S램

S램(SRAM, Static Random Access Memory, 정적 메모리, 정적 램)

6개의 트랜지스터로 구성된 CMOS SRAM 소자

S램(SRAM, Static Random Access Memory, 정적 메모리, 정적 램)은 전원을 공급하는 한 저장된 데이터가 보존되는 램이다.

램은 정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽거나 수정할 수 있는 메모리로, 전원을 공급하는 한 데이터를 보존하는 S램과 시간이 흐름에 따라 데이터가 소멸되는 D램이 있다.

S램은 전원이 차단될 경우 저장된 데이터가 소멸되는 휘발성 기억소자이나, 전원이 공급되는 한 데이터가 보존되기 때문에 D램과 달리 리프레시가 필요없다.

S램은 여러 개의 트랜지스터가 하나의 셀을 구성하기 때문에 데이터를 이동시키는 통로가 많아 D램보다 데이터 처리속도가 빠르다. 하지만, 데이터를 저장하는 셀의 크기가 커 동일 면적에 대한 집적도가 낮고 회로구조가 복잡하여 대용량으로 만들기 어렵다. 이러한 특징들로 인해 그래픽카드 등 주로 소용량의 메모리로 사용된다.

개요

S램은 반도체 기억 장치의 한 종류이다. 주기적으로 내용을 갱신해 주어야 하는 디램(DRAM, 동적 램)과는 달리 기억 장치에 전원이 공급되는 한 그 내용이 계속 보존된다. SRAM은 임의 접근 기억 장치(램, random access memory)이므로 데이터의 쓰고 읽기가 이루어지는 주소와 관계없이 입출력에 걸리는 시간이 일정하다. SRAM은 DRAM의 일종인 SDRAM과는 전혀 다른 기억 소자이므로 서로 구별되어야 한다.

SRAM에서 각각의 비트들은 네 개의 트랜지스터로 이루어진 두 쌍의 인버터에 저장된다. 두 쌍의 인버터가 0과 1의 값을 안정된 상태로 유지하고 두 개의 접근 트랜지스터가 읽기와 쓰기 기능을 수행한다. 따라서 한 개의 비트를 저장하기 위해 일반적으로 여섯 개의 트랜지스터를 필요로 한다.

오른쪽 그림에서도 보이는 것처럼 SRAM은 회로의 대칭 구조로 인해 DRAM보다 훨씬 빠른 입출력을 가능하게 한다. 또한, 메모리 주소에 접근할 때 상위 비트와 하위 비트 순서로 두 번 접근해야 하는 DRAM과 달리 SRAM은 한번에 접근할 수 있는 장점이 있다.

역사

S램은 1960년대 후반에서 1970년대 초반에 걸쳐 등장했으며, 주로 고속 데이터 저장이 필요한 응용 프로그램에서 사용되기 시작했다. 초기에는 주로 군사, 우주, 연구용 고성능 컴퓨터에서 사용되었으나, 1980년대 이후로는 마이크로프로세서의 캐시 메모리, 그래픽 카드의 프레임 버퍼 등 다양한 상업적 응용 분야로 확산되었다.

S램은 현재도 널리 사용되고 있으며, 특히 CPU나 GPU의 캐시 메모리 등 높은 성능과 속도가 필요한 곳에서 여전히 중요한 역할을 하고 있다. 또한 저전력, 소형화가 중요한 모바일 기기나 IoT(사물 인터넷) 기기에서도 S램이 사용되고 있다.

구조 및 동작 원리

S램 셀 구성

S램 셀은 일반적으로 6개의 트랜지스터로 구성된다. 그 중 4개의 트랜지스터는 래치(latch) 역할을 하여 데이터를 저장하고, 나머지 2개의 트랜지스터는 데이터를 읽고 쓰기 위한 액세스 통로로 작동한다. S램 셀은 각 비트에 대해 전용 회로가 할당되며, 이는 S램이 매우 안정적인 저장을 제공하지만, 셀당 면적이 커지기 때문에 고비용으로 이어진다.

동작 방식

S램은 전원이 공급되는 동안 저장된 데이터를 유지하는데, 이는 저장된 데이터를 유지하기 위한 리프레시 신호가 필요한 DRAM과의 가장 큰 차이점이다. S램은 다음과 같은 방식으로 작동한다:

• 쓰기 동작: 데이터를 기록할 때, 특정 주소에 위치한 S램 셀에 신호를 보내 데이터를 저장한다. 이 과정에서 6개의 트랜지스터 중 일부가 활성화되어 데이터를 저장할 수 있는 상태가 된다.

• 읽기 동작: 저장된 데이터를 읽어들일 때는 액세스 트랜지스터를 통해 데이터를 외부로 전달한다. 이 과정은 매우 빠르며, 캐시 메모리와 같은 고속 데이터 처리 응용에서 특히 유리하다.

데이터 유지

S램은 정전 발생 시 데이터를 잃는 휘발성 메모리지만, 전원이 지속적으로 공급되면 내부 회로에 의해 저장된 데이터를 유지할 수 있다. 이는 데이터 유지를 위해 정기적인 리프레시가 필요한 DRAM과는 달리, S램은 유지 전류만으로 데이터를 보존할 수 있다는 점에서 차별화된다.

SRAM의 종류

트랜지스터 종류에 따른 구분

• 양극 SRAM (bipolar SRAM, 현재는 거의 사용되지 않는다. 전력을 많이 소모하지만 매우 빠르다.)
• CMOS SRAM (가장 흔한 종류)

기능에 따른 구분

• 비동기 SRAM (클록 주파수에 독립적으로 작동한다)
• 동기식 SRAM (데이터 입출력이 클록 주파수에 따라 이루어진다)

특징에 따른 구분

• ZBT (제로 버스 턴어라운드:zero bus turnaround)
• 싱크버스트 (syncBurst SRAM 또는 동기 버스트 SRAM)

주요 특징

빠른 데이터 액세스

S램의 가장 큰 장점 중 하나는 빠른 데이터 액세스 속도다. S램은 DRAM보다 훨씬 빠르게 데이터를 읽고 쓸 수 있어, CPU 캐시와 같은 고성능 메모리 계층에서 사용된다. 예를 들어, 현대의 CPU에서는 L1, L2, L3 캐시 메모리로 S램이 사용되며, DRAM과의 속도 차이를 보완하여 전체 시스템 성능을 높인다.

높은 비용 및 대용량 구현의 어려움

S램은 1비트를 저장하기 위해 많은 트랜지스터를 필요로 하기 때문에, 상대적으로 생산 비용이 높다. 이로 인해 대용량 메모리를 구현하기가 어렵고, 고비용 메모리로 취급된다. 이는 S램이 일반적인 컴퓨터의 메인 메모리로 사용되지 않고, 주로 소량의 고속 메모리 계층에서 사용되는 이유다.

저전력 특성

S램은 데이터 유지를 위해 지속적인 리프레시가 필요 없는 특성 덕분에, 일정 시간 동안 동작할 때 전력 소모가 적다. 특히 모바일 기기나 임베디드 시스템에서는 S램의 저전력 특성이 유리하며, 이러한 장점은 장시간의 배터리 수명을 요구하는 기기에서 선호된다.

응용 분야

CPU 캐시 메모리

S램은 주로 CPU의 L1, L2, L3 캐시 메모리로 사용된다. CPU는 메인 메모리(DRAM)에 접근할 때보다 캐시 메모리에 접근하는 것이 훨씬 빠르기 때문에, CPU의 연산 속도를 극대화하기 위해 빠른 S램을 사용한다. 특히, 현대의 프로세서 설계에서는 다양한 계층의 캐시가 존재하며, 각각의 캐시 레벨에서 S램이 사용된다.

그래픽 카드 및 GPU

그래픽 카드의 프레임 버퍼와 같은 고속 데이터 전송이 요구되는 분야에서도 S램이 사용된다. 특히 고성능 GPU는 실시간으로 대용량 데이터를 처리해야 하기 때문에, S램의 빠른 속도와 낮은 지연 시간은 매우 중요한 요소다. S램은 그래픽 카드의 메모리 버퍼, 캐시 메모리 등에서도 중요한 역할을 한다.

네트워크 장비 및 통신 시스템

고성능 네트워크 장비 및 통신 시스템에서 S램은 데이터 패킷을 버퍼링하거나 처리할 때 사용된다. 빠른 데이터 전송과 낮은 지연 시간이 필요한 라우터, 스위치, 통신 장비에서 S램의 역할은 매우 크다.

임베디드 시스템 및 IoT 기기

저전력 소비가 중요한 임베디드 시스템 및 사물 인터넷(IoT) 기기에서도 S램이 많이 사용된다. 이들 기기에서는 전력 효율성이 중요한데, S램은 리프레시가 필요 없어 전력 소모를 줄일 수 있으며, 소형화된 회로 설계가 가능하다는 장점이 있다.

S램과 D램 비교

특징	S램(SRAM)	D램(DRAM)
데이터 유지	전원이 공급되는 한 유지 (리프레시 필요 없음)	주기적인 리프레시 필요
구조	6개의 트랜지스터 사용	1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터 사용
속도	매우 빠름	상대적으로 느림
전력 소모	상대적으로 적음	리프레시로 인해 더 많음
비용	고비용	저비용
용량	낮음	높음

S램은 데이터 유지에 있어 리프레시가 필요 없다는 장점이 있지만, 복잡한 구조로 인해 비용이 높고 대용량 메모리 구현이 어려운 반면, D램은 저렴한 비용으로 대용량 메모리를 구현할 수 있으나 주기적인 리프레시가 필요하다. 이 때문에 S램은 CPU 캐시와 같은 고속 메모리 계층에서 사용되고, D램은 메인 메모리와 같은 대용량 메모리에서 사용된다.

참고자료

• 〈S램〉, 《삼성반도체》
• 〈정적 램〉, 《위키백과》

같이 보기

• D램
• 플래시 메모리
• RAM

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