메모리 반도체는 저장 방식에 따라 휘발성 메모리(RAM)와 비휘발성 메모리(ROM, Flash Memory)로 나뉜다. 휘발성 메모리는 전원이 차단되면 저장된 데이터가 사라지지만, 비휘발성 메모리는 전원이 꺼져도 데이터가 보존되는데, DRAM과 SRAM이 휘발성 메모리에 포함된다. 이번 편에서는 휘발성 메모리 반도체 중 DRAM에 대해서 알아보자.
휘발성 메모리로서의 DRAM
휘발성 메모리는 데이터를 빠르게 읽고 쓸 수 있지만, 전원이 차단되면 저장된 정보가 모두 사라지는 특징을 가진다. 대표적인 휘발성 메모리가 바로 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 SRAM(Static Random Access Memory)이다. 이 중 DRAM은 컴퓨터의 주기억 장치로 널리 사용되며, 지속적인 전력 공급이 필요하지만 높은 저장 밀도와 낮은 비용으로 인해 가장 많이 활용되는 메모리 종류이다. 휘발성 메모리는 데이터 처리 속도가 빠르기때문에 시스템 메모리로 적합하지만, 전원이 꺼지면 데이터가 유실되는 단점이 있다. DRAM은 이러한 특징을 보완하기 위해 지속적인 전력 공급과 데이터 갱신(리프레시) 과정을 반복하며 작동한다.
DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 역할
DRAM은 CPU로부터 전송된 데이터를 임시로 보관하는 역할을 하는 주기억 장치이다. 초기에는SDRAM(Synchronous DRAM)이 사용되었으며, 이는 한 번의 CPU 클럭에서 단 한 번의 데이터를 저장할 수 있었다. 그러나 이후 DDR DRAM(Double Data Rate DRAM)이 개발되면서 같은 클럭 속도에서도 두 번의 데이터를 저장할 수 있는 구조로 발전하였다. 현재 DDR5까지 개발이 진행되며 지속적인 성능 개선이 이루어지고 있다.
CPU 클럭이란 CPU 속도를 나타내는 단위로, 1초 동안 전자기파가 움직이는 시간을 의미한다. 이 시간 동안 처리할 수 있는 데이터의 양에 따라 CPU의 성능이 결정되며, 단위는 Hz(헤르츠)로 표기된다.
DRAM의 내부 구조
DRAM 칩은 크게 셀, 주변 회로, 배선으로 구성된다.
이 중 셀은 정보를 저장하는 역할을 하며 DRAM 칩의 50~60%를 차지한다. 하나의 셀은 0 또는 1의 디지털 정보를 저장하며, 1Gb DRAM은 약 10억 개(2³⁰)의 셀을 포함하고 있다. 현재 삼성전자는 단일 칩 최대 용량인 24Gb DRAM을생산할 수 있다. 하나의 셀은 트랜지스터와 캐퍼시터(Capacitor)가 짝을 이루어 데이터를 저장하고 읽어내는 구조로 되어 있다.
- 트랜지스터는 전하가 이동하는 경로를 조절하는 소자로, 게이트(Gate), 소스(Source), 드레인(Drain)으로 구성된다. 게이트는 워드라인에 전압이 걸릴 때만 열리며, 전하의 이동을 제어한다. 비트라인(Bit Line)은 전압을 조절하며 데이터를 저장하거나 CPU로 전달하는 핵심적인 역할을 한다. MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 디지털 및 아날로그 회로에서 가장 일반적으로 사용되는 전계효과 트랜지스터로, 전압을 이용해 전류 흐름을 조절한다.
- 캐퍼시터(Capacitor)는 전기를 저장하는 축전기로, DRAM에서 데이터를 저장하는 핵심 역할을 담당한다. DRAM의 성능은 캐퍼시터의 품질과 용량에 의해 결정된다.
DRAM의 작동 원리와 리프레시 과정
DRAM은 비휘발성 메모리와 달리 전하가 빠져나가는 것을 방지할 절연체나 부도체가 칩 내부에 포함되어 있지않다. 따라서 전원이 꺼지면 저장된 데이터가 손실될 수 있다. 이를 보완하기 위해 전충전(Precharge)과 리프레시(Refresh) 과정이 반복적으로 이루어진다.
- 전충전(Precharge)은 데이터를 읽기 전에 비트라인이 반만 전압을 걸어 셀의 상태를 파악하는 과정이다. 전압을조절하여 데이터 손실이 발생하지 않도록 유지한다.
- 리프레시(Refresh)는 빠져나간 전자를 다시 채워주는 과정이다. 리프레시가 진행되면 동일한 워드라인에 연결된이웃 셀들이 일시적으로 작업을 멈추게 된다. 이로 인해 CPU에 전달하는 초당 데이터량이 줄어드는 단점이 존재한다.
이러한 데이터 유지 방식 때문에 DRAM은 동적 RAM(Dynamic RAM)이라는 이름을 갖게 되었다. DRAM은 저장된 정보를 지속적으로 유지하기 위해 전력을 공급받으며, 데이터 유실을 방지하기 위해 끊임없이 리프레시 작업을 수행한다.
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