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플래시메모리
플래시 메모리(flash memory)란 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 컴퓨터 기억 장치를 말한다. 여러 구역으로 구성된 블록 안에서 지우고 쓸 수 있으며, 가격이 저렴해 비휘발성 고체 상태 저장 매체가 상당량 필요한 곳에서는 가장 많이 사용되는 메모리 종류이다.
개요
플래시 메모리(flash memory)는 비휘발성 반도체 저장장치다. 전기적으로 자유롭게 재기록이 가능하다. 롬(ROM)의 일종인 EEPROM으로부터 발전하여 현재의 모습으로 정착했다. 예전에는 한 번만 기록이 가능했던 PROM(Programmable ROM)과 삭제가 가능했던 EPROM(Erasable PROM) 2가지의 메모리 방식들이 있었다. PROM은 내용을 기록할 때 하드웨어 적으로 내부의 배선을 끊기 때문에 재기록이 불가능하다. EPROM은 삭제 방식에 따라 자외선을 쬐어야 하는 UV-EPROM과 전기적으로 가능한 EEPROM 등으로 나뉘는데 매우 번거롭기 때문에 현재는 거의 안쓰여 요즘은 거의 플래시 메모리로 대체되고 있다..
롬(ROM)에서 나온 것이니 의 일종으로 봐야 할 것 같지만, 플래시 메모리는 기록된 내용을 보존한다는 측면에서는 롬(ROM)과 유사한 특징이 있으면서도 메모리 어드레싱이 아닌 섹터 어드레싱을 한다는 특성으로 인해 주 기억 장치로 분류되는 롬(ROM)이 아닌 하드디스크와 유사한 보조 기억 장치로 분류된다. 플래시 메모리는 메모리 칩 안에 정보를 유지시키는 데에 전력이 필요 없는 비 휘발성 메모리이며, 플래시 메모리는 읽기 속도가 빠르고 강한 압력이나 끓는 물에도 견딜만큼 물리적인 힘으로 파괴되지 않아 하드디스크 보다 충격에 강하다. 이러한 특징으로 배터리로 동작하는 장치에서 저장 장치로 많이 사용된다.
역사
플래시 메모리(flash memory)는 1984년 당시 도시바에서 근무하고 있던 마스오카 후지오 박사가 발명했다. 도시바에 따르면, 플래시라는 이름은 마스오카 박사의 동료인 아리스미 쇼자가 제안했다고 한다. 왜냐하면, 메모리 내용이 지워지는 과정이 마치 카메라의 플래시를 떠올렸기 때문이다. 마스오카 박사는 이 발명을 캘리포니아 새너제이에서 열렸던 IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM)에서 발표하였다. 당시 인텔은 이 발명의 엄청난 잠재력을 보고 1988년 최초의 상업용 NOR 타입 플래시 메모리를 소개하였다.
NOR 기반 플래시는 지우기와 쓰기 시간이 긴 대신 어떤 위치에도 임의로 접근할 수 있게 주소/자료 인터페이스를 제공한다. 이 메모리는 컴퓨터 바이오스나 셋톱 박스의 펌웨어와 같이 자주 업데이트되지 않는 프로그램 코드를 저장하는 데에 알맞다. 플래시 메모리 특성상 10,000에서 1,000,000까지 지울 수 있다. NOR 기반 플래시는 초기 이동형 매체의 뿌리가 되어, 콤팩트 플래시에서 처음 사용되었으나 나중에 좀 더 저렴한 NAND 플래시가 쓰이기 시작했다.
NAND 플래시는 1989년에 도시바가 ISSCC에서 발표했다. NAND 플래시는 NOR 플래시에 비해 지우기와 쓰기 시간이 좀 더 빠르고 집적도가 높으며 비트당 제작비도 낮고 10배의 내구성을 자랑한다. 그러나 입출력 인터페이스는 자료에 대한 순차 접근만을 지원한다. 이것은 컴퓨터 메모리로는 조금 덜 유용하지만 개인용 컴퓨터 카드와 다양한 메모리 카드와 같은 대용량 저장 장치에 알맞다. 첫 NAND 기반 이동형 미디어 포맷은 스마트 미디어였지만, MMC, 시큐어 디지털(Secure Digital), 메모리 스틱과 XD-Picture 카드에서도 사용되고 있다. 그 밖에 RS-MMC(Reduced Size MultiMedia Card), TransFlash, miniSD 등이 다음 세대 저장 매체로 등장하고 있다. 이러한 새로운 포맷은 보통 크기가 4 제곱 센티미터 이하로 상당히 작다.
동작 원리
플래시 메모리(flash memory)는 전통적으로 비트 정보를 저장하는 셀이라 부르는 플로팅 게이트 트랜지스터(floating gate transistors)로 구성된 배열 안에 정보를 저장한다. 요즘 등장하는 플래시 메모리의 경우는 하나의 셀에 존재하는 플로팅 게이트에 두 단계 보다 높은 전하를 저장하여 셀 하나에 1 비트 이상을 저장할 수 있기에 MLC(Multi Level Cell) 장치라고 일컫는다.
NOR 플래시가 게이트를 하나 대신 두 개를 갖고 있는 것을 제외하면, 각 셀이 표준 MOSFET과 비슷하다. 하나의 게이트는 또 다른 MOS 트랜지스터처럼 컨트롤 게이트(CG)이지만, 두 번째 게이트는 산화물 층(oxid layer)에 의해 모든 주위가 절연된 플로팅 게이트(FG)이다. FG는 CG와 기판 사이에 위치한다. FG가 산화물층에 의해 절연되었기 때문에 그 곳에 위치한 전자는 갇히게 되고 따라서 정보가 저장된다. 전자가 FG에 있을 때, CG에서 나오는 전기장에 영향을 주어 셀의 문턱 전압(Vt)이 변경된다. 이와 같이 CG에 특정 전압을 가하여 그 셀의 정보를 읽을 때, FG에 있는 전자의 수에 따라 Vt이 다르기 때문에 전류가 흐르거나 흐르지 않는다. 이러한 전류의 흐름과 차단이 판독되고 이는 1과 0으로 해석이 되어, 데이터가 저장되어 만들어진다. 한 셀에 1 비트 이상의 정보가 저장되는 MLC(Multi-level cell) 장치에서는 FG에 저장된 전자의 수를 측정하기 위해 단순히 전류의 흐름을 판단하기보다 그 양을 판독한다.
시장에 플래시 메모리가 출시되었을 때, 모든 셀의 상태는 1로 되어 있었다. 이런 셀의 정보를 0으로 변경하는 것을 프로그래밍이라고 한다. NOR 플래시 메모리를 프로그래밍하기 위해 EPROM처럼 hot-electron injection 방식을 사용한다. 먼저, NOR 플래시 셀의 소스에서 드레인으로 전류가 흐를 때, CG에 큰 전압을 가하면 FG에 전자를 끌어들일 정도의 강한 전기장이 생성되어 결국 전류가 흐르지 않게 된다. 결국, 셀의 상태는 0이 된다. NOR 플래시 셀을 지우기 위해 (다시 프로그래밍하기 위한 준비로 모든 셀을 1로 다시 설정하는 것) CG와 소스 사이에 강한 전압차를 주면 Fowler-Nordheim tunneling을 통해 FG는 전자를 잃는다. 최근에 개발된 대부분의 NOR 플래시 메모리는 한 번에 지워진다. 그러나 프로그래밍은 바이트 또는 워드 단위로 수행된다.
NAND 플래시는 쓰기 작업을 위해서 터널 주입을 사용하고, 지우기 위해 터널 릴리즈를 사용한다. NAND 플래시 메모리는 USB 메모리 드라이브로 알려진 USB 인터페이스 저장 장치에서 쓰이고 있다.
특징
장점
- 비휘발성 메모리 : 전원을 끄면 저장된 정보가 사라지는 D램이나 S램과는 달리 전원이 꺼져도 저장된 정보가 사라지지 않는 비 휘발성 메모리이다. 소비전력이 작고, 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 사라지지 않은 채 유지된다.
- 뛰어난 효율성 : 정보의 입출력이 자유로우며 속도가 빠르고 전력 소모가 적다. 롬(ROM)에 비해 크기가 작으며, CD나 DVD처럼 드라이브를 장착하지 않아도 된다. 자기 매체나 광학 매체에 비해 기계적인 충격에도 강하며 직사광선, 고온, 습기에도 강하다.
- 내부 방식에 따른 분류 :플래시 메모리는 내부 방식에 따라 크게 저장용량이 큰 낸드(NAND)형과 처리속도가 빠른 노어(NOR)형의 2가지로 분류된다. 낸드형은 고집적이 가능하며, 하드디스크를 대체할 수 있어 고집적 음성이나 화상 등의 저장용으로 많이 쓰이며 일정량의 정보를 저장해두고 작업해야 하는 휴대형 기기에 적합하고 가격이 노어(NOR)형에 비해 저렴하다. 노어(NOR)형은 대용량의 정보 저장은 어렵지만 읽기 속도가 빠르고 데이터의 안정성이 확보된다.
단점
- 덮어쓰기의 부재 : 덮어쓰기가 불가능하며 이미 데이터가 존재하는 블록에 새 데이터를 저장하려면 그 블록을 지운 다음에 써야하는 번거로움이 있다. 추상적으로 저장매체에겐 읽기와 쓰기 명령만 보낸다 가정하지만, SSD는 쓰기 대상 블록이 비어있지 않다면 실제로는 지우고 쓰기가 진행 되는 것이다.
- 기록 횟수의 한계 : 매체의 소재 자체의 한계로 인해 기록 가능 횟수에 한계가 있다. 이 횟수를 넘어가면 내용의 삭제 및 기록이 안된다. 이 상태에 와도 읽기가 바로는 안되지만, 일반적으로 읽기와 쓰기를 모두 해야하기 때문에 더 이상 이용이 어려워진다.
- 블록 단위로만의 재기록 : 필요한 데이터가 위치한 셀만 지우고 새로운 값을 쓰면 좋겠지만 인접 위치에 있는 것까지 다 지우고 새로 써야 한다. 노어(NOR)의 경우 낸드(NAND)에 비해서 약간 나은데, 지우기는 블록 단위로 해야 하지만, 기록하기는 셀 단위로 가능하다. 다만 양쪽 다 읽는 것은 한 바이트단위로 할 수 있다.[1]
종류
플래시 메모리(flash memory)는 크게 노아(NOR), 낸드(NAND) 형으로 나뉜다
노아(NOR)
낸드(NAND) 보다 먼저 나온 형태로 노아 로직을 이용하여 데이터를 처리해 붙여진 이름이다. 읽기 속도가 매우 빠르고 바이트 단위로 데이터를 읽을 수 있어 메모리에서 프로그램을 직접 실행시킬 수 있다. 예를 들어, 노아 플래시는 각각의 공간에 하나의 데이터를 저장할 수 있고, 이 공간을 무수히 많이 두고 원하는 공간을 찾아내 볼 수 있는 것이다. 각각의 공간에 하나의 데이터만 넣을 수 있으므로 위치만 알면 찾는 것은 순식간이므로 읽기 속도가 매우 빠른 것이고, 각각의 데이터를 따로 보관하므로 안정성이 매우 높아 낸드플래시에서 발생되는 배드블럭(BAD Block)이 존재하지 않는다. 하지만 데이터마다 하나의 공간을 차지해 대용량화가 어렵고 내용을 지우기 위해서는 공간을 일일이 비워야 하므로 지우기 및 쓰기 속도가 느리고, 용량 대비 비용이 많이든다. 현재 노아는 컴퓨타, 스마트폰 등 전자기기의 BIOS 칩에 주로 활용되고 있다.
낸드(NAND)
낸드 로직을 이용해 데이터를 처리하여 붙여진 이름이다. 노아 플래시와는 달리 낸드 플래시는 각각의 공간이 존재하지만 하나의 공간에에 다수의 파일을 넣어 많은 데이터를 한꺼번에 저장한다. 그러므로 면적대비 대용량화가 가능하다. 낸드 플래시는 파일을 통재로 버리고 통째로 담아 지우기와 쓰기의 속도가 매우 빠르다. 용량 대비해 노아보다 상대적으로 비용이 적게 든다. 하지만 위치를 알더라도 다시 그 공간 안의 파일 위치를 찾아 데이터를 읽어와야 하므로 읽기 속도가 느리고 파일을 통재로 읽으므로 비트 단위의 데이터 접근이 불가능하다.
- 낸드(NAND) 플래시 메모리의 종류
- SLC (Single Level Cell) : 메모리 셀 하나에 1비트(bit)를 저장하는 기술이다. SLC 방식은 MLC, TLC 방식보다 읽기, 쓰기 속도 등이 빠르지만, 가격이 비싸다는 단점이 있다. 빠른 속도가 특별히 요구되는 작업에는 주로 SLC 계열이 쓰이지만, 일반용도의 USB 메모리는 저렴한 가격으로 인해 MLC 또는 TLC방식을 주로 사용한다.
- MLC(Multi Level Cell) : 메모리 셀 하나에 2비트(bit)를 저장하는 기술이다. MLC 방식은 SLC 방식보다 읽기, 쓰기 속도 등이 느리지만, 같은 가격으로 약 2배의 용량을 구입하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 빠른 속도가 필요한 작업은 주로 SLC를 쓰지만, 대부분 USB 메모리가 저렴한 가격으로 인해 MLC 또는 TCL 방식을 주로 사용하고 있다.
- TCL(Triple Level Cell) : 메모리 셀 하나에 3비트(bit)를 저장하는 기술이다. SLC, MLC 메모리에 비해 느린 속도로 데이터를 쓰고 지워 느리다는 단점이 있지만, 하나의 셀에 3비트(bit)를 저장할 수 있어 고용량 설계가 쉽다는 장점이 있다. 고용량 설계가 쉬워 제조사들이 많이 선호하며 단가가 저렴해 고용량의 메모리를 합리적인 가격으로 구입이 가능하다. 그러나 많은 데이터를 하나의 셀에 쓰고 지우기 때문에 오류 발생 확률이 높고 메모리 수명이 짧다. [2]
사용처
많이 사용되는 곳은 기계 내부에 eMMC와 같은 낸드 플래시 저장소이다. 특히 저용량의 설정 값 등을 기억하는 용도로 산업용에 많이 쓰이며, 휴대폰에도 널리 쓰였다. 스마트폰이 보급되면서는 고용량의 eMMC가 많이 쓰인다.
사용자가 직접 구매하는 플래시 메모리 제품으로 USB 메모리, 메모리 카드가 있다. USB 메모리는 USB 단자에 삽입해서 외부 저장소처럼 데이터를 저장하는 것이고, 메모리 카드는 전자기기에 삽입하는 형태로 만들어진 저장 매체이다. 고속 및 고용량 구현이 쉬운 컴팩트 플래시(CF), 사실상 표준처럼 사용되는 표준, 미니, 마이크로 SD카드가 널리 사용된다.
PC 하드디스크 인터페이스를 가진 플래시메모리인 SSD도 2010년대 중반부터 널리 쓰이기 시작했다. SSD, USB 메모리의 득세로 인해 플래시 메모리 특성에 최적화된 단자 규격과 파일 시스템이 개발되고 활성화 되기 시작했다.
그 밖에도 플래그십 디지털 카메라에 쓰이는 CF카드 등에 쓰인다.
각주
- ↑ 〈플래시 메모리〉, 《나무위키》
- ↑ 〈플래시 메모리 알아보기〉, 《미디어 컨텐츠》
참고자료
- 〈플래시 메모리〉, 《나무위키》
- 〈플래시 메모리〉, 《위키백과》
- 〈플래시 메모리〉, 《네이버 지식백과》
- 〈반도체 용어 사전〉, 《삼성 반도체 이야기》
- 〈플래시 메모리 알아보기〉, 《미디어 컨텐츠》
같이 보기
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