낸드메모리

낸드메모리(NAND Flash Memory). 삼성전자 차량용 SSD AM9C1 제품 이미지

낸드, 노어 메모리

낸드메모리(NAND Flash Memory)는 비휘발성 메모리의 한 종류로, 데이터를 영구적으로 저장하는 반도체 기반 기억장치이다. 플래시 메모리 기술의 일종으로, 전원이 꺼져도 데이터를 보존할 수 있어 하드 드라이브, SSD(Solid State Drive), 스마트폰, USB 드라이브, 메모리 카드 등 다양한 장치에서 널리 사용된다. 그 이름은 논리 게이트인 NAND 게이트에서 유래했으며, 데이터 저장 방식에서 전하의 저장과 이동이 NAND 논리의 동작과 유사하기 때문이다.

낸드 메모리는 빠른 읽기 및 쓰기 속도, 소형화된 크기, 대용량 저장, 그리고 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 다양한 저장 매체에서 사용된다.

개요

전원이 끊겨도 데이터를 보존하는 비휘발성 메모리의 일종으로, 전기적인 방법으로 정보를 입출력한다. 내부 구조가 평면 구조(2D)에서 수직 구조(3D)로 발전하였으며, 이를 '3D 낸드'라고 한다.

전원 공급이 없으면 정보를 모두 잃어버리는 휘발성 메모리 반도체인 D램, S램과 달리, 플래시메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 데이터를 보존하는 롬(ROM)의 장점과 손쉽게 데이터를 쓰고 지울 수 있는 램(RAM)의 장점을 동시에 지니는 비휘발성 메모리이다. 플래시메모리는 전력 소모가 적고 기존의 자기디스크에 비해 고속으로 읽기 및 쓰기가 가능하다. 이러한 특징으로 인해 디지털 카메라, 스마트폰, 휴대전화, USB 드라이브 등의 다양한 휴대용 기기와 SSD(Solid State Drive)에 널리 사용되고 있다.

플래시메모리는 칩 내부의 회로 형태에 따라 낸드플래시와 노어(NOR)플래시로 구분된다. 노어플래시메모리는 저장 단위인 셀(cell)이 병렬로 배치되어 있는 코드 저장형 플래시메모리로, 읽기가 빠른 대신 쓰기 속도가 느리다. 반면 낸드플래시메모리는 셀이 직렬로 배치된 데이터 저장형 플래시메모리로, 좁은 면적에 집적 가능한 셀이 많고 대용량화가 가능하다. 또한 제조 단가가 저렴하고 노어플래시에 비해 쓰기 및 지우기가 빠르다. 따라서 노어플래시메모리는 주로 핸드폰의 메모리로 사용되고, 낸드플래시메모리는 MP3플레이어, 디지털카메라, 휴대용저장장치 등 주로 휴대용 정보통신기기의 메모리로 사용된다.

플래시메모리는 1984년 일본 기업 도시바(東芝)의 마스오카 후지오 박사에 의해 최초로 개발되었다. 그 이후 1988년, 인텔(intel)에서 플래시메모리의 가능성을 인식하고 상업용 플래시메모리를 개발하기 시작하였다. 낸드플래시메모리는 자기식 저장장치들보다 내구성이 우수하고 대용량화가 가능하며 값이 싸다는 장점이 있다. 하지만 램이나 하드 디스크와 같이 제자리 덮어쓰기(in-place update)가 불가능하고 읽기/쓰기와 삭제 연산의 단위가 다르기 때문에 이를 처리하기 위한 부가적인 연산이 필요하다. 또한 삭제 연산의 단위인 블록별로 지우기 횟수가 제한되어 있기 때문에, 메모리 내의 특정 블록이 먼저 마모되어 전체 플래시 메모리가 사용 불가능해지지 않도록 하는 매커니즘도 필요하다.

낸드플래시 기술 경쟁은 데이터 저장 단위인 셀을 밀집시키는 미세화 기술력에 의존하여 왔으나, 10나노미터 이하의 집적도에서는 저장 공간 사이에서 전자가 누설되는 간섭 현상으로 인해 물리적 한계에 도달하였다. 이를 해결하기 위해 아파트 구조와 같이 트랜지스터를 3차원 수직구조로 쌓아 올린 ‘3차원 수직구조 낸드플래시’ 기술이 개발되었다. 이러한 3차원 수직구조 낸드플래시는 평면 낸드플래시에 비해 저장 공간 집적도, 속도 및 내구성, 그리고 소비전력에 있어서도 수 배 향상된 성능을 보이는 것으로 평가되고 있다.

2013년 삼성전자㈜는 세계 최초로 24단 수직구조 낸드플래시를 처음 선보였으며, 2014년에는 32단, 2015년에는 48단 수직구조 플래시 양산에 성공하였다. 또한 삼성전자는 2014년 수직 적층 구조를 유지하면서 각 셀에 저장 가능한 데이터 수를 3비트로 늘리는 기술을 세계 최초로 도입하였다.

낸드메모리의 역사와 발전

낸드 플래시 메모리는 1980년대 후반 일본의 도시바(Toshiba)가 처음 개발했다. 당시 연구자들은 기존의 비휘발성 메모리 기술인 NOR 플래시 메모리가 빠른 읽기 성능은 제공했지만 쓰기와 지우기 작업에서 비효율적이라는 문제를 인식하고 있었다. 이에 따라 도시바는 보다 효율적이고 저렴한 비용으로 대용량 데이터를 저장할 수 있는 방법을 모색했고, 그 결과 낸드 플래시가 탄생했다.

이후 낸드 플래시는 여러 단계의 기술적 발전을 거쳐 왔으며, 특히 셀(cell) 구조의 변화와 미세 공정 기술이 중요한 역할을 했다.

낸드메모리의 동작 원리

낸드메모리는 플로팅 게이트 트랜지스터(Floating Gate Transistor)를 이용해 데이터를 저장한다. 각 셀(cell)은 플로팅 게이트라는 특별한 구조를 통해 전자를 저장하며, 이를 통해 데이터를 "0" 또는 "1"로 저장한다.

• 쓰기: 데이터를 쓰는 과정에서는 플로팅 게이트에 전자를 주입해 전하를 축적하고, 이로 인해 트랜지스터의 문턱 전압(threshold voltage)이 변한다. 이 문턱 전압의 변화를 통해 저장된 비트가 "0"인지 "1"인지 구분할 수 있다.
• 읽기: 읽기 과정에서는 트랜지스터의 문턱 전압을 측정해 저장된 데이터를 확인한다. 특정 전압을 걸어 문턱 전압이 낮으면 "0", 높으면 "1"로 해석된다.
• 지우기: 낸드 메모리는 데이터를 블록 단위로 지운다. 전자를 모두 제거해 플로팅 게이트를 초기화하는 방식으로 지워진다. 이 과정은 기존 데이터를 덮어쓰지 않고 블록 전체를 지워야 하기 때문에, 낸드 메모리는 쓰기보다는 읽기 작업에 더 유리하다.

낸드 메모리의 구조

낸드 메모리의 기본 구조는 셀로 구성되어 있으며, 각 셀은 비트 하나를 저장한다. 셀들은 다시 페이지(Page)와 블록(Block) 단위로 묶인다.

• 셀: 하나의 데이터 비트를 저장하는 가장 작은 단위이다. 기본적으로 플로팅 게이트 트랜지스터로 이루어져 있으며, 이 셀이 데이터를 저장하고 유지한다.
• 페이지: 여러 개의 셀이 모여 페이지를 구성한다. 페이지는 일반적으로 4KB에서 16KB의 크기를 가지며, 쓰기 및 읽기 작업은 페이지 단위로 이루어진다.
• 블록: 페이지가 여러 개 모여 블록을 형성한다. 블록은 보통 64페이지에서 256페이지로 구성되며, 지우기 작업은 블록 단위로 수행된다. 쓰기와 읽기는 페이지 단위로 가능하지만, 낸드 메모리의 특성상 데이터를 지우는 작업은 반드시 블록 단위로 이루어진다.

낸드 메모리의 유형

낸드 플래시는 데이터를 저장하는 방식에 따라 SLC(Single-Level Cell), MLC(Multi-Level Cell), TLC(Triple-Level Cell), QLC(Quad-Level Cell) 등의 다양한 유형으로 나뉜다. 이들은 셀 하나에 저장할 수 있는 비트 수에 따라 나뉜다.

SLC (Single-Level Cell)

SLC는 셀 하나에 1비트를 저장하는 방식이다. 즉, 각 셀이 0 또는 1 두 가지 상태만을 저장할 수 있다.

• 장점: 빠른 속도, 높은 내구성, 낮은 오류율.
• 단점: 저장 용량이 적어 비싼 비용.

주로 산업용 장비, 서버, 군사 장비 등에서 고성능, 고내구성이 요구될 때 사용된다.

MLC (Multi-Level Cell)

MLC는 셀 하나에 2비트를 저장하는 방식이다. 셀 하나가 4개의 상태(00, 01, 10, 11)를 저장할 수 있다.

• 장점: SLC보다 높은 저장 밀도로 더 많은 데이터를 저장할 수 있어 가격이 저렴.
• 단점: SLC에 비해 속도가 느리고 내구성이 낮다.

일반 소비자용 SSD에서 많이 사용된다.

TLC (Triple-Level Cell)

TLC는 셀 하나에 3비트를 저장한다. 셀 하나가 8개의 상태(000부터 111까지)를 가질 수 있다.

• 장점: 더 높은 저장 밀도와 저렴한 가격.
• 단점: MLC보다 속도가 느리고, 내구성이 더 낮다.

대용량의 데이터 저장이 필요한 소비자용 장치에서 주로 사용된다.

QLC (Quad-Level Cell)

QLC는 셀 하나에 4비트를 저장한다. 셀 하나가 16개의 상태를 가질 수 있다.

• 장점: 매우 높은 저장 밀도와 저렴한 비용.
• 단점: 다른 유형에 비해 속도가 느리고, 내구성이 낮다.

대용량이 필요한 저장 장치에서 주로 사용된다.

낸드메모리의 장점과 단점

장점

• 비휘발성: 전원이 꺼져도 데이터를 유지할 수 있어, 데이터를 영구적으로 저장하는 데 적합하다.
• 고용량: 작은 크기에서 대용량 데이터를 저장할 수 있어 다양한 크기의 장치에서 유연하게 사용할 수 있다.
• 저전력 소모: 상대적으로 전력 소비가 낮아 모바일 기기나 노트북 등의 배터리 수명을 연장하는 데 기여한다.
• 빠른 데이터 액세스: 특히 읽기 속도가 빠르며, 기존 하드디스크 드라이브(HDD)보다 훨씬 빠른 접근 속도를 제공한다.

단점

• 제한된 쓰기/지우기 횟수: 낸드 메모리는 일정한 쓰기/지우기 횟수(수명)가 제한되어 있다. 이 횟수가 넘으면 메모리 셀이 더 이상 데이터를 신뢰성 있게 저장할 수 없게 된다.
• 쓰기/지우기 속도: 읽기 작업에 비해 쓰기와 지우기 작업이 상대적으로 느리다. 특히 블록 단위로 지우기 작업이 이루어져야 하는 특성상 쓰기 작업 중 지우기가 필요한 경우 속도가 저하될 수 있다.
• 셀 내구성: MLC, TLC, QLC와 같은 고밀도 저장 방식일수록 내구성이 떨어진다. 더 많은 상태를 저장하는 셀은 각 상태의 구분이 더 어려워지기 때문에 오류 발생 확률이 높아진다.

응용 분야

낸드 메모리는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

• SSD(Solid State Drive): 낸드 플래시는 SSD에서 핵심 역할을 한다. SSD는 기존의 HDD보다 훨씬 빠른 데이터 접근 속도와 신뢰성을 제공하며, 낸드 플래시를 이용해 대용량 데이터를 저장할 수 있다.
• 모바일 장치: 스마트폰, 태블릿 등에서 저장 공간을 제공하는 역할을 한다. 낸드 메모리 덕분에 대용량의 데이터를 저장하면서도 전력 소비가 적다.
• 메모리 카드: SD 카드, 마이크로 SD 카드, USB 플래시 드라이브 등에서 사용된다. 이러한 장치들은 휴대용으로 데이터 전송과 저장이 용이하며, 낸드 플래시 메모리를 통해 고용량을 제공한다.
• 임베디드 시스템: 산업용 장치, 의료 장비, IoT 기기

참고자료

• 〈낸드플래시메모리〉, 《두산백과》
• 〈플래시 메모리〉, 《위키백과》
• 〈플래시 메모리〉, 《나무위키》
• 이진영 기자, 〈AI 열풍에 달라진 '낸드'...3분기도 '메모리 효자' 노릇 한다〉, 《자유일보》, 2024-09-22
• 박민웅 기자, 〈“13억 불 시장 정조준”…삼성전자, 업계 최초 8세대 V낸드 기반 차량용 SSD 개발〉, 《이투데이》, 2024-09-24
• 삼성전자, 〈삼성전자, 세계 최초 3차원 수직구조 낸드 플래시 메모리 양산〉, 《삼성전자》, 2013-08-06

같이 보기

• 자기디스크
• 플래시메모리
• 노어메모리

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