메모리카드

메모리카드(Memory Card)

메모리카드(Memory Card)는 디지털카메라, 핸드헬드, 모바일 컴퓨터, 전화, 음악 플레이어, 게임기, 다른 전자 제품에 쓰이는 솔리드 스테이트 전자 플래시 메모리 기억 장치이다. 재기록의 높은 품질, 전력이 없어도 저장되는 비휘발성, 작은 폼 팩터, 엄격한 환경 규격 등이 특징이다. 플래시 메모리를 사용하지 않는 "솔리드 스테이트" 성질이 아닌 것도 있다. 플래시 메모리 카드(flash memory card)라고도 불린다.

개요

메모리카드에는 디지털 카메라, 핸드헬드, 모바일 컴퓨터 등 다양한 종류의 전자 제품에 쓰이는 솔리드 스테이트 전자 메모리카드 기억 장치이다. 자기 기록 매체인 디스켓과 같이 데이터를 쓰고 지울 수 있으며, 전력이 없어도 내용이 유지된다. MP3 플레이어나 휴대전화는 이것을 이용하지 않고 SMD 형식으로 일정 용량의 메모리를 장착하고 나오는 경우가 대부분이며, 메모리 카드를 이용할 수 있는 슬롯이 달려 나오면 좋은 반응을 얻는 경우가 많다.디지털 카메라의 경우는 반대로 내장 메모리를 가진 기종이 드물며 그 용량도 매우 작기 때문에, 이전 시대에 필름을 쓰는 것처럼 메모리 카드를 이용하는 것이 보편화되어 있다. 메모리카드는의 수명은 내장된 메모리가 좌우한다. 메모리는 메모리 칩 안에 정보를 유지하는 데에 전력이 필요 없는 비휘발성 반도체 저장장치이다. 메모리는 읽기 속도가 빠르고 하드디스크보다 충격에 강하다. 하지만, 개인용 컴퓨터에서 메인메모리로 쓰이는 DRAM만큼 빠르지는 않고, 순차 읽기 속도는 하드디스크가 더 빠를 수 있다. 메모리는 배터리로 동작하는 장치에서 저장 장치로 많이 사용되며, 강한 압력이나 끓는 물에도 견딜 만큼 물리적인 힘으로 거의 파괴되지 않는다.

역사

메모리카드의 최초의 상업용 포맷으로 출시된 PC 카드(PCMCIA)는 노트북 컴퓨터를 위해 설계된 주변 기기 인터페이스의 폼 팩터이다. 지금은 산업 분야에서 모뎀과 같은 입출력 장치를 연결하는 용도로 주로 쓰인다. 1994년 이후로는 PC 카드 보다 크기가 더욱 작은 수많은 메모리 카드 포맷이 등장했다. 또한, 최초의 것이 콤팩트플래시와 이후에 스마트미디어와 미니어처 카드가 출시되었다. 휴대전화, 피디에이(PDA), 콤팩트 디지털카메라에 더욱 작은 크기의 카드를 장착하기를 원하는 데에서 이전 세대의 '콤팩트' 카드들은 커 보였다. 2001년에 삼성 메모리는 단독으로 디지털카메라 시장에서 50%를 장악했으며, 컴팩트 플래시(CF)는 전문 디지털카메라 시장을 잠식했다. 그러나 2005년에 SD/MMC가 스마트미디어를 거의 따라잡았지만, 콤팩트플래시와 메모리 스틱류와의 경쟁으로 이들 수준에까지 이르진 못했다. 산업과 임베디드 분야에서 PC 카드는 틈새 시장을 가까스로 유지했지만, 휴대전화와 피디에이에서 메모리 카드의 크기는 더 작아졌다. 이전에는 메모리 스틱과 XD 카드만 사용하다가 2010년에 소니의 새로운 제품들과 올림푸스는 추가적인 SD카드 슬롯과 함께 제공되고 있다. 포맷 전쟁 이후부터 SD카드를 선호하는 추세로 바뀌었다.

동작 원리

메모리카드의 플래시 메모리는 전통적으로 비트 정보를 저장하는 셀이라 부르는 플로팅 게이트 트랜지스터(floating gate transistors)로 구성된 배열 안에 정보를 저장한다. 플래시 메모리의 경우에는 하나의 셀에 존재하는 플로팅 게이트에 두 단계보다 높은 전하를 저장하여 셀 하나에 1비트 이상을 저장할 수 있기에 MLC(Multi Level Cell) 장치라고 일컫는다. 노어플래시가 게이트를 하나 대신 두 개를 가진 것을 제외하면, 각 셀이 표준 모스펫(MOSFET)과 비슷하다. 하나의 게이트는 또 다른 모스(MOS) 트랜지스터처럼 컨트롤 게이트(CG)이지만, 두 번째 게이트는 산화물 층(Oxid layer)에 의해 모든 주위가 절연된 플로팅 게이트(FG)이다. 플로팅 게이트는 컨트롤 게이트와 기판 사이에 위치한다. 플로팅 게이트가 산화물층에 의해 절연되었기 때문에 그 곳에 있는 전자는 갇히게 되고 따라서 정보가 저장된다. 전자가 플로팅 게이트에 있을 때, 컨트롤 게이트에서 나오는 전기장에 영향을 주어 셀의 문턱 전압(Vt)이 변경된다. 이처럼 컨트롤 게이트에 특정 전압을 가하여 그 셀의 정보를 읽을 때, 플로팅 게이트에 있는 전자의 수에 따라 V_t이 다르기 때문에 전류가 흐르거나 흐르지 않는다. 이러한 전류의 흐름과 차단이 판독되고 이는 1과 0으로 해석이 되어, 데이터가 저장되어 만들어진다. 한 셀에 1비트 이상의 정보가 저장되는 MLC(Multi-level cell) 장치에서는 플로팅 게이트에 저장된 전자의 수를 측정하기 위해 단순히 전류의 흐름을 판단하기보다 그 양을 판독한다.

시장에 플래시 메모리가 출시되었을 때, 모든 셀의 상태는 1로 되어 있다. 이런 셀의 정보를 0으로 변경하는 것을 프로그래밍이라고 한다. 노어플래시 메모리를 프로그래밍하기 위해 EPROM처럼 hot-electron injection 방식을 사용한다. 먼저, 노어플래시 셀의 소스에서 드레인으로 전류가 흐를 때, 컨트롤 게이트에 큰 전압을 가하면 플로팅 게이트에 전자를 끌어들일 정도의 강한 전기장이 생성되어 결국 전류가 흐르지 않게 된다. 결국, 셀의 상태는 0이 된다. 노어플래시 셀을 지우기 위해 컨트롤 게이트와 소스 사이에 강한 전압 차를 주면 FN 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)을 통해 플로팅 게이트는 전자를 잃는다. 개발된 대부분의 노어플래시 메모리는 한 번에 지워지지만, 프로그래밍은 바이트 및 워드 단위로 수행된다. 낸드플래시는 쓰기 작업을 위해서 터널 주입을 사용하고, 지우기 위해 터널 릴리즈를 사용한다. 낸드플래시 메모리는 USB 메모리 드라이브로 알려진 USB 인터페이스 저장 장치에서 쓰이고 있다.

종류

규격

메모리카드는 규격에 따라 다음과 같은 종류로 나뉜다.

규격에 따른 메모리카드 종류

멀티미디어 카드   SD카드 종류   SD카드   콤팩트 플래시 카드   마이크로 드라이브   메모리스틱   메모리스틱 종류   스마트미디어 카드   xD 픽처 카드

• 멀티미디어 카드(Multi Media Card) : 샌디스크와 지멘스가 1997년에 발표한 메모리카드 규격으로 초기 디지털카메라나 PDA 등에 많이 쓰였다. 이후에 나온 SD카드의 크기와 사용 방법이 같아 SD카드 슬롯을 갖춘 기기에서도 멀티미디어 카드가 호환되는 경우가 많다. SD카드보다 데이터 전송속도는 느리지만 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 저렴한 SD카드의 대량보급으로 인해 시장에서 점점 사라졌다.

• SD카드(Secure Digital Card) : 샌디스크, 파나소닉, 도시바 등이 공동 개발한 것으로 1999년에 처음 발표되었다. 기존 MMC와 모양은 거의 같지만 데이터 전송속도를 고속화하고 저작권 보호 규격을 더한 것이 특징이다. 카드의 크기가 작아 소형 기기에 사용하기 적합한 장점이 있다. 다만 초기형 SD카드는 2GB 이상의 단일 드라이브를 구성할 수 없는 FAT 방식의 파일 시스템을 사용하기 때문에 2GB 이상의 제품을 생산하기 힘들었다. 이런 단점을 보완하여 2006년에 FAT32 파일 시스템을 정식 지원하여 최대 32GB 용량의 제품을 생산할 수 있는 SDHC를 발표했다. 이후 용량뿐만 아니라 데이터 전송 속도에 따라 등급 기준을 마련하여 초당 데이터 전송속도가 2MB/s인 제품은 클래스 2, 4MB/s인 제품은 클래스 4, 6MB/s인 제품은 클래스 6, 10MB/s인 제품은 클래스 10으로 분류한다. 2009년에는 SDHC의 32GB의 한계를 넘은 exFAT를 지원하여 최대용량 2TB, 최대속도 300MB/s에 달하는 SDXC를 발표했다.

• 콤팩트 플래시 카드(Compact Flash Card) : 1994년 샌디스크가 개발한 규격이다. '콤팩트 플래시'라는 이름은 샌디스크에서 상표 등록한 상태이기 때문에 타사에서는 'CF 카드'라는 약자로 표기했다. 내부적으로는 PC 카드와 같은 규격의 인터페이스를 사용하여 어댑터만 사용하면 PC 카드 슬롯에서도 사용할 수 있다.

• 마이크로 드라이브 : 콤팩트 플래시의 규격을 응용한 저장 매체로써, 1998년 미국의 IBM사가 처음 개발했다. 외견은 콤팩트 플래시와 유사하지만, 내부에 플래시 메모리가 아닌 초소형 하드디스크가 내장되어 있다. 'CF 타입Ⅰ' 규격의 슬롯에 호환되는 경우도 있지만, 대부분의 마이크로 드라이브는 두께가 두꺼운 'CF 타입Ⅱ' 규격의 슬롯을 사용해야 한다.

• 메모리스틱(MS) : 소니에서 1998년 발표한 메모리카드 규격이다. 소니 자사 기기에 주로 사용되며, 소니 외에 삼성전자 일부 제품에도 메모리스틱을 사용한 적이 있다. 카드 크기에 따라 손가락 길이 정도이며, 이를 절반 크기로 소형화한 메모리스틱 듀오(Duo)와 가장 작은 크기의 메모리스틱 마이크로(Micro)가 존재하는데 메모리스틱 마이크로는 Memory와 Micro의 약자를 이용하여 M2라고도 부른다. 메모리스틱 듀오나 메모리스틱 마이크로는 어댑터를 이용해 일반 메모리스틱처럼 사용할 수 있다.

• 스마트미디어 카드(SMC) : 카드의 두께가 매우 얇고 내부 구조가 간단하다는 장점이 있지만, 128MB 이상의 제품을 만들 수가 없고 데이터 전송 속도가 느리며 내구력 취약하다는 단점으로 인해 2005년을 전후로 생산이 중단되었다. 도시바가 1995년 개발한 규격으로 정식 명칭은 SSFDC(Solid State Floppy Disk Card)였다.

• xD 픽처 카드 : 올림푸스와 후지필름에서 공동 개발하여 2002년에 발표한 메모리카드 규격이다. 양사의 디지털카메라에 사용될 목적으로 나왔으며 데이터 전송 속도에 따라 기본형인 '타입 M'과 1.5배 고속화한 '타입 M+', 3배 고속화한 '타입 H'가 있으며 타입 H의 경우 일부 구형 기기에는 호환되지 않는다. xD 픽처 카드는 양사의 디지털카메라에 적극적으로 채용되었으나 이 외의 용도에는 사용되지 않았고 최대 용량 또한 2GB까지만 개발되어 2009년 이후 양사는 xD 픽처 카드를 이용하는 디지털카메라를 출시하지 않고 있다.

게이트

셀 구조

메모리카드의 플래시 메모리는 크게 나누어 낸드(NAND) 타입과 노어(NOR) 타입 두 종류가 있다. 드 모르간 법칙 때문에 낸드 게이트나 노어 게이트만으로도 모든 논리 게이트(logic gate)를 구현할 수 있다. 회로상으로 낸드 타입은 어드레스 라인이 블록 단위로 설치돼 있고 노어 타입은 셀 단위로 설치돼 있다. 낸드 타입이 블록 액세스만 가능한 이유가 이것 때문이다. 대신 배선 수를 노어 타입보다 획기적으로 줄일 수 있어서 고밀도화가 가능해진다. 과거 모바일 장치에서는 노어플래시를 많이 사용했다. PDA의 경우에는 노어 메모리를 많이 사용하여 데이터를 읽는 것만 빠르고 그 외의 작업은 모두 느렸다. 하지만 낸드 메모리의 발달로 현재 대부분의 모바일 기기에서는 낸드 메모리를 많이 사용한다.

• 낸드플래시(NAND Flash)

각 셀이 직렬 형태로 이루어져 있으며, 랜덤 엑세스가 불가능하고 각 셀에서 순차적으로 데이터를 읽어내는 방식이다. 따라서 노어 플래시에 비해 데이터 읽기 속도가 느리지만, 메모리의 블록이 여러 페이지로 나누어져 있기 때문에 쓰기/지우기 속도가 더 빠르다. 읽기 속도가 느리다는 단점 때문에 컴퓨터 메모리로 사용하기에는 알맞지 않지만, 다양한 이동식 저장매체에 어울리는 방식이다. 낸드플래시는 메모리 칩으로서, USB flash drives와 스마트폰이나 애플 아이팟과 같은 전기적 특성을 가진 기기에 많이 사용된다. 우수한 기술을 가진 삼성, 인텔, 하이닉스에서 낸드 플래시를 제조하는데, 이 낸드 플래시는 큰 저장공간을 갖고 있거나 여러 성능이 있다.

• 노어플래시(NOR Flash)

각 셀이 병렬 형태로 이루어져 있어 데이터 읽기 시 랜덤 엑세스가 가능하여 읽기 속도가 빠르다. 하지만 데이터를 덮어쓰는 것이나 지우는 것은 랜덤 엑세스가 불가능 하므로 덮어쓰기와 지우기 속도는 느리다. 읽기 시에는 페이지 단위로 읽어 들일 수 있지만, 해당 페이지를 덮어쓰거나 지우는 것은 모든 블록을 지워야 하므로 속도가 느리다. 또한 각 셀이 병렬 형태로 이루어져 있기 때문에 각 셀을 개별적으로 접근하기 위한 전극이 필요하게 되고 그 덕분에 낸드 형태보다 필요한 면적이 넓어진다는 단점이 있다. 이러한 이유로 반도체 칩이 얼마나 많은 논리소자(논리연산을 하는 최소 단위의 회로)로 구성되어 있는지를 뜻하는 집적도가 낮아져 대용량 메모리에는 불리한 형태이다.

게이트 타입

구분	낸드(NAND)	노어(NOR)
용도	USB 메모리, SSD 등 저장 매체	RAM처럼 실행 가능한 코드 저장
구조	직렬구조	병렬구조
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

저장방식

메모리 카드의 셀 특징에 따라 나눌 수 있다.

• 싱글 레벨 셀(SLC) : 하나의 셀에 1비트의 데이터를 저장하는 방식이다. TCL보다 수명이 길고 읽기/쓰기 속도가 빠르다. 알려진 수명은 최대 100,000번 정도의 쓰기를 할 수 있다. 다른 종류들에 비해 압도적으로 빠르지만 매우 비싸다는 게 단점이다. 셀에 저장되는 비트 수는 0 또는 1 – 두 상태와 하나의 임계 전압을 의미한다.

• 멀티 레벨 셀(MLC) : 하나의 셀에 2비트 이상의 데이터를 저장하는 방식이다. 엄밀히 따지면 3비트와 4비트 모두 해당하지만, 3비트는 트리플 레벨 셀과 4비트는 쿼드 레벨 셀 등으로 별도의 약자가 정착되어 보통 하나의 셀에 2비트의 데이터를 저장하는 방식을 뜻하게 되었다. 2비트 하나만을 뜻하는 약자는 DLC(Dual Level Cell)이었으나, 소프트웨어 다운로드 방식 판매를 뜻하는 DLC(DownLoadable Contents)와 겹쳐서 사장되었다. TCL 방식보다 상대적으로 수명이 길고 읽기/쓰기 속도가 쾌적하다. 알려진 수명은 최대 10000번 정도의 쓰기 가능하지만, 최근에는 공정의 미세화로 인해 절연체의 크기가 작아져서 3,000번에서 4,000번 정도의 쓰기만 가능하다. 셀에 저장되는 비트 수는 00, 10, 01 또는 11 – 4 개 상태 및 3개의 임계 전압을 의미한다.

• 트리플 레벨 셀(TLC) : 하나의 셀에 3비트를 저장할 수 있는 일종의 낸드 플래시 메모리이다. 멀티 레벨 셀-3라고도 하며, 플래시의 일반적인 사용은 엔터프라이즈 및 소비자용 SSD, 디지털카메라, 휴대전화의 스토리지 카드, USB 드라이브가 포함된다. 일반적으로 싱글 레벨 셀이나 멀티 레벨 셀 플래시보다 가격이 저렴하다. 낸드 플래시 제조업체는 메모리 셀이 칩에 수직으로 쌓이는 3D 낸드플래시와 함께 사용한다. 메모리 산업은 제조업체가 단일 에리어의 메모리 셀을 사용하는 2D 또는 평면 기술의 확장 한계에 도달함에 따라 3D 낸드플래시로 발전했다. 3D 낸드는 비트 당 더 낮은 비용으로 더 높은 저장 밀도를 가능하게 하고 플래시의 내구성을 향상시킨다. 셀에 저장되는 비트 수는 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 – 8개 상태 및 따라서 7개의 임계 전압을 의미한다.

• 쿼드 레벨 셀(QLC) : 하나의 셀에 4비트의 데이터를 저장하는 방식이다. 트리플 레벨 셀과 비교하여 저장 밀도는 각 셀이 4비트 데이터를 저장할 때 33% 증가하며, 쓰기 사이클은 1,000번에 도달할 수 있어 트리플 레벨 셀의 가격보다 낮다. 또한, 쓰기 및 액세스가 다른 3가지 유형의 낸드 플래시 메모리보다 적은 수의 드라이버 소프트웨어로 처리할 수 있고, 더 많은 스토리지 용량과 높은 스토리지 밀도 및 저렴한 가격이다. 셀에 저장되는 비트 수는 16개 상태이므로 15개의 임계 전압을 의미한다.

• 펜타 레벨 셀(PLC) : 하나의 셀에 5비트의 데이터를 저장하는 방식이다.쿼드 레벨 셀보다 25% 더 많은 용량을 가지고 있다. 그러나, 펜타 레벨 셀 낸드의 내구성 읽기 및 쓰기 주기와의 속도는 쿼드 레벨 셀 플래시의 속도보다 낮아 트리플 레벨 셀 플래시의 속도보다 느리다. 셀에 저장되는 비트 수는 32개 상태 및 31개의 임계 전압을 의미한다.

• 옥타 레벨 셀(OLC) : 하나의 셀에 8비트의 데이터를 저장하는 방식이다.

메모리카드의 종류

구분	싱글 레벨 셀 (SLC)	멀티 레벨 셀 (MLC)	트리플 레벨 셀 (TLC)	쿼드 레벨 셀 (QLC)	펜타 레벨 셀 (PLC)	옥타 레벨 셀 (OLC)
용도	높은 저장 속도와 내구성 위주	적절한 속도, 내구성, 약간 낮은 용량 위주	용량과 속도, 내구성의 조화	대용량 위주	보급용	판촉용 또는 CD, 카세트 테이프 등 읽기 전용 매체 대체용
읽기	노어(NOR)에 비해 느림	싱글 레벨 셀보다 느림	멀티 레벨 셀보다 느림	트리플 레벨 셀보다 느림	쿼드 레벨 셀보다 느림	펜타 레벨 셀보다 느림
쓰기	단일 비트 저장으로 빠름	2비트 동시 기록으로 약간 빠름	3비트 동시 기록으로 느림	4비트 동시 기록으로 더 느림	5비트 동시 기록으로 매우 느림	8비트 동시 기록으로 매우 더 느림
수명	최대 약 10만 회	최대 약 3~1만 회	최대 약 1만~1천 회	최대 약 1천~1백 회	최대 약 1백 회	최대 약 10회 미만
가격 (용량 대비)	초고가	고가	보통	저가	초저가	최저가

한계

플래시 메모리의 한계는 블록 내에서 특정 단위로 읽고 쓸 수 있지만, 블록 단위로 지워야 한다는 것이다. 또한 덮어쓸 수 없으므로, 모든 블록을 지우기 전까지는 해당 자료를 변경할 수 없다. 노어플래시의 경우에는 임의 접근 방식으로 바이트 또는 워드 단위로 읽기 및 쓰기 동작이 가능하지만 덮어쓰기와 지우기 동작은 임의로 접근할 수 없다. 낸드플래시는 페이지 단위로 읽기 및 쓰기 동작이 가능하지만 해당 페이지를 덮어쓰거나 지우려면 모든 블록을 지워야 한다. 또한, 낸드플래시는 블록을 여러 페이지로 나누어 사용한다. 하드디스크와 비교할 경우에는 더욱 큰 한계는 지우기 횟수가 제한되어 있다는 점이다. 운영체제와 같이 하드디스크를 기반으로 하는 응용 프로그램이 콤팩트 플래시와 같은 플래시 메모리 기반 장치를 사용할 때는 각별한 보호가 있어야 한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 칩 펌웨어 또는 파일 시스템 드라이버에서 블록의 지우기 횟수를 세고 모든 블록이 고루 쓰이도록 블록을 유동적으로 다시 배치한다. 또한, 쓰기 동작이 유효한지 확인하고 전체 공간의 일부를 여유 블록으로 할당하여 불량 블록이 발생하면 여유 블록으로 대체하도록 한다. 플래시 메모리의 바이트 당 비용은 하드디스크 드라이브에 견주어 상당히 높고 지우기 횟수가 제한된 상태여서 일반적으로 데스크톱 개인용 컴퓨터와 노트북에서 하드디스크 대신 쓰지 못하고 있었다. 하드디스크 대신 플래시 메모리로 제작된 에스에스디(SSD)가 특수 용도에 한해 사용되고 있었으나, 제조기술의 발달로 인한 가격 하락과 컨트롤러 개선, 적층 낸드 기술의 도입 및 용량 증가로 이러한 한계가 극복되면서 현재는 개인용 컴퓨터에서도 널리 사용되고 있다.

참고자료

• 〈플래시 메모리〉, 《위키백과》
• 〈메모리카드〉, 《위키백과》
• 김영우, 〈디지털 정보를 담는 콘텐츠 바구니 - 메모리 카드〉, 《아이티동아》, 2010-12-29
• 〈플래시 메모리〉, 《나무위키》
• 맘여린v, 〈NAND, NOR flash Memory에 대해 알아보자〉, 《티스토리》, 2018-08-13
• 〈NAND Flash and price change〉, 《플래시베이》, 2019-10-01
• 〈SLC〉, 《나무위키》
• 〈MLC〉, 《나무위키》
• Margaret Rouse, 〈TLC flash (triple-level cell flash)〉, 《TechTarget》, 2017-10
• 코고자 kogoza, 〈SSD의 NAND 플래시 QLC, SLC, MLC 및 TLC의 차이점〉, 《티스토리》, 2019-04-24
• Chris Mellor, 〈WD and Tosh talk up penta-level cell flash〉, 《BLOCKS&FILES.》, 2019-08-07

같이 보기

• 메모리
• 컴퓨터

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