[NAND Flash (낸드플래시) #2] "Cell level, SLC MLC, TLC에 대해서 설명하세요"

오늘 교육에서는 플래시메모리의 데이터 저장용량을 늘리는 방법에 대해서 알아보겠습니다. 데이터를 저장할 셀의 개수를 늘리면 저장용량을 늘릴 수 있지만, 한 셀에 더 많은 비트정보를 담을 수 있는 기술입니다!

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[질문 1]. SLC, MLC, TLC에 대해서 설명해보세요. 

초기 수평으로 셀을 제작했던 NAND Flash memory의 저장용량 문제를 획기적으로 개선할 수 있었던 방법이 바로 '한 Cell에 여러 비트를 저장하는 것'이었습니다. Control gate에 인가되는 전압을 세분화하여 floating gate에 축전되는 전하의 양을 세분화합니다. 축전된 전하의 양에 따라 Threshold voltage의 변화 또한 영역으로 구분할 수 있으며 선택적으로 전자의 portion rate을 조절하여 여러 비트를 한 셀에 저장할 수 있습니다. SLC는 한 셀에 한 비트를 저장할 수 있고, MLC는 2bit, TLC는 3bit 이와 같이 프로그래밍 적으로 바꾸어서 동일한 셀 개수에서 저장용량을 증가시킬 수 있는 방법입니다.

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[꼬리 1-1]. SLC, MLC, TLC와 같은 방법의 이슈에 대해서 설명해주세요.

한 셀의 여러 비트를 저장할 수 있는 방법은 동일한 셀 면적 내에서 획기적으로 저장용량을 키울 수 있었습니다. 하지만, 점점 미세화 트랜드에 따라 소자 Dimension이 작아지면서 신뢰성 저하의 이슈가 발생했습니다. floating gate에 축전된 전하에 따라 threshold voltage 영역을 나누어 programmed state를 구분합니다. 이때 선폭이 점점 미세화되면서 short channel effect에 의해 threshold voltage의 변화가 심화됩니다. 특히 Vt roll-off가 심해지면서 threshold voltage가 작아지게 되고 programmed state 영역을 구분할 프로그래밍적 마진이 작아지거나 겹치게 되면서 state를 명확하게 구분하지 못해 error가 발생합니다. 

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[꼬리 1-2]. SLC, MLC, TLC의 장단점에 대해서 설명해주세요.

SLC, MLC, TLC 순으로 갈수록 한 셀에 많은 bit의 정보를 저장합니다. NAND Flash는 철저하게 threshold voltage의 이동을 통해서 data를 read하기 때문에, 세심한 조작이 요구됩니다. 그래서 TLC 이후로 갈수록 읽기/쓰기 속도가 느리고 에러의 발생률이 높아 신뢰성이 저하됩니다. SLC는 1bit의 정보를 저장하기 때문에 threshold voltage의 변화에 다른 저장방식보다 덜 민감하여 신뢰성이 높습니다. 또한 SLC는 다른 방식 대비 읽기/쓰기 속도가 가장 빠르고, 수명 또한 가장 깁니다. 정리하자면 한 셀에 많은 비트 정보를 저장할수록 동일한 면적 대비 데이터를 저장하는 용량이 증가하고 비용이 저렴해집니다. 하지만 데이터를 처리하는 속도가 느려지고, 신뢰성의 이슈가 발생합니다. 반대로 한 셀에 저장하는 Bit의 수가 적어질수록 데이터 처리속도가 빠르며, 수명 또한 길어 높은 품질의 특성을 가집니다. 

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구분	SLC	MLC	TLC	QLC	PLC	OLC
풀 네임	Single Level Cell	Multi Level Cell	Triple Level Cell	Quad Level Cell	Pental Level Cell	Octa Level Cell
용도	높은 저장속도 내구성 위주	적절한 속도, 내구성 약간 낮은 용량	용량과 속도 내구성 최적화	대용량	보급용	판촉용, CD, 등 읽기 전용 매체 대체용
읽기 속도	NOR 비해 느림	SLC > MLC	MLC > TLC	TLC > QLC	QLC > PLC	PLC > OLC
쓰기 속도	1bit 저장 빠름	2bit 동시 기록 약간 빠름	3bit 동시 기록 느림	4bit 동시 기록 더 느림	5bit 동시 기록 매우 느림	8 bit 동시 기록 완전 느림
수명	최대 10만 회	최대 1-3만회	최대 1천-1만회	최대 1백-1천회	최대 100회	최대 10회 미만
용량 대비 가격	초고가	고가	보통	저가	초저가	최저가

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Tip!
① Single Level Cell
SLC 메모리는 MLC, TLC 메모리보다 빠른 속도(0~100K Endurance Cycle)로 데이터를 쓰고 지울 수 있습니다. MLC 미모리나 TLC 메모리는 셀 하나에 많은 데이터를 저장할 수 있는 반면 SLC 메모리는 오직 1bit만 저장할 수 있기 때문에 오류가 발생할 확률이 적습니다. 하지만 메모리 용량 대비 가격이 매우 비싸다는 단점을 가지고 있습니다. 즉, 빠르지맘ㄴ 상대적으로 같은 용량의 MLC, TLC 메모리에 비해 상당히 고가입니다.

② Multi Level Cell
MLC 메모리는 한 셀에 2bit의 정보를 저장합니다. SLC 메모리에 비해 (5~10K Endurance Cycle)로 느린 속도를 가집니다. SLC 같은 셀 대비 2배의 용량을 저장할 수 있다는 장점이 있습니다. 빠르고 안정적이어야 하는 작업에서는 SLC 메모리를 사용하지만, 시중의 SSD나 USB 메모리 같은 저장매체는 가격대비 용량과 적당한 성능의 장점인 MLC 메모리가 주로 사용됩니다.

③ Triple Level Cell
TLC 메모리는 SLC, MLC 메모리 대비 (1~3K Endurance Cycle)의 느린 속도로 데이터를 쓰고 지우기 때문에 데이터 처리 속도가 느리다는 단점을 가지고 있습니다. 하지만 하나의 셀에 3bit를 저장ㅈ할 수 있어 고용량 설계 쉽다는  장점을 가지고 있습니다. 고용량 설계가 가능하여 제조사들이 많이 선호하며 단가가 저렴하기 때문에 고용량 메모리를 합리적인 가격으로 구입할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 많은 데이터를 하나의 셀에 쓰고 지우기 때문에 오류 발생 확률이 높고 메모리의 수명이 짧습니다.