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메모리 반도체의 이해RAM에서 플래시 메모리에 이르는 메모리 반도체의 종류와 발전 방향
신동윤 기자 | 승인 2018.01.05 10:52

[EPNC=신동윤 기자] 기억을 의미하는 영어 단어인 메모리(Memory)는 IT 분야에서는 컴퓨터 기억장치(Computer Memory), 혹 은 메모리 반도체 (Semiconductor Memory)를 의미하는 단어로 자리잡고 있다. 논리적인 의미의 메모리와 물리적인 메모리 반도체를 모두 메모리라는 단어로 통칭하고 있는 것이다.

사람의 경우와 마찬가지로 컴퓨터도 무엇인가 연산을 하기 위해서는 일시적으로 데이터를 저장하기 위한 공간이 필요하다. 또한 많은 데이터를 저장해 두고 필요할 때 가져와 사용하기 위한 공간도 필요하다.

일반적으로 컴퓨터의 경우 CPU에 내장된 레지스터(Processor Register)에서부터 캐시 메모리(Cache Memory), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory) 등의 메모리를 갖고 있으며, 이외에도 하드디스크나 SSD(Solid State Disk)와 같은 스토리지 또한 넓게 봤을 때 메모리로 포함할 수 있다.

레지스터는 CPU에서 연산할 데이터를 저장하거나, 혹은 연산한 결과 데이터를 저장하는 용도로 사용되며, 레지스터에서 CPU의 캐시 메모리에 임시 저장했다가 메인 메모리로 데이터를 전송한다. 예를 들면 레지스터가 작업대라면, 캐시는 작업대 옆의 보조 테이블, 메인 메모리는 작업대 옆의 수납장, 하드디스크 등 스토리지는 창고라고 할 수 있을 것이다.

다시 말해 컴퓨터에서 가장 중요한 위치를 차지하는 것이 중앙연산장치(Central Processing Unit, CPU)와 메모리라고 해도 과언이 아니다. 실제로 패키지화된 CPU 내부에도 CPU와 직접적으로 통신하는 레지스터, 그리고 레지스터와 메모리, 스토리지 등의 주변기기와의 속도 차이를 만회하기 위한 캐시 메모리가 제공된다.

[그림 1] CPU의 구조

메모리의 종류

메모리 반도체는 크게 RAM과 ROM으로 나눌 수 있다. RAM은 데이터가 저장된 물리적 위치와 관계없이 바로 데이터에 접근할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 이전의 데이터 저장 장치로 사용되던 테이프나 하드디스크, CD-ROM 등 다이렉트 액세스 데이터 스토리지(Direct Access Data Storage)와 차별화되는 특징이 바로 이런 랜덤 액세스 방식이었기 때문이다.

반면 ROM은 RAM과 비슷한 어원에서 왔을 것이라고 오해하기 쉽지만, 읽기만 가능한 메모리라는 뜻으로 쓰지 못하고 읽을 수만 있는 ROM의 특성에서 온 명칭이다. 물론 최근에는 CR-ROM이 CD-RW 등으로 발전하면서 읽고 쓸 수 있게 된 것과 마찬가지로 ROM 또한 읽고 쓸 수 있게 발전해 나가고 있다.

RAM과 ROM의 가장 큰 차이는 RAM은 전원이 꺼지면 바로 데이터가 소실되지만, ROM은 전원 유무와 관계없이 데이터를 유지한다는 것이다. 이런 ROM의 특성을 살려 스토리지화한 것이 바로 USB 메모리나 SSD와 같은 NAND 플래시(NAND Flash Memory)다.

[그림 2] 메모리 반도체의 종류

DRAM의 종류와 역사

RAM은 또 다시 DRAM(Dynamic RAM)과 SRAM(Static RAM)으로 구분된다. DRAM은 PC 등에서 가장 일반적으로 사용되는 메모리 방식으로, 그 역사는 2차세계대전까지 거슬러 올라간다. 당시 영국에서는 독일의 암호를 깨기 위한 다양한 방법을 시도했으며, 그런 시도 중 앨런 튜링(Alan Turing)은 현대적인 컴퓨터의 기초를 닦았다. 그 와중에 아쿠아리우스(Aquarius)라는 커패시터(Capacitor)를 전선으로 연결해 만든 초기적인 DRAM의 형태를 갖춘 연산기계를 만들어 냈다.

이런 커패시터 구조는 지금까지도 DRAM의 가장 기본적인 구조로써, 이로 인해 DRAM의 메모리 내의 데이터를 유지하기 위해 커패시터를 주기적으로 재충전하는 리프레시(Refresh)가 필요한 이유이다.

이후 1964년 IBM이 트랜지스터와 다이오드로 구성된 발전된 형태의 메모리를 개발하고, 이후 다이오드 없이 두개의 트랜지스터와 두개의 저항으로 구성된 구조를 만들어 냈다. 이후, 1968년 IBM에서 현대적인 DRAM의 특허를 출원하고, 1969년 이 특허를 이용해 AMD에서 최초의 DRAM을 선보였다. 이후 1970년 인텔이 최초로 DRAM 양산에 성공해 오늘날 DRAM의 전성시대를 열게 됐다.

[그림 3] 인텔이 1970년에 발표한 최초의 상용화된 DRAM C1103

DRAM은 SRAM에 비해 속도가 느리지만, 구조가 간단하기 때문에 집적도를 쉽게 높일 수 있다. 현재 DRAM은 트랜지스터 하나에 커패시터 하나로 하나의 셀을 구성하기 때문에 매우 높은 집적도를 실현할 수 있다. 반면 SRAM은 리프레시가 필요 없어 접근 속도가 매우 빠르지만, 구조가 복잡해 공간을 많이 차지하기때문에 고용량화가 어렵고 가격이 비싸다. 현재는 CPU 내부의 캐시 메모리 등 한정된 용도로만 사용된다.

DRAM은 또한 SDRAM(Synchronous Dynamic RAM ), RDRAM(Rambus DRAM), DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM) 등으로 구분되며, 이외에도 VRAM, SGRAM, EDO DRAM, RLDRAM, GDDR DRAM 등 다양한 형태가 개발됐으나, 이는 특정 용도로만 사용되거나 혹은 이제는 사용처를 거의 찾아볼 수 없는 사장된 기술들이다.

ROM에서 플래시 메모리까지

DRAM과 함께 우리가 가장 많이 사용하고 있는 메모리는 바로 플래시 메모리다. 하지만 플래시 메모리는 DRAM과는 달리 ROM에서 발전된 기술이다. 한번 저장하면 지울 수 없는 ROM은 처음에는 마스킹 형태로 개발됐기 때문에 다시 지우거나 쓰는 것이 불가능했다. 하지만 기술이 발전하면서 PROM(Programable ROM), EPROM(Erasable PROM), EEPROM(Electrically EPROM) 등이 등장했다.

마스크 ROM(Mask ROM)은 데이터를 회로에 식각해 만들어지기 때문에 구조가 간단하고 집적도가 높아 대량생산에 유리하지만, 한번 기록된 데이터는 수정이나 삭제가 불가능하기 때문에 제작 과정에서 충분한 검증 과정을 거치지 않는다면 추후 문제가 발생해도 수정할 수가 없다. 또한 소량 생산에는 어울리지 않는 방식이라는 것 또한 치명적인 단점이다. 이런 단점때문에 최근에는 사용이 많이 줄어들고 있는 상황이다.

이를 개선해 나온 것이 PROM으로 이는 생산 후에 사용자가 원하는 데이터를 기록할 수 있는 ROM으로 이를 위해서는 ROM 라이터(ROM Writer)라는 장비를 사용한다. 하지만 PROM 또한 한번 기록된 내용은 수정할 수 없으며, ROM 라이터로 하나씩 기록해야 하기 때문에 대량 생산에는 어울리지 않는 방식이다.

EPROM 부터는 쓰고 지울 수 있는 방식의 ROM이다. 읽기만 가능하다는 뜻의 ROM이라는 명칭을 무색하게 만드는 EPROM은 자외선을 이용해 저장된 데이터를 지우고 ROM 라이터로 다시 데이터를 저장할 수 있는 방식으로, EPROM의 상단에 있는 투명한 유리창은 자외선을 조사하기 위한 것이며, 데이터를 저장한 이후에는 이 위에 테이프 등을 붙여 데이터의 삭제를 방지한다. 하지만 이 또한 EEPROM의 등장 이후 거의 사용되지 않고 있는 방식이다.

[그림 4] EPROM은 저장된 데이터의 삭제를 위한 유리창이 상단에 자리잡고 있다

EEPROM은 EPROM의 복잡한 데이터 삭제, 저장 방식을 개선해, 전기적인 신호만으로 삭제와 저장이 모두 가능한 ROM이다. 주로 컴퓨터의 ROM이라고 하는 BIOS(Basic Input/Output System) 등에 사용돼 왔으나, 이 또한 플래시 메모리로 많은 부분이 대체되고 있는 상황이다.

플래시 메모리 또한 ROM의 일종으로 EEPROM에서 발전된 것이다. 플래시 메모리라는 이름은 1984년 도시바에서 발표한 논문에서 사용한 ‘Flash EEPROM’이라는 명칭에서 따 온 것으로, 마치 섬광처럼 단 한 순간에 메모리 셀의 데이터를 지울 수 있다는 의미였다.

이후 인텔이 1988년 최초의 상용 NOR형 플래시 메모리를 선보였다. NOR 플래시는 셀이 병렬로 연결되며, 쓰기와 지우기는 느리지만 읽기가 빠르다는 장점을 갖고 있다. 이후 1989년 도시바가 발표한 NAND 플래시는 NOR 플래시에 비해 지우기와 쓰기 시간이 빠르고, 집적도가 높으며, 특히 제작 비용이 적을 뿐 아니라 내구성이 10배 정도까지 향상된다는 장점을 갖고 있다. NAND 플래시의 이런 장점 때문에 현재는 NOR 플래시의 영역을 거의 잠식해 시장에서 플래시 메모리라고 하면 대부분 NAND 플래시를 의미하는 수준에 이르고 있다.

플래시 메모리는 비트 정보를 저장하는 셀이라는 플로팅 게이트 트랜지스터(Floating Gate Transistor)로 구성된 어레이에 정보를 저장한다. 하나의 셀에 하나의 정보를 저장하는 방식을 SLC(Single Level Cell), 그리고 하나의 셀에 여러 단계의 전하를 저장함으로써 1비트 이상을 저장할 수 있게 하는 MLC(Multi-Level Cell), 그리고 하나의 셀에 3비트를 저장하는 TLC(Triple Level Cell) 등이 있다. 그러나 MLC의 경우 명칭으로 보자면 TLC나 QLC(Quad Level Cell) 등을 모두 포함하는 개념이어야 하지만, 실제로 시장에서는 하나의 셀에 2비트를 저장하는 방식을 말하는 것으로 인식되고 있다.

하지만 SSD(Solid-State Drive)로 인해 기존의 HDD 방식에 비해 훨씬 빠르다고 인식되고 있는 플래시 메모리의 실제 속도는 그리 빠르지 않다. 플래시 메모리의 대표적인 적용 분야인 스마트폰이나 태블릿에 사용되고 있는 eMMC(embedded Multi-Media Card) 나 USB 메모리, SD카드 등의 플래시 메모리 속도를 생각해 보면, HDD와 비슷하거나 오히려 느리다고 생각될 경우도 있었을 것이다. 물론 인터페이스의 속도 한계로 인한 것도 일정부분 차지하지만, 플래시 메모리가 그다지 빠른 메모리가 아니라는 점도 크게 기여한다.

그럼 SSD는 어떻게 빠른 속도를 낼 수 있는가? 이는 바로 SSD에 사용되는 NAND 플래시의 칩을 병렬로 연결해 데이터 스트리핑과 인터리빙 기술을 적용하는 것이다. 같은 칩으로 구성된 SSD라면 용량이 큰 SSD가 더 빠른 속도를 제공하는 것은 바로 이런 이유때문이다.

메모리 중심 컴퓨팅

플래시 메모리와 같은 고속 메모리가 등장하면서 새로운 형태의 컴퓨팅 아키텍처가 등장하고 있다. 삼성전자와 HPE 등이 주장하고 있는 메모리 중심 컴퓨팅(Memory-Driven Computing)이 바로 그것이다.

지금까지의 컴퓨팅 아키텍처는 연산장치인 CPU 중심으로 이뤄져 왔으며, 메모리는 각각의 CPU에 개별적으로 관리하는 방식으로 이뤄져왔다. 하지만 이런 방식은 서버 내의 데이터에 접근하는 속도는 빠르지만, 병렬, 분산 등의 방식이 적용되고 있는 현재의 상황에서 다른 서버에 저장된 데이터를 찾는 일이 늘어나는 현재의 상황에는 그다지 어울리지 않는 방식이다. 특히 클라우드나 빅데이터, AI 등 새로운 IT 이니셔티브의 등장은 이런 과거의 컴퓨팅 아키텍처에 한계를 느끼게 만들고 있다.

이에 등장한 메모리 중심 컴퓨팅은 기존의 인 메모리 컴퓨팅(In-Memory Computing)을 한단계 업그레이드해 RAM 영역뿐 아니라 기존 스토리지 영역까지 공용 풀로 구성하는 기술을 적용함으로써, 컴퓨팅의 중심을 메모리로 옮겨가기 위한 기술이다. 이런 방식은 모든 프로세서가 병렬로 연결되고 다른 시스템으로 데이터를 전송할 필요가 없어짐에 따라 더욱 빠르고 효율적인 컴퓨팅 환경을 구성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

[그림 5] 기존 CPU 중심 컴퓨팅과 메모리 중심 컴퓨팅의 비교

물론 이런 메모리 중심 컴퓨팅을 구현하기 위해서는 기존에 비해 훨씬 대용량의 메모리가 필요하며, 가격이 비싼 DRAM보다는 플래시 메모리를 기반으로 구성하려는 노력이 이어지고 있으며, SCM(Storage Class Memory)와 같은 DRAM 수준의 속도를 제공하는 비휘발성 메모리 기술에 관심이 집중되고 있는 상황이다.

HPE가 지난 2017년에 발표한 메모리 중심 컴퓨팅 구현을 위한 프로토타입인 더 머신(The Machine)은 160TB의 메모리 풀을 구성하고 40개의 노드로 구성돼 있었다. 아직 상용 수준에 이르지는 못하고 있는 메모리 중심 컴퓨팅이지만, 향후 이런 새로운 컴퓨팅 아키텍처의 등장은 메모리 반도체의 발전을 더욱 부추기는 요소가 될 수 있을 것이다.

 

DRAM과 인텔 그리고 ‘8인의 배신자’

메모리와 관련해 가장 재미있는 일은 아마도 실리콘 밸리 초창기를 연 ‘8인의 배신자(The Traitorous eight)’일 것이다. 고든 무어(Gorden Moor), 쉘든 로버츠(C. Sheldon Roberts), 유진 클라이너(Eugene Kleiner), 로버트 노이스, 빅터 그리니치(Victor Grinich), 줄리어스 블랭크(Julius Blank), 진 호에르니(Jean Hoerni), 제이 라스트(Jay Last) 등이 8인의 배신자라고 불리게 된 이유는, 이들이 윌리엄 쇼클리(William Shockley)가 설립한 쇼클리 트랜지스터(Shockley Transistor)에서 같이 일하던 직원이었으며, 동시에 회사를 그만두고 나오면서 노벨 물리학상 수장자인 윌리엄 쇼클리가 이들을 8인의 배신자라며 비난했기 때문이다.

반도체 역사에 한 획을 긋고 인텔, AMD 등 많은 반도체 업체의 설립 계기를 만든 ‘8인의 배신자’

이들은 바로 페어차일드 그룹의 자본을 투자받아 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductor)를 설립하고 실리콘 소재의 트랜지스터를 개발하면서 트랜지스터의 대량생산 시대를 열었다. 하지만 이들의 성공도 잠시, 페어차일드 그룹의 대우에 불만이 쌓여가던 8인의 배신자들은 하나 둘 씩 회사를 떠나갔으며, 마지막까지 남아있던 로버트 노이스와 고든 무어가 인텔을 창립하면서 회사를 떠나게 된다.

이 8명과 페어차일드에서 나간 사람들에 의해 직간접적으로 설립된 회사들은 이후 반도체 분야의 핵심적인 역할을 하게 되며, 대표적인 인텔과 AMD 외에도 LSI로직, 시이프러스, 아트멜, 3Dfx, 시냅틱스, 자일링스, 자일로그, VLSI 테크놀로지, 시에라세미컨덕터, 시러스로직, 리니어 테크놀로지, 내쇼날 세미컨덕터 등 수많은 업체들이 있다.

문제는 로버트 노이스와 고든 무어 두 사람의 행보였다. 이들은 회사를 새로 설립하기로 하고 ‘Integrate’와 ‘Electornics’의 두 단어를 조합해 인텔이라는 이름을 만들어 냈으며, 이전에는 없던 새로운 제품을 만들기로 결정한다. 이렇게 등장한 제품이 바로 메모리였던 것이다.

물론 DRAM에 대한 기초적인 연구는 이전부터 이어져왔으나 아무도 양산에 성공하지 못했는데, 이를 처음 성공한 것이 바로 인텔이다. 또한 DRAM의 양산에 큰 공헌을 한 사람이 바로 인텔의 또 한명의 창립자 앤디 그로브(Andrew Grove)다. 그는 DRAM 생산의 가장 큰 적이 바로 먼지라는 사실을 인지하고, 반도체 생산 공정에 현대적인 클린룸과 마치 우주복 같아 보이는 방진복를 처음으로 도입하기도 했다.

이런 노력의 결과로 1970년 인텔이 처음 DRAM의 상용화에 성공하면서 지금까지도 우리가 사용하고 있는 DRAM이 만들어졌다.

#메모리#RAM#NAND#플래시#ROM

신동윤 기자  dyshin@techworld.co.kr

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