낸드플래시라는 말은 뉴스에서 많이 들어봤을 것이다. 듣기는 하지만 DRAM하고 뭐가 차이가 있는지, 왜 중요하고, 어디에 쓰이는지 우리는 잘 모른다. 그래서 이번에는 Part 2 휘발성 메모리인 DRAM에 이어 비휘발성 메모리들을 알아보고, 거기에 낸드플래시가 왜 들어가는지 알아보자.
비휘발성 메모리 - ROM(플래시메모리 포함 - 낸드도 여기에 속함), 광디스크드라이브 등
비휘발성 메모리는 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않고 유지되는 반도체 메모리이다. 데이터 처리 속도가 빠르고 전력 소모가 적으며, 충격, 압력, 온도 변화 등에 강한 내구성을 가지고 있다. 그러나 RAM에 비해 가격이 비싸거나 성능이 다소 떨어지는 경우도 있다.
현재 비휘발성 메모리는 스마트폰과 PC의 저장장치, SSD(Solid State Drive) 등에 사용되고 있다. HDD(Hard Disk Drive)는 자기디스크 기반 저장장치이며, SSD는 플래시 메모리를 사용하는 저장장치로 점차 HDD를 대체하는 추세이다. 반도체 기반의 ROM과 플래시 메모리, 비반도체 기반의 마그네틱 저장장치 및 광디스크 드라이브 등이 비휘발성 메모리에 포함된다.
ROM(Read-Only Memory)의 종류
ROM은 데이터를 읽을 수만 있는 메모리로, 종류에 따라 일부 쓰기가 가능한 형태도 존재한다.
- Mask ROM: 제조 시 포토마스크 공정을 이용하여 정보를 새겨 넣는 방식으로 제작된다. 한 번 기록되면 정보를 변경할 수 없으며, 오직 읽기만 가능하다.
- ROM(Printed ROM): 한 번만 데이터를 기록할 수 있는 메모리이다. 일단 기록된 내용은 변경할 수 없으며, 주로 비디오 게임기나 전자사전과 같은 제품에 사용된다.
- EPROM(Erasable PROM): 데이터를 변경할 수 있는 메모리로, 자외선(UV)를 이용하여 데이터를 지울 수 있다. 그러나 반복적인 기록과 삭제 과정에서 절연층이 손상될 수 있어 사용 횟수에 제한이 있다.
- EEPROM(Electronically Erasable PROM): 전기적으로 데이터를 쓰고 지울 수 있는 메모리이다. 읽기 속도는 SRAM과 유사하지만, 쓰기 속도가 느려 실시간 데이터 처리가 필요한 환경에서는 사용이 어렵다. 하지만 내구성이 뛰어나고 초기 저장 시 버퍼가 필요하지 않아 차량, 산업용 기계, 사무기기, 소비자 제품의 상태값을 저장하는 데 적합하다.
- 플래시메모리(Flash Memory): EEPROM의 변형된 형태로, 사용자가 자유롭게 바이트 단위로 데이터를 읽을 수 있다. 그러나 쓰기나 삭제는 블록 단위로만 가능하다. EEPROM보다 메모리 셀 구조가 단순하여 대용량 메모리 제작이 가능하고, 데이터 쓰기 속도가 빠르다는 장점이 있다. 플래시 메모리는 MP3 플레이어, 디지털카메라, 휴대전화, USB 드라이브 등 다양한 기기에 사용된다.
Flash Memory 종류
Flash Memory는 내부 구조에 따라 NOR 방식과 NAND 방식으로 나뉜다.
NOR
- NOR 메모리는 전자회로가 병렬로 연결된 구조이며, NAND 메모리는 직렬로 연결된 구조를 가진다.
- NOR 메모리는 NOT OR 로직을 이용하여 데이터를 처리하는 방식이다. 읽기 속도가 매우 빠르고 바이트 단위로데이터를 읽을 수 있어, 저장된 프로그램을 직접 실행하는 것이 가능하다. 이는 마치 서랍 하나에 한 개의 물건을넣어 보관하는 방식과 유사하다. 원하는 데이터를 빠르게 찾을 수 있으며, 안정성이 높아 불량 블록(Bad Block)이 존재하지 않는다. 그러나 데이터마다 하나의 서랍을 차지하는 방식이기 때문에 대용량화가 어렵고, 데이터를 삭제하려면 서랍을 하나씩 비워야 하므로 쓰기 속도가 느리다.
NAND (낸드 플래시)
- 과거 인텔이 주력으로 밀었던 메모리 기술이었으나, 애플이 NAND 방식을 채택하면서 NAND 플래시 메모리가급격히 발전하게 되었다. 이후 인텔은 마이크론(Micron)과 협력하여 NAND 시장에 우회적으로 진출하였다. 현재NOR 메모리는 컴퓨터와 스마트폰의 BIOS, 네트워크 장비의 칩 등에 사용된다.
- NAND 메모리는 NOT AND 로직을 이용해 데이터를 처리하는 방식이다. 각각의 서랍이 존재하지만, 한 개의 서랍에 여러 개의 파일을 저장하는 방식으로 대용량화를 가능하게 한다. 데이터를 한 번에 통째로 삭제하고 다시 기록할 수 있어 쓰기 및 삭제 속도가 매우 빠르다. 제조 단가도 NOR 방식보다 저렴하며, 동일 면적에서 저장할 수있는 데이터 용량이 NOR 방식의 40% 수준이므로 더욱 경제적이다.
- 그러나 NAND 메모리는 데이터를 저장할 때 파일 위치를 찾아 다시 데이터를 읽어야 하기 때문에 읽기 속도가 느리다. 또한 파일을 통째로 읽어야 하므로 비트 단위의 데이터 접근이 어렵다. 읽기와 쓰기 횟수가 증가할수록 전자의 이동 횟수도 많아지는데, 이로 인해 산화막이 점차 손상되면서 NAND 메모리의 수명이 제한된다.
낸드 플래시 문제 해결을 위해 사용되는 방식
- Wear-Leveling 기술은 메모리 셀을 고르게 사용하여 특정 셀의 마모를 방지하는 방식이다.
- ECC(Error Check and Correct)는 컨트롤러의 에러 수정 기능을 강화하여 데이터 손상을 최소화한다.
- DSP(Digital Signal Processor)는 기록 전압을 조절하여 셀이 손상되지 않도록 하는 기술이다.
- Over-Provisioning은 일정 부분의 저장 공간을 여유롭게 남겨두어 제품의 수명을 연장하는 방식이다.
- NAND 메모리는 이러한 기술을 활용해 안정성과 내구성을 높이고 있으며, SSD, USB 메모리, 스마트폰, 태블릿등 다양한 저장장치에 폭넓게 사용되고 있다.
NAND Flash Memory의 종류
NAND Flash Memory는 공정 방식에 따라 2D 미세 공정 방식과 3D 공정 방식으로 구분된다.
2D 미세 공정 방식
2D 미세 공정 방식은 셀에 데이터를 저장하는 방식에 따라 SLC, MLC, TLC로 나뉜다. 최근에는 QLC(4bit), PLC(5bit), MLC(Multi Level Cell) 등으로 기술이 발전하고 있다.
- SLC(Single Level Cell): 하나의 셀에 1bit의 데이터를 저장하는 방식이다. 속도가 빠르고 수명이 길며, 높은 정확성을 보장한다. 주로 자동차나 항공기와 같은 산업용 스토리지에 사용된다.
- MLC(Multi Level Cell): 하나의 셀에 2bit의 데이터를 저장하는 방식이다. SLC에 비해 저장 밀도가 높아졌으며, 00, 01, 10, 11의 조합을 통해 데이터를 저장할 수 있다.
- TLC(Triple Level Cell): 하나의 셀에 3bit의 데이터를 저장하는 방식으로, 원가 경쟁력이 높다. 저장 용량을 늘릴수 있지만, 내구성이 상대적으로 낮아지는 단점이 있다.
3D NAND Flash
- NAND Flash의 저장 용량을 늘리기 위해서는 메모리 셀을 더욱 작게 만들거나, 다이(die) 크기를 키워야 한다. 그러나 2D 구조에서는 더 이상 셀을 작게 만들기 어려운 한계가 있다. 현재 2D NAND는 128Gb 용량에서 제한되며, 셀이 작아질수록 트랜지스터 간의 간섭이 증가하여 전자가 외부로 누출될 확률이 높아지는 문제가 발생한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 3D NAND Flash 기술이 개발되었다.
- 3D NAND Flash는 메모리 셀을 단일 수평 레이어로 배치하는 것이 아니라, 수직으로 여러 개의 레이어를 쌓는 방식이다. 이를 통해 동일한 풋프린트 영역에서 더 많은 저장 공간을 확보할 수 있으며, 셀 간의 간섭을 줄여 안정성과 수명을 개선할 수 있다.
- 적층(stacking) 방식은 각 메모리 셀 간 연결을 단축하여 메모리 성능을 더욱 향상시킨다. 초기 웨이퍼 비용 및 메모리 가격이 2D NAND에 비해 두 배 이상 비싸더라도, 바이트당 저장 비용은 훨씬 낮아지기 때문에 경제적으로도 효율적인 기술이다. 현재 32~48단, 64단, 96단, 128단 NAND Flash가 상용화되었으며, 점차 적층 단수가 증가하고 있다.
NAND Flash의 구조적 진화
초기의 NAND 셀 구조는 전압을 가하는 컨트롤 게이트(Control Gate)와 전하를 저장하는 플로팅 게이트(Floating Gate)로 구성되어 있었다. 그러나 3D NAND Flash에서는 새로운 방식인 CTF(Charge Trap Flash) 기술이 적용되고있다.
- 컨트롤 게이트(Control Gate): 전압을 가하여 전자를 이동시키는 역할을 한다. 컨트롤 게이트에 높은 전압을 가하면 전자가 플로팅 게이트로 이동하여 저장되며, 이 전압량에 따라 디지털 신호를 조절할 수 있다.
- 플로팅 게이트(Floating Gate): 전하를 저장하는 공간으로, 도체이지만 절연체로 둘러싸여 있다. 이 구조 덕분에전원이 꺼져도 전하가 외부로 빠져나가지 않고 데이터를 보존할 수 있다.
- CTF(Charge Trap Flash): 플로팅 게이트 대신 컨트롤 게이트 자체에 전하를 저장하는 방식이다. 기존 플로팅 게이트 구조와 달리, 나이트라이드(Nitride)라는 부도체를 사용하여 전자를 보다 강하게 붙잡아 둘 수 있다. 이로 인해 셀 간 간섭이 감소하여 미세 공정이 더욱 용이해졌다. 또한 나이트라이드 층이 셀 사이의 칸막이 역할을 하므로 레이어를 계속해서 쌓을 수 있다.
- 3D CTF: 기존의 직사각형 컨트롤 게이트를 원통형으로 변경하여 접촉 면적을 넓힌 기술이다. 이를 통해 셀당보유 전자 수를 극대화하고 적층 공정을 더욱 쉽게 만들 수 있다. 또한 셀 간 공간을 확보하여 데이터 간섭 현상을줄이는 효과가 있다.
3D NAND의 적층 공정
3D NAND Flash에서는 높은 단에서 낮은 단까지 한 번에 구멍을 뚫어 전극을 연결하는 수직 적층 공정이 사용된다. 이를 위해 에칭(etching) 기술과 게이트 패턴 기술이 적용된다.
- 수직 적층 공정: 마치 초고층 건물의 옥상에서 지하까지 5미터 지름의 구멍을 수십억 개 뚫고, 각 층에 두 개의문을 만들어 전자를 이동시키는 양문 엘리베이터를 설치하는 것과 유사하다. 구멍을 한 번에 깊고 정교하게 뚫을수록 성능이 향상된다.
- 더블 스택 공정(Double Stacking): 200단 이상의 3D NAND가 도입되면서 등장한 기술이다. 200단 이상의 적층을한 번에 구현하는 것이 어렵기 때문에, 두 번에 나누어 구멍을 뚫고 결합하는 방식이 사용된다. 삼성전자는 128단이후 176단부터 더블 스택 공정을 적용하고 있으며, 이 방식은 비용과 공정 시간이 증가하는 단점이 있지만, 고용량 NAND Flash의 대세로 자리 잡고 있다.
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