Memory 반도체의 개념 및 종류

우리가 흔히 “반도체” 라고 일컫는 것은 말그대로 “도체” 와 “부도체” 의 중간격으로써 도체도 아니고 부도체도 아닌, “반만 도체 / 반만 부도체” 로써 “반도체” 를 의미한다. 말그대로 물질의 성질을 이용하여 도체도 부도체도 아닌 새로운 물질을 만들어 내었다. 그것이 반도체인 것이다. 이러한 반도체의 성질을 이용하여 인간의 편의를 위해 응용한 것이 현재 대부분이 인식하는 “반도체” 라고 할 수 있다. 여기서 “반도체의 성질을 응용” 했다고 하는 부분의 결과가 바로 Memory 반도체와 Logical 반도체 이다. 대한민국은 이 두 종류의 반도체 중에서도 특히 Memory 반도체의 강자이다.
이번 글에서는 이 Memory 반도체의 내용을 다뤄보고자 한다.

1. Memory 반도체의 종류

Memory 는 우리말로 “기억”을 의미한다. 그리고 인간에 대해 생각해 보았을 때, 이 “기억”은 크게 “장기기억” 과 “단기기억” 두가지로 나뉜다.

우리가 영어 단어를 외울때, 3분전에 외웠던 그 단어는 바로 다시 뜻이 쉽게 기억이 난다.
그러나 30일 뒤에도 그 단어의 뜻이 기억나는 경우는 많지 않다.

그래서 영어 단어 외우는것이 쉽지 않은 것일 것이다.
이 때, 3분이라는 시간동안 머리속에 저장된 기억을 쉽게 “단기기억” 이라고 생각하면 되고,
30일뒤, 300일 뒤에도 늘 머리에 남아있는 단어 (Apple, Car, Phone 과 같은 초보적인 단어들) 들을 “장기기억”이라고 보면 된다.

인간의 기억을 “단기기억” 과 “장기기억” 으로 구분한다고 했을 때,
“단기기억” 에 해당하는 것이 RAM 인 것이고, “장기기억” 에 해당하는 것을 ROM 이라고 보면 된다. (물론 명확하게 딱 그렇게 구분하는 것은 어렵지만, 대충의 개념을 파악하는데는 무리가 없어 보인다)

Memory 반도체 는 이렇게 크게 RAM 과 ROM 으로 구분된다.
그리고 RAM 과 ROM 이라는 큰 Category 내에 정말 많은 여러 종류의 “Memory 반도체”들이 존재하는데, 이를 도식화 하면 다음과 같다.

상기의 Diagram 에서 우리가 흔히 일상에서 접하는 것들을 파란색 네모박스로 표시하였고, 흔하지는 않지만 알만한 것들은 녹색 네모박스로 표시하였다.

2. 비휘발성 (Non-Volatile) 과 휘발성 (Volatile) 의 개념

비휘발성 이라는 말은 “휘발되지 않는” 이며 이는 휘발성과 대비된다.
인간의 “기억”의 개념에 이 휘발성이란 것을 얹어서 생각해보면
“기억이 휘발되느냐 휘발되지 않느냐” 에 대한 얘기가 휘발성과 비휘발성을 구분한다고 볼 수 있다.

이를 반도체에 가지고 온다면 “Cell 에 저장된 전하 (또는 전자) 가 휘발되느냐 휘발되지 않느냐” 를 말한다고 볼 수 있다.
단, 이말에도 숨겨진 조건이 있다.
“전기가 통하지 않는 상태에서 ‘Cell 에 저장된 전하 (또는 전자)가 휘발되느냐 휘발되지 않느냐'” 라고 표현하는 것이 좀 더 정확한 표현이라고 할 수 있겠다.

Memory 반도체에는 이렇게 “비휘발성 메모리” 가 있는가 하면, “휘발성 메모리” 도 있는 것이다.
다시 이를 인간의 기억 개념으로 가지고 온다면, “비휘발성 메모리” 가 곧 “장기기억” 에 해당하는 것이고, “휘발성 메모리” 가 “단기기억” 에 해당한다고 볼 수 있다.

3. 비휘발성 메모리 (Non-Volatile Memory)

비휘발성 메모리 (Non-Volatile Memory) 는 기억이 휘발되지 않는다는 의미이다. 기억이 휘발되지 않는다는게 곧 위에서 언급한 “장기기억” 에 해당 한다고 볼 수 있겠다. 위의 Diagram 에서 보듯, ROM 과 FLASH 로 대표 된다.
30년 전만 해도 FLASH 는 우리 생활에서 쉽게 볼 수 있는것이 아니었으나,
이제는 되려 ROM 은 볼 수 없으며 “장기기억” 으로써의 역할을 거의 다 FLASH 가 하고 있다고 무방할 정도로 우리 생활에서 쉽게 볼 수 있다.
이제는 아주 흔히 USB 라고 일컫는 저장장치가 바로 이 FLASH Memory 라고 볼 수 있다.
나중에 설명하겠지만 이 FLASH Memory 도 결국은 ROM 의 일종으로 탄생하였다.

3.1 ROM (Read Only Memory) 의 개념

롬(ROM)은 전원이 끊어져도 기록된 데이터들이 소멸되지 않는 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory) 이다.
즉, ROM에 데이터를 저장하면 이를 지속적으로 사용할 수 있으며 이는 반영구적이다.
컴퓨터의 바이오스롬도 이에 속한다. 일반적인 ROM 은 데이터를 한번 저장하면 지울 수 없이 계속 사용해야한다.
그렇기에 기본적으로 ROM 은 태생이 Read Only Memory 인 것이다. “오직 읽기만 가능하다” 는 의미에서 ROM 이 생겨난 것이라고 볼 수 있다 (쓰는거는 최초 생산시 딱 1번만 가능하는 말이다).

하지만, PROM(1번 다시 쓰기가능), EPROM(무한), EEPROM(무한)은 특수한 방법을 통해 데이터를 삭제한 후 데이터를 다시 기록할 수 있긴 하다.

다시 작성할 필요가 없는 프로그램이나 데이터의 저장에 사용됩니다. ROM은 크게 2가지로 분류할 수 있다.
하나는 제조 공정에서 마스크를 사용하여 데이터를 기록하는 MASK ROM이고,
다른 하나는 사용자가 바로 데이터를 기록할 수 있는 PROM (Programmable ROM) 이다.

또한, PROM는 다시 작성할 수 있는 EPROM (Erasable PROM) 과
다시 작성할 수 없는(1번밖에 기록할 수 없는) OTP(One Time PROM)로 나눌 수 있다.
이전에는 EPROM은 자외선으로 삭제한 후에 기록하는 UVEPROM이 주류였으나 최근에는 전기적인 삭제와 기록이 가능한 EEPROM이 일반적이다.

3.2 MASK ROM

Mask ROM 은 가장 기본적인 ROM으로써, 제조사가 ROM 최초 생산 제조시에 데이터를 미리 저장해두고, 이 저장된 데이터는 변경할 수 없으며 오직 “읽기”만 가능하다. Read Only Memory 의 의미를 가장 충실히 담고 있는 가장 기초적인 ROM 이 MASK ROM 이라고 할 수 있다.

3.3 PROM (Programmable ROM)

PROM 은 저장된 데이터를 지우고 1회 수정할 수 있는 ROM 이다. 모든 저장공간에 퓨즈가 연결되어있으며, 데이터를 기록할 경우 퓨즈가 끊겨 데이터 수정이 불가능하다. 즉, 최초 생산시 공장에서 처음 써놓은 데이터를 딱 한번 지우고 쓸 수 있다는 말이다.

3.4 EPROM (Erasable PROM)

EPROM (Erasable PROM) 은메모리에 저장된 데이터를 지우고, 다시 저장할 수 있는 ROM이다. 엄밀히 얘기하면 Read Only Memory 의 의미를 벗어난 종류의 ROM 인 것이다. Erase 도 가능하고, Write 도 가능하다는 것이 전통적인 ROM 의 개념과는 크게 다른 것이다. 그 옛날의 이 기술은 나름 혁신적이었다. 데이터를 지우는 방식에 따라 UVEPROM 과 EEPROM 으로 분류합니다.

3.5 UVEPROM (Ultra-Violet EPROM)

자외선 (Ultra-Violet) 을 사용하여 저장된 데이터를 지울 수 있는 EPROM 이다.

3.6 EEPROM (Electrically Erasable PROM)

전기적인 기능 (Electrically) 을 통해 저장된 데이터를 지울 수 있는 EPROM 이다. 정격전압보다 높은 고전앞을 통해 데이터를 지울 수 있으며, 1바이트씩 데이터를 지우기 때문에 속도가 매우 느린편 이다.

4. RAM (Random Access Memory) 의 개념

램(RAM)은 전원이 끊어지면 기억되어있는 데이터들이 소멸되기 때문에 휘발성 메모리(Volatile Memory)라 표현한다.

RAM은 크게 2가지로 분류할 수 있다. SRAM(Static RAM)과 DRAM(Dynamic RAM) 이다. SRAM은 전원을 공급하면 데이터를 유지할 수 있는 플립플롭 (Flip-Flop) 회로를 사용한 셀 구조를 채용하고 있다. 한편, DRAM 은 커패시터 (Capacitor) 에 전하를 축적함으로 인하여 데이터를 유지하는 커패시터형 이라고 볼 수 있다. 따라서 주기적으로 리프레시 (Refresh) 신호를 주지 않으면 데이터가 소실되어 버린다.

SRAM의 장점으로는 제어가 쉽고 읽기/쓰기 동작이 고속인 점 등을 들 수 있다. 그러나 한편으로 셀 면적이 크기 때문에 대용량화에 적합하지 않다는게 가장 큰 단점이다.

반면, DRAM은 셀 면적이 작기 때문에 대용량화에 적합하지만 리프레시 (Refresh) 동작이 중요하므로 제어가 복잡하게 된다는 단점이 있다.

4.1 SRAM (Static RAM)

SRAM (Static RAM) 은 정적램이라 표현하며, 플립플롭 (Flip-Flop) 회로를 사용하여 셀이 구조화 되어 있다. SRAM 은 DRAM에 비해 용량은 적으나 5배 정도 속도가 빠르지만 문제는 고용량으로 Volume 을 키우기에는 적합하지 못하며, DRAM 에 비해 가격이 비싸다.

4.2 DRAM (Dynamic RAM)

DRAM (Dynamic RAM)은 동적램이라 표현하며, IC집적도가 SRAM에 비해 높기 때문에 용량은 크지만 속도가 느리다. SRAM 에 비해 비교적 가격이 저렴한게 큰 장점이다. 저장공간마다 캐패시터(전기 저장)를 사용하기 때문에 전원이 연결된 상태로 시간이 흘러 캐패시터 (Capacitor) 에 있는 전기가 누설될 경우 데이터가 유실될 수 있어, 이 유실을 방지하기 위해 리프레시 (Refresh) 라는 동작이 필수적으로 필요하여 동작이 좀 복잡한 편이다.

4.2.1 SDRAM (Synchronous DRAM)

SDRAM (Synchronous DRAM) 은 100MHz 이상의 버스 속도를 유지하는 기능을 개발하여 내장한 DRAM의 일종이다. Synchronous 라는 이름에서 볼 수 있듯, “동기식” DRAM 이다. 여기서 동기식이란 의미는 “동기화” 의 의미이다. “동기화의 대상은 클럭 (Clock, CLK)” 이다. 시스템의 클럭속도(보통은 CPU의 속도)와 동기화하여 동작할 수 있기때문에 CPU가 동작할 때 DRAM도 함께 움직여 CPU가 수행할 수 있는 명령어를 증가시킴으로써 최고의 효율로 작동시킬 수 있다.

4.2.2 DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 은 SDRAM보다 처리속도가 2배 빠른 RAM 이다. 기존의 SDRAM 은 SDR 로 Single Date Rate 의 클럭 (Clock) Rising edge 에서 제품이 동작하는 반면에 DDR 은 Double Data Rate 로 시스템버스 (System Bus) 클럭 (Clock) 의 Rising edge와 Falling edge를 동작시켜 같은 속도, 같은 시간내에 2배의 데이터를 보낼 수 있다. 즉, 100MHz로 작동하는 DDR SDRAM은 200MHz로 작동하는 SDRAM과 같다.

우리가 흔히 접하는 요즘의 DRAM 은 모두 DDR 이며, 그래서 컴퓨터를 살때 언급되는 RAM 이 DDR4, DDR5 이런식인 것이다.

이러한 DDR 중에서도 전력을 덜 잡아먹음으로써 효율을 높인것이 LPDDR (Low Power Double Date Rate) 인 것이다. 이제는 LPDDR 이 아주 상용화되었고, 어디에서든 쉽게 찾아 볼 수 있다. LPDDR4, LPDDR5, LPDDR6 까지 DDR SDRAM 은 지속적으로 발전하고 있다.

LPDDR4 부터 등장하는 전문적인 개념인 CHANNEL 과 RANK 의 개념이 이러한 발전의 속도를 가속화 시켰다 볼 수 있다.

4.3 PSRAM (Pseudo SRAM)

PSRAM (Pseudo SRAM) 은 내부에 전하 충전회로를 내장하여 DRAM의 단점을 보완한 RAM이다. 주기적으로 전하충전이 되기 때문에 데이터 유실을 막을 수 있어 DRAM 의 최대 단점인 리프레시 (Refresh) 동작을 보완할 수 있고, SRAM처럼 사용할 수 있습니다.

5. FLASH Memory

위으 ROM 설명에서 언급을 하였지만, FLASH 는 ROM 의 한 종류이다. 그 중에서도 EEPROM의 한 종류이다. 1바이트 (Byte) 마다 기록이 아닌 블록 (Block) 단위로 삭제와 기록을 한다. 기본적으로는 ROM으로 분류되는 경우가 많지만, 경우에 따라서 ROM과 RAM의 중간적인 메모리로 취급하는 예도 있다.

셀 구조에 따라 NOR형과 NAND형으로 크게 2가지로 나눌 수 있다.

NOR형은 데이터 유지의 신뢰성이 높으므로 에러 정정 등의 처리가 불필요하고 또한 비트 단위로 기록할 수 있는 장점이 있다. 그러나 삭제 속도가 느려서 고속 동작에 적합하지 않고 셀 면적이 크기 때문에 대용량화가 어렵다는 단점이 있다. 주요 용도로는 휴대 전화기 등의 프로그램 저장을 들 수 있다.

한편 NAND형은 셀 면적이 작으므로 대용량화에 적합하다. 따라서 휴대용 음악 플레이어나 휴대 전화기 등에서 데이터를 저장하는 용도로 사용되고 있다.

FLASH Memory 에 대해서는 훨씬 많은 설명이 필요한 Memory 이기에 다른 글에서 조금 더 자세히 다뤄보도록 하겠다.