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👇👇2탄인 시스템반도체 편에 이어 이번엔 Part2의 메모리반도체 편을 정리해보았다.👇👇😉😊

RAM

RAM은 크게 SRAM(Static RAM)과 DRAM(Dynamic RAM)으로 구분된다. SRAM과 DRAM모두 전원 공급이 차단되면 저장한 데이터가 소멸되는 휘발성 메모리이지만, 회로 구성이나 동작 속도에서 차이가 있다. SRAM은 트랜지스터 6개로 구성되어 있다. 반면 DRAM은 트랜지스터 1개와 캐패시터 1개로 구성되어 있다. DRAM은 하나의 비트(Bit)를 저장하기 위한 메모리 셀의 회로 구성이 단순하여 SRAM보다 더 큰 용량을 더 저렴하게 만들 수 있다. 반면 SRAM은 비용이 비싸지만, 동작 속도가 DRAM보다 100배 이상 빠르다. 이런 특징 때문에 SRAM은 꼭 필요한 용량만 만들어 CPU의 메모리 유닛에 속하는 캐시 메모리로 활용된다. 우리가 일반적으로 말하는 RAM이 바로 DRAM인것. 메모리 반도체 시장에서 가장 큰 규모를 차지하는 DRAM에 대해 알아보자.

DRAM

동적 RAM. 왜 동적(Dynamic)인걸까? DRAM의 구조와 동작원리 때문이다. DRAM은 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터가 연결되어 있는 1TIC 구조이다. 저장되는 데이터는 이진수로 이루어져 있고(0과 1). MOSFET을 켜서 캐패시터에 전자를 채워 넣으면 DRAM 셀에 데이터 1이 저장된다. MOSFET을 꺼서 캐패시터에 전자가 없는 상태가 되면 DRAM 셀에 데이터 0이 저장됨. 이렇게 MOSFET을 통해 캐패시터 내 전자의 유무를 조절하여 데이터를 저장한다. 그런데 문제가 있지. 캐패시터에 채워 넣은 전자는 시간이 지날수록 조금씩 새어 나간다. DRAM셀에 저장된 데이터 1이 시간이 지나면서 0으로 바뀌는 것이다. 따라서 캐패시터의 전자가 빠져나가지 않도록 주기적으로 전자를 채워주는 리프레시(Refresh)작업을 해줘야 한다. 데이터를 저장한 후에도 계속 리프레시 작업을 해줘야 하기 때문에 동적 RAM이라 불리는 것. 반면, 리프레시 작업이 필요하지 않은 SRAM은 정적(Static)RAM이라고 불리게 된 것이다.

DRAM은 저장된 데이터를 읽는 것도 편하다. 전자는 많은 쪽에서 적은 쪽으로 이동하려는 특성이 있다. 캐패시터에 연결된 MOSFET을 켰을 때 전자가 MOSFET을 통해 빠져나온다면, 캐패시터에 전자가 있었다는 의미로 해석할 수 있다. like 물통 거꾸로 들고 뚜껑 열었을때, 물 흘러나오면 물통안에 물이 있었다는 걸 알 수 있는 것과 같은 이치.

반대로 MOSFET을 켰을 때 전자가 나오지 않는다면, 이를 통해 캐패시터에는 0이 저장되어 있었다는 걸 알 수 있겠죠? 이런 개념.

DRAM의 속도 DDR (Dual Data Rate)

CPU는 데이터를 주고, DRAM은 데이터를 받아 저장한다. 컴터가 동작한다는 것은 크게 보면 주고받는 과정이라 할 수 있다. 근데 아무 때나 주고받으면 엄청난 비효율이 발생함. 정해진 시점에 맞춰 데이터를 주고받아야 한다. 이 정해진 시점이 바로 클럭이다. CPU와 DRAM은 클럭에 맞춰 데이터를 주고받는다. 클럭에는 상승(Rising)과 하락(Falling)이 있다. 상승 시점에만 데이터를 전송하는 방식은 SDR(Single Data Rate)이다. 반면, 상승과 하락의 두 시점 모두에서 데이터를 보낼 수 있는 방식은 DDR(Dual Data Rate)이다.

하나의 클럭에 데이터를 2배로 처리할 수 있는 DDR방식이 SDR 방식보다 2배 더 빠르다. 그래서 현재 나오는 DRAM은 모두 DDR방식을 사용하고 있다. DDR방식에도 DDR1부터 DDR5까지 다양한 버전이 있다. DDR뒤에 붙는 숫자가 높을수록 데이터 처리 속도는 빠르고 전력 소모가 적다. 보통 버전이 한 번 업그레이트될 때마다 약 2 배 빨라진다. 현시점에서는 DDR5가 가장 최신 버전이지만, 시장에서는 여전히 DDR4 제품들이 주류를 이루고 있다.

DRAM 시장

시장 조사 전문 업체인 Trend Force에 따르면, 2021년 기준 DRAM 시장 1위는 42.3% 삼성전자, 2위는 29.7% 하이닉스, 3위는 22.3% 미국의 마이크론이다. 이 세 회사의 점유율이 무려 94.3%이다.

ROM

하드디스크(HDD)에서 SSD로

ROM은 주기억 장치인 RAM을 보조하는 동시에 데이터를 저장하는 역할을 한다. 전원을 끄더라도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리. 하드디스크(반도체 아님)는 충격에 약하며 처리속도가 느리다. 반면, 반도체 기술과 함께 등장한 SSD(Solid State Drive)는 데이터의 저장과 읽기가 전자적으로 이뤄지고, 하드디스크와 달리 물리적인 구동이 없어 소음이 발생하지 않고 충격에 강하며 데이터 처리 속도가 훨씬 빠르다. SSD로 ROM 시장이 재편되면서 최근에는 SSD에 활용되는 NAND 플래시메모리가 DRAM과 함께 메모리 반도체의 대표 주자로 자리매김하고 있다.

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SSD에는 DRAM과는 다른 구조를 가진 플래시 메모리라고 불리는 반도체 소자가 들어간다. DRAM과 플래시 메모리의 가장 큰 차이는 0과 1의 데이터를 저장하는 메모리 셀의 구조이다. DRAM의 메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터로 이루어져 있다. 전자가 저장되는 캐패시터가 스위치 역할을 하는 트랜지스터와 물리적으로 연결되어 있어 필연적으로 전자의 소실이 발생한다. 그래서 꾸준히 리프레시 작업을 해야 함. 반면, 플래시메모리는 플로팅 게이트(Floating Gate)라고 불리는 절연체에 둘러싸인 구조에 전자를 보관함으로써 데이터를 저장한다. (플로팅 게이트에 전자가 없으면 1, 있으면 0이 저장 된다.)

물리적인 연결 자체가 없어(절연체로 둘러쌓여져서) 한번 저장된 전자는 소실되지 않는다. 즉, 리프레시 작업 필요 없음!

그러나 플래시메모리의 이러한 셀 구조는 읽기와 쓰기의 속도를 저하시킨다. 물론 소자를 직렬로 연결하고, 칩 여러 개를 묶어 하나의 SSD로 구현할 경우 쓰기와 읽기 속도를 빠르게 향상시킬 수 있다. 하지만 이 역시 기존 SSD와의 비교일 뿐이고, 개별 소자의 동작은 DRAM에 비해 매우 느리다.

NAND와 NOR 플래시메모리

NAND 플래시메모리 시장의 성장

일반적으로 저장해 놓은 데이터를 읽는 경우가 더 많기 때문에 데이터에 빠르게 접근할 수 있는 NOR플래시메모리가 주로 사용될 것 같지만, 실제 시장에서는 그렇지 않다. 경제적인 논리와 NAND플래시메모리의 읽기 속도 향상 방법으로 설명될 수 있다. 플래시메모리들을 직렬로 연결한 NAND플래시메모리는 고밀도로 집적하기 편한 반면, 병렬로 연결한 NOR플래시메모리는 집적하기가 어렵다.

집적이 편하다는 것은 더 쉽게 만들 들수 있다는 것이고, 결국 같은 용량일 때 가격이 더 저렴하다는 것을 의미한다. 경제성에서 NAND플래시메모리 여러 개를 묶어 사용하는 경우에는 대역폭이 늘어나는 효과가 발생해 느린 읽기 속도를 보완해 줄 수 있다. 이런 이유로, 현재 시장에서는 NAND플래시메모리가 대세로 자리 잡고 있다.

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ROM은 속도 대신 용량을 선택한 부품으로 NAND플래시메모리 역시 용량을 키우는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다. 그런데 하나의 평면에 작게 만든 플래시메모리 소자들을 배치하여 용량을 증가시키는 기존 방법은 그다지 효율적이지 않다. 이에 연구원들은 다른 방법으로 더 큰 용량의 NAND플래시 메모리를 만들기 시작한다. 이때 나온 것이 바로 NAND플래시메모리를 아파트처럼 위로 쌓는 3D NAND플래시메모리이다. 3D NAND플래시 메모리 덕분에 훨씬 큰 용량의 플래시메모리를 만드는 것이 가능해졌다. 3D NAND플래시메모리는 2013년 삼성전자가 세계최초로 24단을 쌓으며 시작되었고, 이후 2014년 32단, 2015년 48단, 2017년 64단, 2018년 92단을 쌓으며 계속 높아지고 있다. 2015~2016년부터는 SK하이닉스, 키옥시아, 마이크론 등도 적층 기술을 이용해 3D NAND플래시메모리를 제작하기 시작했고, 2019년에는 SK하이닉스가 세계 최초 128단, 2020년에는 176단을 샇았다. 현재 3D NAND플래시메모리 집적 기술을 200단을 상회하고 있으며, 기술적인 난이도가 점점 높아지고 있다.

NAND플래시메모리 시장점유율

2021년 4분기 기준 NAND플래시메모리 시장 1위는 삼성전자 33.1%, 2위는 SK하이닉스(+Solidigm)19.5%, 3위는 일본의 키옥시아 19.2%, 4위는 WDC 14.2%, 5위는 미국의 마이크론 10.2%이다.

메모리계층구조

치킨게임

메모리반도체의 가격변동성과 승자 독식 구조