메모리 반도체 총정리 - SRAM, DRAM, NAND의 차이점 및 특징

메모리 반도체란 정보를 저장하고 기억하는 반도체로 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 나뉜다. 휘발성 메모리는 전원이 인가된 상태에서만 저장장치로의 역할을 하고, 비휘발성 메모리는 전원이 끊겨도 데이터를 유지한다. 따라서 전체 데이터는 용량이 큰 기억장치에 저장해놓고 필요한 일부 데이터를 latency가 짧은 메모리에 옮겨 사용하게 된다.

 

CPU ← SRAM ← DRAM ← HDD/SSD

메모리 계층구조

휘발성 메모리의 예로는 SRAM, DRAM이 있고, 비휘발성 메모리의 예로는 PROM, EPROM, EEPROM, FLASH(NOR, NAND)가 있다.

 

메모리 반도체의 대표적인 3가지, SRAM, DRAM, NAND Flash의 기본적인 구조 및 특성에 대해 알아보자.

 

---

0. 표 하나로 정리하는 SRAM, DRAM, NAND

구분	SRAM	DRAM	NAND
셀 구성	기본적으로 6T	1T1C	1T
데이터 저장	인버터 래치	커패시터	플로팅 게이트
이용	캐시 메모리 (CPU 내장)	주메모리	대용량 데이터 저장장치 (USB, SSD)
휘발성 여부	휘발성	휘발성	비휘발성
내구성	좋음	좋음	나쁨
용량	작음	중간	큼
가격	높음	낮음	매우 낮음
속도	매우 빠름	빠름	느림
집적도	낮음	높음	높음

 

---

1. SRAM

# 구성

6T SRAM기준 입/출력이 서로 맞물린 CMOS 인버터 래치 회로와 2개의 access transistor로 구성되어 있다.

 

6T SRAM의 구조

 

최소 6개의 트랜지스터가 필요하기 때문에 하나의 트랜지스터와 커패시터로 구성된 DRAM에 비해 집적도가 낮고 소비전력이 크다.

 

하지만 전하 저장 방식이 아닌 래치 회로의 상태에 따라 데이터가 결정되기 때문에 속도가 매우 빠르다는 장점이 있다. 즉, 래치회로의 특성상 서로 반대되는 데이터가 저장되기 때문에 그에 따른 양단의 전압 차이로 1과 0을 읽고 쓰게 된다.

 

---

2. DRAM

# 구성

하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 구성된다.

 

DRAM의 구조

 

트랜지스터가 스위치 역할을 하여 커패시터에 전하를 충/방전시키며 데이터를 쓰고 읽게 된다. SRAM 대비 집적도가 높지만 커패시터에 저장된 전하량이 시간이 지나면서 감소함에 따라 누설전류가 발생하여 refresh동작이 필요하다.

 

DRAM은 용량, 속도, 집적도, 가격 등의 측면에서 SRAM과 NAND Flash의 중간 정도의 성능을 지닌다. 

 

---

3. NAND

# 구성

기본적으로 MOSFET과 동일한 구조이며 control gate와 oxide 층 사이에 floating gate가 있다.

 

NAND Flash의 구조

 

이 floating gate가 실제 데이터를 저장하는 공간이다. Floating gate 주위가 절연막으로 둘러싸여 있기 때문에 내부의 전자는 전원이 공급되지 않아도 외부로 빠져나가지 못하여 비휘발성 특성을 갖게된다. 또한, 이에 따라 발생하는 커패시턴스 성분때문에 동작 속도가 느리다는 특징이 있다.

 

# 층간 절연막 (ONO / Blocking Layer / Inter Poly Dielectric)

Floating gate 내 전자가 control gate로 이탈하는 것을 방지하기 위한 절연막이다.

O(산화막) - N(질화막) - O(산화막)

ONO 구조를 통해 층간 절연막의 커패시턴스를 높임으로써 gate 전압을 효과적으로 floating gate로 전달하게 된다.

 

# NAND flash vs NOR flash

• NAND flash : 셀들이 직렬로 연결 → random access 불가 → 순차적 읽기 → 느린 읽기 동작 BUT 빠른 ERASE/PROGRAM 동작
• NOR flash : 셀들이 병렬로 연결 → random access 가능 → 빠른 읽기 동작 BUT 느린 PROGRAM 동작, 낮은 집적도