[메모리반도체] "메모리반도체 용어 총정리"

오늘은 메모리반도체의 용어 총정리에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.

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[질문 1]. 메모리에 대해서 설명하세요.

메모리는 반도체를 이용하여 전하를 저장하는 메커니즘을 활용한 메모리반도체가 있으며, CD, DVD, 블루레이 디스크와 같은 광학 방식의 메모리가 있습니다. 그리고 플로피디스크나 하드디스크와 같은 자기장 방식 메모리도 있습니다. 특히 메모리반도체는 RAM과 ROM으로 구분할 수 있습니다. RAM은 Random Access Memory로 읽기/쓰기 속도가 매우 빠른 DRAM과 같은 비휘발성 메모리가 있으며, ROM은 Read Only Memory로 쓰기/지우기에 제한이 있는 비휘발성 메모리입니다.

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[질문 1.1]  Random Access Memory, RAM에 대해서 설명하세요.

RAM은 Random Access Memory로 읽고 쓰기, 지우기가 자유롭고 CPU의 연산 내용이나 명령어 등 동작에 필요한 모든 내용을 전원이 유지되는 내내 저장하는 메모리반도체입니다. Random Access는 임의접근으로 '임의의 Address가 주어질 때 어떤 작업이든 동일한 시간으로 접근이 가능하다'라는 의미입니다. 그래서 ROM보다 데이터처리 속도가 매우 빠릅니다. RAM은 데이터의 휘발성 여부에 따라 Volatile RAM, VRAM과 Non-Volatile RAM, NVRAM으로 구분됩니다. VRAM에는 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM)으로 나뉘고, NVRAM은 MRAM, PRAM, RRAM, FeRAM으로 구분됩니다. NVRAM은 Random access가 가능하여, 속도면에서 매우 빠르며 기존의 VRAM보다 훨씬 더 고도의 기술이 요구되는 차세대 메모리반도체입니다.

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[질문 1.2]  Volatile RAM에 대해서 설명하세요.

VRAM은 Random Access Memory에서 전원이 유지되는 동안에만 동작에 필요한 정보를 저장하는 휘발성 메모리반도체입니다. VRAM은 SRAM (Static Memory), DRAM (Dynamic Memory)로 구분됩니다. Static과 dynamic의 차이는 내용을 한 번 기록하고 유지하는 방식에서 차이가 있습니다. SRAM은 한 번 기록하면 전원이 공급되는 한 특별한 수단 없이도 내용을 그대로 가지고 있습니다. SRAM은 플리플롭(Flip-flop, F/F)으로 동작하는 방식입니다. Flip-flop은 전류신호가 오기 전에는 상태가 변화하지 않기 때문에, 내용이 소멸, 변화하지 않는 안정적인 메모리입니다. SRAM은 DRAM보다 100 이상으로 접근 속도가 빠르지만 구조가 복잡하고 공간을 많이 차지하여 집적도가 어려워 고가이면서 대량 생산이 어렵습니다. DRAM은 SRAM과 달리 Capacitor에 전하를 저장하는 방식으로 디지털 신호를 구분합니다. 축전기에 있는 전하는 시간이 지날수록 discharge 되기 때문에 주기적으로 refresh가 요구됩니다. 한 셀에는  1Transistor+1Capacitor, 1T1C의 단순한 구조를 가지기 때문에 집적도가 높고 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다. 

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[질문 1.3]  DRAM의 종류에 대해서 설명하세요.

DRAM은 그 종류가 매우 다양합니다. 우선 ADRAM(Asynchronous DRAM)으로 비동기식 DRAM과 SDRAM(Synchronous DRAM) 동기식 DRAM이 있습니다. RDRAM과 DDR SDRAM이 있으며, DDR(Double Data Rate) SDRAM은 이후 DDR-SDRAM에서 LPDDR(Low Power DDR) SDRAM으로 진화되어 오늘날에 DRAM의 주력 기술입니다. 다음은 GDRAM(Graphics DRAM), 그래픽용 DRAM이 있습니다. 그래픽을 구현하기 위해 데이터를 처리해주는 DRAM으로 현재는 사용하지 않습니다. SGRAM은 Synchoronous Graphics DRAM은 GDRAM의 진화된 동기식 그래픽용 DRAMDMFH, GDDR(Graphics Double Data Rate) SGRAM으로 진화하여 현대에도 많이 적용되고 있습니다. HMC는 hybrid Memory Cube로 복수의 DRAM을 수직으로 적층하는 차세대 기술입니다. CPU, GPU 같은 프로세서 위에도 메모리를 적층할 수 있어 Compact가 가능하여 공간효율적인 장점이 있습니다. 하지만 발열에 민감하고 부수적인 공정 이슈가 발생하여 상용화 되지 않은 상태입니다. 마지막으로 High Bandwidth Memory, HBM입니다. 적층된 메모리와 프로세서 사이를 연결하는 인터포저의 역할이 중요해지면서 HMC에서 메모리만 적층하는 방식으로 절충된 것입니다. 아직 메모리와 프로세서 사이를 연결하는 인터포저 제조가 까다로워 상용화와 대량생산이 어려운 상황입니다. 인터포저 기술이 개선된다면 차세대 메모리 시스템의 메인메모리에 적용될 가능성이 높습니다.

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[질문 1.4] NVRAM에 대해서 설명하세요.

NVRAM은 기존의 CMOS 공정이 아닌 새로운 소재와 새로운 공정이 요구되기 때문에 단가가 비싸고 현재도 지속적인 연구중에 있는 단계입니다. NVRAM은 비휘발성 RAM이기 때문에 ROM의 비휘발성 특성과 RAM의 빠른 동작속도의 장점을 고루 갖추고 있는 차세대 메모리입니다. 이러한 장점으로 NVRAM은 주기억장치와 보조기억장치의 역할을 모두 수행할 수 있습니다. 하지만 현재 주기억장치와 보조기억장치의 이원화된 시스템에서도 고도의 데이터 처리가 가능하기 때문에 투자가 미미합니다. 이 기술은 현재 미국의 IBM과 인텔이 선두기업이라고 할 수 있습니다.

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[질문 1.5] NVRAM 종류에 대해서 설명하세요.

NVRAM은 MRAM, PRAM, RRAM, FeRAM이 대표적입니다. 각각 데이터를 기억하는 메커니즘의 차이로 구분됩니다. MRAM은 Magnetoresistive RAM으로 자기저항메모리입니다. 주기억장치의 면에서는 낸드플래시의 느린 쓰기 속도, 제한된 수명을 극복하여 낸드플래시를 압도하면서 읽기/쓰기 속도 또한 매우 빠른편입니다. 하지만 특성상 소자의 크기를 줄이기 힘들며 50nm 이하의 미세공정에서 어려움이 있다고 합니다. 고집적화에 난항을 겪었지만 최근 삼성전자에서 양산에 돌입했고, 삼성과 IBM의 합작 연구로 HKMG가 적용된 STT-MRAM으로 진화하는데 성공하여 수년 안에 양산할 것으로 전망됩니다. PRAM은 Phase Change RAM으로 상변화 메모리입니다. 전기적 특성에 반응하는 유리물질인 칼코게나이드 소재 등이 적용되며, 내구성이 우수하고 현재 연구개발이 활발히 진행중입니다. RRAM은 Resistive RAM으로 저항변화 램입니다. 속도는 다소 느리지만 단순한 소자 구조로 MRAM에 비해 고집적도가 용이합니다. FeRAM은 Ferroelectric RAM으로 강유전체 소재를 사용한 메모리반도체입니다. 공정 미세화의 이슈로 연구가 멈춰있었으나, 2011년 적합한 신소재 발견으로 연구가 활발히 진행중에 있습니다. 하지만 아직은 연구단계로 상용화까지는 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다.

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[질문 1.6] ROM에 대해서 설명하세요.

ROM은 CDROM과 같이 Optical 방식이 적용되거나, 플로피디시크나 하드디스크 처럼 Magnetic이 적용된 ROM이 있습니다. ROM은 'Read Only'인 mask ROM에서 시작하여, 'Read-Only'를 극복하는 방향으로 발전했습니다. 이는 플래시메모리의 시초로 Mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM 순으로 발달했으며 이후 플래시 메모리가 게빌되었습니다. Mask ROM은 메모리를 제조할 때, 데이터를 입력하여 재프로그래밍이 불가합니다. 냉장고나 에어컨 같이 모든 가전제품에는 Mask ROM이 사용됩니다. 마스크 비용이 비싸지만 금형처럼 한 번 만들면 찍어내는 형식이기 때문에 대량생산에 유리합니다. PROM은 Programmable ROM으로 제품을 제작한 후에 사용자가 데이터를 딱 '한 번'만 기록할 수 있습니다. 그래서 One Time Programmable이라고도 합니다. EPROM은 Erasable PROM으로 자외선을 이용하여 기억된 내용을 지우고 다시 programming 할 수 있는 ROM입니다. 자외선을 사용하기 떄문에 UV-EPROM이라고도 하며, 지우는 방식이 번거로워 현재는 전기적 신호를 이용하여 기록된 내용을 지우는 Electrically EPROM이 사용됩니다. EEPROM 또한 현재 플래시 메모리에 밀려 비중이 점점 작아지고 있지만, 플래시메모리보다 제어가 쉽고 수명이 길어 쓰기 가능횟수가 플래시메모리보다 훨씬 많기 때문에 특수한 경우에 사용됩니다. 마지막으로 플래시메모리는 전기적으로 자유롭게 재기록이 가능한 비휘발성 메모리반도체입니다. 기존의 ROM과의 차이는 ROM은 바이트 단위로 수정 가능하지만 플래시 메모리는 블록단위로 수정이 가능합니다. 

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[질문 1.6] 플래시메모리에 대해서 설명하세요.

플래시메모리는 전기적으로 자유롭게 읽기/쓰기가 가능한 비휘발성 메모리반도체입니다. 셀 레벨에 따라  SLC, MLC, TLC, QLC 등으로 나뉩니다. 이는 한 셀에 저장하는 비트의 수를 확장시킴으로써 같은 셀 면적에서 저장용량을 향상시킬 수 있습니다. 하지만 QLC로 갈수록 수명이 짧고 가격이 저렴한 특징을 갖고 있습니다. SLC로 갈수록 쓰기 속도가 빠르며 Durability 또한 우수합니다. 그리고 플래시메모리는 회로의 형태에 따라 NAND Flash와 NOR Flash로 구분됩니다. NAND Flash는 읽기 속도는 느리지만, 쓰기 속도가 빠르고 요즘은 3차원 적층 구조인 VNAND 기술이 적용되어 고집적도, 고용량 플래시메모리가 출시되고 있습니다. 고집적화로 저가이며 USB나 SSD 같이 보조저장장치로 사용됩니다. NOR Flash는 NAND Flash와 반대로 쓰기 속도는 느리지만 읽기 속도가 매우 빠릅니다. 하지만 병렬 구조를 가지기 때문에 고집적화가 어렵고 그로인해 고가입니다. RAM처럼 CPU의 실행가능한 코드를 저장하는데 사용됩니다.