인가 → Floating gate에 축적된 전하가 Body의 고전압에 의해 Tunneling 되어 channel로 discharge됨. "Floating gate에 전자가 없으면 '1'"
■ NAND Flash, Read
NAND Flash는 Floating gate에 전하의 유무에 따라 '0'과 '1'의 상태를 구분합니다. 그리고 이 상태에 따라 Transistor의 threshold voltage의 변화가 생기고 이 변화를 이용하여 '0'과 '1'의 데이터를 읽어옵니다.
NAND Flash는 위 그림과 같이 Bit Line에 다수의 cell이 직렬로 연결되어 있는 구조를 가집니다. 직렬로 연결된 Bit line에 바이어스를 인가하면, Transistor는 모두 전압이 인가되고 Word line으로 특정 Control gate에 전압을 인가한 셀에만 Channel이 형성됩니다.
이때 Data를 읽는 방법은 다음과 같습니다. ① Bit line에 전압을 인가하여 모든 transistor에 전위차를 형성해줍니다. ② 읽고자 하는 셀의 소자를 제외한 나머지 셀 소자에 모두 threshold voltage, Vt 이상의 전압을 인가합니다. ③ Bit line으로 흘러들어온 전류가 흐르는지 안흐르는지에 따라 데이터의 High/Low를 판단합니다.
조금 더 직관적으로 다루어보도록 하겠습니다.
■ Floating gate에 전하가 존재하는 경우. 'Programmed state' ① 소자에 전자가 있는 경우, 0V를 인가하면 Channel이 형성되지 않습니다. ② 나머지 소자에는 Vth2 이상의 전압을 인가했기 때문에 channel이 형성됩니다. ③ Floating gate에 전하가 축전되어 있는 소자는 open 상태입니다. ④ 따라서, Bit Line에 전압이 인가된다 하더라도 전류가 흐르지 않습니다. ⑤ Open 상태이기에 Bit Line을 통해 유입된 전류는 빠져나가지 못하고 charging 됩니다. ⑥ 그 결과 Bit Line의 전압강하의 변화폭은 작으며, 이 상태를 '0'으로 인식합니다.
■ Floating gate에 전하가 존재하지 않는 경우. 'Erased state' ① 읽고자 하는 셀의 Floating gate에 전하가 없는 경우, 0V를 인가해도 Channel이 형성됩니다. 'short 상태' ② Channel로 전자가 흐르게 되면서 Bit line에서 유입된 전류가 charging 되지 못 하게 됩니다. ③ 그 결과 Bit Line의 전압강하는 커지게 되며, 이 상태를 '1'로 인식합니다.
■ 아래와 같은 상황을 통해 적용시켜보겠습니다.
Bit Line에는 바이어스가 인가된 상태이며, Red box 된 부분은 Programmed state로 이미 floating gate에 전하가 축적된 상태입니다. 그리고, 위에서 Programmed state와 Erased state를 구분하는 Threshold voltage는 그림과 같이 Vth1=0V, Vth2 > Vth1로 가정하겠습니다.
NAND Flash의 특징은 DRAM과 달리 read 시 random access가 불가능하여, 순차적으로 Cell을 읽어야 합니다. 그래서 Read 속도가 느린 것입니다. 우선 읽고자 하는 Cell#0의 state를 확인하기 위해 Cell#0에 0V, 나머지는 Vth2 이상의 전압을 인가합니다. Vth2 이상의 전압을 인가한 다른 셀들은 모두 channel이 형성됩니다. Cell#0은 floating gate에 charge가 저장되어 있기 때문에 Threshold voltage가 증가했고, channel이 형성되지 않습니다.
그 결과, Open된 상태이기 때문에 Bit line에서 흘러들어온 전류는 흐르지 못하고 charging 됩니다. 이 때, '0'의 정보를 Read합니다. Cell#1을 보도록 하겠습니다. Cell#2를 제외한 나머지 셀에는 Vth2 이상의 전압을 인가합니다. Cell#2의 Threshold voltage는 Vth1=0V이기에 0V를 인가하더라도 Channel이 형성됩니다. 나머지 Vth2 이상의 전압을 인가한 다른 셀들 모두 Channel이 형성됐기 때문에 전류가 흐르게 됩니다.
이때 Bit Line에서 유입된 전류가 charging 되지 못하면서, 전압강하가 일어납니다. 이때를 '1'로 인식하고 정보를 읽어옵니다.
구분
NAND type
NOR type
용도
USB 메모리, SSD 등 보조저장매체
RAM 처럼 실행 가능한 코드 저장
읽기 속도
Random access이나 한 블록이 모두 동작하기에 비교적 느림
셀 단위 Random access. 빠름.
쓰기 속도
한 번에 한 블록을 통쨰로 기록함. 빠름
한 셀씩 기록하기 때문에 느림.
밀도 (집적도)
고밀도
저밀도
용량 대비 가격
저가
고가
비유
서류더미를 수직으로 높히 쌓은 구조
서류에 색인을 붙여 제대로 분류해놓은 구조
대표 기업
삼성전자, SK하이닉스, 키오시아, 마이크론 테크놀로지
인텔 (NOR 플래시 메모리 최고)
상황
NOR type 플래시 메모리는 잘 사용되지 않습니다. 내장 부트로더가 NAND type 플래시메모리에서 부트 블록을 읽어서 RAM에 복사해놓고 실행하기 때문에 NOR 타입 플래시를 많이 쓰지 않아 NOR type의 입지가 많이 줄어든 상태입니다.
[세부설명] 비트 크기
여러분들 오늘은 NAND Flash memory에 대해서 알아보았습니다. 이러한 NAND Flash에도 기술로드맵이 존재하는데요. 오늘은 Floating gate Flash memory에 대해서 자세히 다루어보았고, 다음 교육에서는 CTF, VNAND에 대해서 심도있게 다루어보도록 하겠습니다.
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