반도체 분류 사전 목차
1편 : [반도체] 반도체 분류 사전 (1) - 반도체는 Discrete와 IC로 나뉜다 (tistory.com)
2편 : [반도체] 반도체 분류 사전 (2) - 메모리 반도체 (tistory.com)
3편 : [반도체] 반도체 분류 사전 (3) - 시스템 반도체 (tistory.com)
메모리 반도체는 정보를 저장하는 집적 회로라고 하였다.
그냥 '메모리'라고 하면 안 된다. 요즘엔 '메모리'하면 보통 이 메모리 반도체를 말하지만, 엄밀히 말하자면 '메모리' 중의 한 갈래가 메모리 반도체다. 메모리에는 반도체를 이용한 메모리 반도체도 있지만, CD, DVD, 블루레이 디스크 등과 같은 광학(Optical) 방식 메모리도 있고, 플로피디스크, 하드디스크와 같은 자기장(Magnetic) 방식 메모리도 있다.
메모리 반도체는 또 두 갈래로 나뉜다. 하나는 RAM, 다른 하나는 ROM이다. RAM은 Random Access Memory, ROM은 Read Only Memory라는 말이나 현대에 와서 의미가 많이 바뀌었기 때문에 그냥 RAM은 휘발성이고 ROM은 비휘발성이라고 생각하면 편하다.
* 중간 요약
메모리 : 정보를 저장하는 기억장치를 얘기한다.
메모리 반도체 : 메모리의 한 갈래로, 반도체를 이용하여 정보를 저장하는 기억 장치를 말한다.
ⓐRAM : 자유롭게 쓰고 지울 수 있는 휘발성 메모리 반도체. 전원을 끊으면 데이터가 날아간다.
ⓑROM : 쓰고 지우는데 제한이 있는 비휘발성 메모리 반도체. 전원을 끊어도 데이터가 날아가지 않는다.
RAM은 사용자가 자유롭게 내용을 읽고 쓰고 지울 수 있고, 컴퓨터가 켜지는 순간부터 CPU의 연산 내용 등 동작에 필요한 모든 내용을 전원이 유지되는 내내 저장하는 기억장치이다. 어원은 Random Access Memory인데, 임의접근(Random Access)이라는 건 '임의의 주소가 주어질 때 어떤 작업이든 똑같은 시간으로 접근이 가능하다'는 의미이다. 하여 ROM에 비해 속도가 매우 빠르다.
RAM은 또 다시 휘발성 유무에 따라 VRAM(Volatile RAM, 휘발성 램)과 NVRAM(Non-Volatile RAM, 비휘발성 램)으로 나뉜다.
VRAM은 후술하겠지만 SRAM과 DRAM으로 나뉘고, NVRAM은 MRAM, PRAM, RRAM, FeRAM 등으로 나뉜다.
메모리 반도체에서 휘발성 여부로 RAM과 ROM을 나눠놨는데 왜 또 RAM에서 휘발성 유무에 따라 분류가 되는지 의아할 수도 있다. 하지만 RAM과 ROM은 그 원리 자체가 다르기 때문에 분류가 되었고, 그 휘발성 메모리인 RAM을 연구하다보니 정보가 휘발되지 않도록 하는 기술이 개발되어 NVRAM으로 분화되었다고 보면 된다. 실제로 똑같은 비휘발성 메모리인 ROM과 NVRAM을 비교하면 속도 면에서 NVRAM이 훨씬 빠를 뿐더러(RAM이니까) NVRAM이 훨씬 더 고도의 기술을 요한다.
* 중간 요약
RAM : 사용자가 자유롭게 내용을 읽고 쓰고 지울 수 있으며, 전원이 유지되는 동안 동작에 필요한 모든 내용을 저장하는 기억장치.
ⓐVRAM : 휘발성 RAM. SRAM과 DRAM이 속한다.
ⓑNVRAM : 비휘발성을 띠는 RAM. 고도의 기술을 요한다. MRAM, PRAM, RRAM, FeRAM 등이 있다.
VRAM은 SRAM(Static RAM)과 DRAM(Dynamic RAM)으로 나뉘는데 정적(Static)/동적(Dynamic)의 차이이다. 뭐가 정적이고 뭐가 동적이냐면, 내용을 한번 기록하고 그걸 유지하는 방식에서 차이가 있다.
SRAM은 내용을 한번 기록하면 전원이 공급되는 한 특별한 수단 없이도 내용을 그대로 가지고 있다. SRAM은 DRAM보다 100배 이상으로 접근 속도가 빠르지만, 구조가 복잡하고 공간을 많이 차지하므로 집적도를 높이기 어려워 가격이 비싸고 대용량 생산이 어렵다.
DRAM은 기록된 내용을 유지하기 위하여 축전기(Capacitor)에 전하를 저장해놓는 식으로 기억하며, 축전기에 있는 전하는 방전되기 때문에 주기적으로 재충전(Refresh)이 필요하다. 보통 1개의 트랜지스터에 1개의 컴패시터(콘덴서)가 배열되는 형식으로 제작되며, 구조가 간단하여 집적도를 쉽게 높일 수 있어 가격이 싸고 대용량 생산이 용이하다. 다만 SRAM보다는 속도가 느리다.
* 중간 요약
VRAM은 SRAM과 DRAM으로 나뉜다.
ⓐSRAM : 한번 기록 시 전원이 공급되는 한 특별한 수단 없이도 유지. 구조 복잡, 집적화 어려워 고가, 대량생산 어려움. 속도 빠름.
ⓑDRAM : 축전기에 충전된 전하의 양을 통해 기억. 주기적 재충전 필요. 구조 단순, 집적화 쉬워 저가, 대량생산 가능. SRAM보다 느림.
DRAM에서는 이제 갈래가 여러 가지로 나뉘는데, 간단히 기술하겠다.
ⓐ ADRAM(Asynchronous DRAM) : 비동기식 DRAM. PM DRAM→FPM DRAM→EDO DRAM→BEDO DRAM 등으로 발전해왔지만 전부 SDRAM의 강점으로 인하여 오늘날엔 묻혀진 형태다.
ⓑ SDRAM(Synchronous DRAM) : 동기식 DRAM. RDRAM과 DDR SDRAM이 있으며, DDR(Double Data Rate) SDRAM은 이후 DDR SDRAM→LPDDR(Low Power DDR) SDRAM으로 진화되어 오늘날에 쓰이고 있다. 즉 현대에 쓰이는 SDRAM이라고 하면 이 LPDDR SDRAM이다.
ⓒ GDRAM(Graphics DRAM) : 그래픽용 DRAM. 그래픽을 구현하기 위해 데이터를 처리해주는 DRAM이다. 처음에 나온 VDRAM(Video DRAM)은 WDRAM(Window DRAM)→MDRAM(Multibank DRAM)으로 진화하였으나 현재는 쓰이지 않는다.
ⓓ SGRAM[Synchronous Graphics (Dynamic) RAM]은 GDRAM에서 진화된 '동기식 그래픽용 DRAM'이며, 이는 GDDR(Graphics Double Data Rate) SGRAM으로 진화하여 현대까지 쓰이고 있다.
ⓔ HMC(Hybrid Memory Cube)는, 복수의 DRAM을 수직으로 적층하는 차세대 기술이다. CPU, GPU 같은 프로세서 위에도 적층할 수 있다는 컴팩트성으로 공간적 장점을 가지고 있었지만 발열에 민감하여 아직 상용화되지 않은 상태이다.
ⓕ HBM(High Bandwidth Memory)는, HMC에서 메모리만 적층하는 것으로 절충된 규격으로 기존 HMC의 단점을 상쇄하는 기술이지만, 적층된 메모리와 프로세서 사이를 연결하는 인터포저의 역할이 중요해졌는데 이 인터포저의 제조가 까다로워 상용화, 대량 생산에 어려움을 겪고 있다. 만약 인터포저 기술이 개선된다면 차세대 시스템 메인 메모리에 적용될 가능성이 높다.
* 중간 요약
DRAM은 ADRAM과 SDRAM, GDRAM, SGRAM, HMC, HBM으로 나뉜다.
ⓐ ADRAM : 비동기식 DRAM. 현대엔 쓰이지 않는다.
ⓑ SDRAM : 동기식 DRAM. 이후 LPDDR SDRAM으로 진화하여 현대까지 쓰이고 있다.
ⓒ GDRAM : 그래픽 DRAM. 현대엔 쓰이지 않는다.
ⓓ SGRAM : GDRAM을 대체하는 그래픽 DRAM. 이후 GDDR SGRAM으로 진화하여 현대까지 쓰이고 있다.
ⓔ HMC : 복수의 DRAM을 수직으로 적층. 발열 문제로 상용화되지 않은 상태.
ⓕ HBM : HMC에서 메모리만 적층하는 식으로 절충되어 나온 규격. 인터포저 기술 개선 시 차세대 시스템 메인 메모리 후보다.
지금까지 RAM에서 분화된 VRAM, NVRAM 중 VRAM에 대해서 알아봤다면, 이제는 NVRAM을 알아볼 차례다.
NVRAM은 기존의 반도체 제품을 제조하는 것과는 다른 소재와 공정이 필요하기 때문에 단가 자체가 비싸다. NVRAM은 비휘발성 RAM이기 때문에 ROM의 장점과 RAM의 장점을 모두 갖고 있어 주기억장치와 보조기억장치의 역할을 모두 해낼 수 있지만, 현재 주기억장치와 보조기억장치의 이원화된 시스템으로도 고도의 데이터 처리가 가능하기 때문에 거대 자본 투자가 미미한 편이다. 이 분야의 특허와 원천 기술은 미국의 IBM과 인텔이 독식하고 있다고 한다.
NVRAM은 MRAM과 PRAM, RRAM, FeRAM이 있다. 각각 전혀 다른 기술을 사용하고 있다.
ⓐ MRAM(Magnetoresistive RAM) : 자기 저항 메모리. 주기억장치의 면에선 낸드플래시의 느린 쓰기 속도, 제한된 수명을 극복하여 낸드 플래시를 압도하며, 읽기 속도도 빠른 편이다. 하지만 특성상 소자의 크기를 줄이기가 힘들어 (50nm 이하의 미세 공정이 힘들고 비용이 많이 들었다.) 고밀도화에 난항을 겪고 있었으나, 2019년부터 삼성전자에서 양산하기 시작했다. MRAM은 STT-MRAM으로 진화하는데, 삼성·IBM 합작 연구로 집적도를 향상(11nm)하는데 성공하여 수년 안에 양산한다고 한다.
ⓑ PRAM(Phase-change RAM) : 상변화 메모리. 전기적 특성에 반응하는 유리 물질인 칼코게나이트계 소재 등을 이용한다. 내구성이 상당히 우수하다. 연구개발이 한창 진행 중이며 상용화도 점점 진행 중이다.
ⓒ RRAM(Resistive RAM) : 저항 변화 램. 속도는 다소 느리나 MRAM에 비해 소자의 크기를 줄이기가 용이해 고밀도화에 유리하다.
ⓓ FeRAM(Ferroelectric RAM) : 강유전체 램. 공정 미세화가 어려워 연구가 멈춰있었으나 2011년 신소재의 발견으로 인해 연구가 급격하게 진행 중, 허나 해당 소재의 특성이 완전히 밝혀져 있지 않아 실용화까지는 한참 먼 상황이다.
* 중간 요약
NVRAM은 비휘발성 RAM이며, MRAM과 PRAM, RRAM, FeRAM으로 나뉘고 이들은 모두 상이한 기술을 사용한다.
ⓐ MRAM : 자기 저항 메모리. STT-MRAM으로 진화하여 수년 내 양산을 기다리고 있다.
ⓑ PRAM : 상변화 메모리. 내구성 우수함. 연구개발 한창 진행 중.
ⓒ RRAM : 저항 변화 램.
ⓓ FeRAM : 강유전체 램. 신소재 발견하여 연구에 박차가 가해졌으나 신소재 특성이 완전히 밝혀지지 않았다.
※ NVRAM은 주기억장치와 보조기억장치의 역할을 모두 수행하기 때문에, 만약 개발과 상용화가 성공적으로 이루어진다면 낸드플래시는 많은 지분을 빼앗기거나 아예 대체될 수도 있다.
지금까지는 모두 메모리 반도체에서 분화된 RAM과 ROM 중 RAM에 대해서 알아보았고, 이제는 ROM에 대해 알아볼 시간이다.
엄밀히 따지면 모든 ROM이 전부 반도체 제품은 아니다. CDROM 같이 광학적(Optical)인 방법을 사용하는 ROM도 있고, 플로피디스크나 하드디스크 드라이브(HDD)처럼 자기를 이용하는(Magnetic) ROM도 있다. 하지만 현대에 사용되는 ROM은 반도체를 사용하는 ROM이 대부분이다. 반도체 ROM 외의 다른 ROM은 정말 특수한 경우에 매니악하게 쓰일 뿐이다.
(반도체) ROM은 처음엔 정말 'Read-Only'인 Mask ROM에서 출발하여, 'Read-Only'를 극복하는 방향으로 진화되어왔다. 즉, Mask ROM→PROM→EPROM→EEPROM까지 나왔다가 이 계보를 이어받은 것이 바로 플래시 메모리이다.
ⓐ Mask ROM : 제조할 때 데이터를 입력하며, 재프로그래밍이 원천적으로 불가능함. 냉장고, 텔레비전, 에어컨, 전자레인지, 전기장판 등 거의 모든 가전제품에 Mask ROM이 탑재된다. 마스크 비용이 비싸지만 한번 만들면 금형처럼 찍어내는 형식이기 때문에 대량 생산에 유리하다.
ⓑ PROM(Programmable ROM) : 생산 후에 사용자가 내용을 '한 번만' 기록할 수 있는 ROM. 하여 OTP[One Time Programmable. 은행 OTP(One Time Password)와 다르다]라고도 한다. 애매한 위치로 입지는 마스크롬보다 작다.
ⓒ EPROM(Erasable PROM) : 자외선을 이용하여 기억된 내용을 지우고 다시 기록할 수 있는 ROM이다. 자외선을 이용하기 때문에 UV-PROM이라고 한다. 자외선을 이용한다는 특유의 방식이 번거로워 현대엔 잘 쓰이지 않는다.
ⓓ EEPROM(Electrically EPROM) : 전기적인 신호를 이용하여 기억된 내용을 지우고 다시 기록할 수 있는 ROM이다. 현대엔 플래시 메모리에 밀려 사용 빈도가 점점 낮아지고 있지만, 플래시 메모리보다 제어가 매우 쉽고 수명이 길며 쓰기 가능 횟수가 플래시 메모리보다 훨씬 많기 때문에 특수 용도에서 조금씩 쓰이긴 한다.
ⓔ 플래시 메모리(Flash Memory) : 전기적으로 자유롭게 재기록이 가능한 비휘발성 반도체 저장장치. 기존의 ROM과 다른 점은 기존의 ROM은 바이트 단위로 수정이 가능하지만 플래시 메모리는 블록 단위로 수정이 가능하다. 하여 EEPROM 계열로 보지 않는 사람도 있다.
플래시 메모리는 셀 레벨에 따라 SLC→MLC→TLC→QLC→PLC→OLC로 나뉜다. OLC로 갈수록 수명이 적고 가격이 싸지만 저장 밀도가 올라가며, SLC로 갈수록 쓰기 속도가 빠르다. 그리고 한편으로는 회로 형태에 의해 NAND 타입과 NOR 타입으로 나뉜다. 가장 중요한 분류 방식이다.
ⓐ NAND 타입 : 읽기 속도 느리지만 쓰기 속도 빠름. 고밀도. 저가. USB 메모리, SSD 등 저장 매체에 쓰임.
ⓑ NOR 타입 : 쓰기 속도 느리지만 읽기 속도 빠름. 저밀도. 고가. RAM처럼 실행 가능한 코드를 저장하는 데 쓰임.
NAND 타입의 플래시 메모리를 낸드 플래시라고 한다.
이 부분에 대해서는 전에 쓴 글에서 상세히 기술하였으니 참조하기 바란다.
[반도체] 플래시 메모리(Flash Memory) (tistory.com)
* 중간 요약
ROM은 광학 ROM, 자기 ROM 등 여러 갈래가 있고 그 중에 반도체를 이용한 ROM이 있다. 반도체 ROM은 다음과 같이 나뉜다.
ⓐMask ROM : 제조할 때 데이터 입력, 재프로그래밍 불가. 현재도 가전제품 등에 많이 쓰임.
ⓑPROM : 생산 후 한 번만 기록할 수 있는 ROM. 애매한 위치로 잘 쓰이지 않음.
ⓒEPROM : 자외선을 이용하여 지우고 다시 기록하는 ROM. 방식이 번거로워 잘 쓰이지 않음.
ⓓEEPROM : 전기적 신호를 이용해 지우고 다시 기록하는 ROM.
ⓔ플래시 메모리 : 전기적으로 자유롭게 재기록 가능한 비휘발성 반도체 저장장치.
⒜ NAND 타입 : 읽기 속도 느리지만 쓰기 속도 빠름. 고밀도. 저가.
⑵ NOR 타입 : 쓰기 속도 느리지만 읽기 속도 빠름. 저밀도. 고가.
이제 메모리 반도체 이야기는 끝났고 3편에서 시스템 반도체에 대해 이야기하겠다.
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