[반도체] 플래시 메모리(Flash Memory)

플래시 메모리(Flash Memory)

 

 

 

정의

전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 컴퓨터 기억 장치.

 

 

 

ROM(Read Only Memory)와 다른 점?

비휘발성 기억장치라는 점은 똑같지만, PROM(Programmable ROM)은 한번 데이터를 기록하면 다시 기록할 수 없다. PROM은 기억할 정보를 소자의 제조와 동시에 설정하고, 정보를 소자의 구조로서 기억하고 있으므로 바꾸어 쓸 수가 없다. EPROM(Erasable PROM)은 2가지로 나뉘는데, 자외선을 쬐어야 삭제가 가능한 UV-EPROM과 전기적으로 가능한 EEPROM(Electrically EPROM)으로 나뉜다. 전자는 삭제 방식이 번거로워 이제는 거의 쓰이지 않으며, 후자인 EEPROM은 이후 플래시 메모리로 발전하게 된다. 

ROM에서 파생된 것이라 ROM의 일종으로 봐야하지만, 기록된 내용을 보존한다는 측면에서는 ROM과 유사하지만 메모리 어드레싱이 아닌 섹터 어드레싱을 한다는 특성으로 인해 주 기억장치로 분류되는 ROM이 아닌 하드디스크와 유사한 보조 기억장치로 분류된다.

 

 

 

장단점

(1) 장점

   ① 비휘발성 : 전원을 꺼도 데이터가 남는다.

   ② 작고 가벼우면서, 자기 매체나 광학 매체에 비해 기계적인 충격에 강하고, 직사광선, 고온, 습기에도 강하다.

   ③ 읽기, 쓰기 속도 모두 RAM(DRAM, SRAM 등)과 비교할 수 없이 느리다. 하드디스크 같은 기계적 매체보다도 느리다. 하지만 플래시 메모리가 여러 개가 있으면 나눠서 읽고 쓸 수 있기 때문에 결과적으로 하드디스크보다 훨씬 빨라질 수 있으며, 물리적으로 무언갈 움직여서 데이터를 읽는 전통적인 하드디스크와 달리 물리적으로 움직일 필요가 없기 때문에 검색 시간이 매우 짧다.

 

 (2) 단점

   ① 블록을 지우기 전에 새로 쓸 수 없다. : SSD는 쓰기 대상 블록이 비어있지 않다면 실제로는 지우기-쓰기가 진행된다. SSD의 가장 큰 약점 중하나로, 셀의 수명 문제와 시너지를 일으켜 저장 매체로서 HDD와는 전혀 다른 컨트롤러와 제어 알고리즘을 가져야 하는 원인이 된다. 이를 위해 나온 것 중 하나가 TRIM이다.

   ② 기록 횟수에 제한이 있다. : 매체의 소재 자체의 한계로 인해 기록 가능 횟수에 한계가 있다. 이 횟수를 넘어가면 삭제/기록이 되지 않는다. 이 특성으로 인해 발생하는 수명 단축을 완화하기 위해 웨어 레벨링(Wear Leveling)을 사용한다. (모든 셀이 골고루 쓰이도록 하는 기술)

   ③ 블록 단위로만 재기록할 수 있다. : 재기록이 필요한 셀만 지우고 새로운 값을 쓸 수 없고 인접 위치에 있는 것까지 다 지우고 새로 써야 한다.

 

 

 

플래시 메모리의 구분

 

 (1) 게이트로 구분

   NAND와 NOR이라는 이름은 디지털 로직 게이트에서 유래하였으나 논리 연산자와 아무런 관련 없다. 연결방식이 비슷할 뿐이다.

구분	NAND 타입	NOR 타입
용도	USB 메모리, SSD 등 저장 매체	RAM처럼 실행 가능한 코드 저장
읽기	랜덤 액세스이나 한 블록이 모두 동작함. 비교적 느림.	셀 단위 랜덤 액세스. 빠름.
쓰기	한 번에 한 블록을 통째로 기록하여 빠름	한 셀씩 기록하여 느림
밀도	고밀도	저밀도
가격(용량 대비)	저가	고가
비유	서류더미를 아무렇게나 높이 쌓아둔 것.	서류를 색인을 붙여 제대로 분류해둔 것.
대표 기업	삼성전자, SK하이닉스, 키오시아, 웨스턴 디지털, 마이크론 테크놀로지	인텔(NOR 플래시 메모리의 최강자)
상황	요즘에는 굳이 NOR 타입의 플래시 메모리를 쓰지 않고 그냥 내장 부트로더가 NAND 타입 메모리에서 부트 블록을 읽어서 RAM에 복사해놓고 실행하기 때문에 NOR 타입 플래시를 많이 쓰지 않아 입지가 줄어들었다.

 

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디지털 논리 연산자

 

좌측이 NOR Gate / NAND Gate의 논리 연산자 구조. 우측이 NOR Flash Memory / NAND Flash Memory의 Cell 구조.

 

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 (2) 셀 레벨로 구분

 

구분	SLC	MLC	TLC	QLC	PLC	OLC
풀 네임	Single Level Cell	Multi Level -	Triple Level -	Quad Level -	Penta Level -	Octa Level -
용도	높은 저장속도와 내구성 위주	적절한 속도, 내구성, 약간 낮은 용량	용량과 속도,  내구성의 조화	대용량 위주	보급용	판촉용, CD, 카세트테이프 등 읽기 전용 매체 대체용
읽기	NOR에 비해 느림	SLC보다 느림	MLC보다 느림	TLC보다 느림	QLC보다 느림	PLC보다 느림
쓰기	단일 비트 저장 빠름	2bit 동시 기록 약간 빠름	3bit 동시 기록 느림	4bit 동시 기록 더 느림	5bit 동시 기록 매우 느림	8bit 동시 기록 굉장히 느림
대략적 수명	최대 10만 회	최대 1~3만회	최대 1천~1만회	최대 1백~1천회	최대 100회	최대 10회 미만
용량대비 가격	초고가	고가	보통	저가	초저가	최저가

* 간단히 말해서 SLC로 갈수록 한 셀에 적은 bit를 담는 것이다. 한 셀이 많은 bit를 담고 있을수록 세심한 조작이 필요하므로 읽기/쓰기가 느리고 에러 발생 가능성이 높아지는 것이다.

* 3D NAND 기술이란 셀을 더 크게 만들어서 더 많은 bit를 담을 수 있도록 한 것이다. 세심한 동작이 필요한 건 동일.

 

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SLC, MLC, TLC, QLC 비교.

 

 

SLC, MLC, TLC 원리를 표현한 모형.

 

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플래시 메모리의 사용처

기계 내부의 eMMC와 같은 NAND 플래시 저장소. 특히 저용량의 설정값 등을 기억하는 용도로 산업용에 많이 쓰임. eMMC 뿐만 아니라 UFS에도 많이 쓰인다.  ex) PC의 운영체제 드라이브(C:), 거치형 게임기(XBOX ONE, PS4), 차세대 거치형 게임기(PS5) 등 내부 저장소. / USB 메모리, 외장 SSD, microSD 카드, 표준 SD 카드, CF 카드 등 이동식 저장소.

 

* eMMC : Embedded Multi Media Card. 안드로이드 스마트폰과 태블릿 컴퓨터의 내장 메모리로 흔히 장착됨. 소형 저전력 기기의 저장소로는 거의 독점 수준으로 응용되고 있다.* UFS : Universal Flash Storage. eMMC를 대체하기 위해 개발됨. 디지털 카메라, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 등 임베디드 시스템을 위한 새 플래시 메모리 규격

 

삼성전자의 NAND 플래시 메모리(3BIT 3D V낸드플래시 메모리).