반도체 기억장치
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- 개념
- 실행 프로그램과 데이터의 임시적 또는 영구적 저장 기능을 수행하는 장치 기억장치는 CPU가 직접 액세스 할 수 있는 내부기억장치와 장치제어기(Device Controller)를 통하여 액세스 할 수 있는 외부 기억장치로 분류(또는 주기억장치(Main Memory)와 보조저장장치(auxiliary storage device)로 분류)
I. Memory Device 의 개요
가. 메모리의 정의
- 실행 프로그램과 데이터의 임시적 또는 영구적 저장 기능을 수행하는 장치
- 기억장치는 CPU가 직접 액세스 할 수 있는 내부기억장치와 장치제어기(Device Controller)를 통하여 액세스 할 수 있는 외부 기억장치로 분류(또는 주기억장치(Main Memory)와 보조저장장치(auxiliary storage device)로 분류)
나. 메모리 장치의 특징
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항목 |
특성 |
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메모리계층구조 |
가격대비 시스템의 성능을 향상시키기 위해 CPU와 DISK사이에 다양한 계층의 기억장치들을 포함 |
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휘발성 메모리 |
전원이 공급되어야만 데이터를 유지하며 일반적으로 읽기/쓰기 모두 가능한 RAM(Random Access Memory)를 의미 |
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비휘발성 메모리 |
전원이 차단된 이후 다시 전원이 공급되면 이전 정보를 기억하는 특성을 가지는 ROM(Read-Only Memory)를 의미 |
II. 메모리 계층구조와 구조도 및 구성요소
가. 메모리 계층구조
- 고가의 고속 메모리와 저가의 저속 메모리를 계층적으로 배치하여 낮은 가격에 컴퓨터 성능을 최적화 시키는 Computer Architecture
나. 메모리 계층 구조의 이점
- 가격대비 높은 성능 : 같은 가격으로 구성한 고속 메모리/저용량 시스템 혹은 저속 메모리/고용량 시스템에 비해 성능이 좋음
- 빠른 Device의 성능 보장 : 장치간 급격한 성능 차이를 중간 속도 메모리를 통하여 보완하여 성능 저하를 막음
다. 메모리 계층구조
- 용량, 비용, 성능의 상관관계(Trade-off)를 고려하여 Hierarchy 구성
라. 메모리 계층요소의 구성요소
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구분(volatile) |
구성요소 |
설명 |
|---|---|---|
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내부기억장치 (휘발성) |
CPU레지스터 (L0) |
- 계층 구조에서 최상위 계층의 기억장치로 가장 빠르고 가장 용량이 적으며 비트당 가격이 가장 높은 기억장치 |
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캐시 (L1, L2) [SRAM] |
- 명령이나 데이터를 일시적, 부분적으로 저장하기 위한 장치로 메인 메모리와 CPU사이의 속도 문제를 극복하기 위한 장치 - CPU 내부 레지스터와 주 기억장치의 데이터를 일시 저장하는 중간 버퍼 기능 |
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주기억장치 (L3) [DRAM] |
대부분 반도체 기억장치들의 칩들로 구성되며 액세스 시간은 대략 수 백ns정도로 레지스터 액세스 시간 보다 긴 기억장치 |
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디스크 캐시 |
- 주기억장치와 디스크 사이의 속도 격차를 줄이기 위해 디스크에 기록할 데이터를 임시로 보관하는 버퍼역할 - 디스크캐시로는 주 기억장치의 일부가 사용되거나 I/O 프로세서 보드 혹은 제어기 보드 상에 별도로 설치 |
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외부기억장치 (비휘발성) |
디스크 (L4) |
대규모 정보를 영구적으로 저장하기 위한 저장 장치로 CPU가 직접 접속할 수 없고 각 저장장치의 입출력 프로세서를 통해서만 데이터 저장 및 검색 가능 |
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자기테이프 및 CD-ROM (L5) |
저속으로 과거 많이 사용 되던 저장장치로 광 저장장치, 자기 테이프 형태의 기억장치 |
III. 메모리 장치의 분류와 종류별 특성
가. 휘발성 메모리(Volatile Memory)의 종류별 특성
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종류 |
특성 |
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DRAM (Dynamic) |
- 초고속 데이터 전송용 메모리로서 기억 밀도가 높고 가격이 저렴 - 저장내용을 주기적으로 재생하지 않으며 사라지는 약점존재 |
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SRAM (Static) |
- 플리플롭 방식의 메모리 셀을 가진 임의 접근 기억장치 - 전원공급이 계속되는 한 저장된 내용을 계속 기억 - 재생이 불필요해 소용량의 메모리가 캐시메모리에 주로 사용 - DRAM에 비해 고가 |
나. 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory)의 종류별 특성
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종류 |
특성 |
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Masked ROM |
- 특정 내용을 생산 공장에서부터 ROM에 기억시켜 출하하 는 것으로 사용자가 임의적으로 기억시킬 수 없음 - 메모리 중 비트당 단가가 가장 저렴 |
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PROM |
- Programmable, Non-erasable - 생산 공장 출하 시 기억된 것이 아무것도 없으며, PROM Writer를 사용하여 사용자가 한번 기억(Write)이 가능함 |
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EPROM |
- Erasable, Programmable - 자외선을 사용하여 기억된 내용을 임의적으로 소거시킨 후 전기적인 방법으로 다시 기억시킬 수 있음 |
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EEPROM |
- Electrically Erasable - 전기적 방법으로 정보를 소거, 저장 연속 진행 |
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Flash Memory |
- 기존 EPROM과 EEPROM의 변형으로 block 단위로 고속 수정이 가능 |
Ⅳ. DDR, DDR2 및 DDR3 특징 및 비교
가. DDR(Double Data Rate)
- DDR 모드라고 하는 고속의 데이터 전송 기능을 가진 동기식 동적 램 (SDRAM)
- 구형 규격 : 팬티엄3 이전의 구형 PC에서 사용하는 메모리 규격
- 사용 빈도 : 현재는 그 사용빈도가 거의 없음
- 특징 : 기존 SDRAM과 다르게 하나의 클럭에 두 개의 정보를 주고 받을 수 있게 하여, SDRAM에 비해 속도를 2배로 늘리도록 설계된 메모리
나. DDR2(Double Data Rate^2)
- 2003년에 JEDEC가 책정한 DDR SDRAM을 고속화한 SDRAM의 규격
- 핀 : 240 핀의 형태
- 전압 : 기존 DDR 메모리(2.5V)보다 낮은 1.8V의 저전압으로 구동
- 속도 : 500~800MHz의 빠른 동작속도
- 지원 : 인텔 915칩셋 이상의 메인보드에서 지원
- 단점 : DDR3 대비, 소비전력이 많으며, 속도 및 성능이 떨어짐
다. DDR3(Double Data Rate^3)
- 입출력 버스를 메모리 셀의 속도보다 4배 빠르게 동작해 DDR2보다 더 빠른 버스 속도 구현
- 전력 소비량에 민감한 서버와 배터리 사용 시간을 늘려야 하는 노트북에 특히 적합한 제품
- 특징 : DDR2와 기본적 방식은 동일, 설계를 개선하여 동작속도는 빨라지고 소비전력은 30%정도 저하
- 성능 : DDR2램의 성능에서 전송 폭, 전송 속도, 소비 전력이 한 단계 업그레이드
- 호환성 : 핀의 수는 240으로 같으나 홈 위치가 다르므로 상호 비호환
- 단점 : 동일 미세공정에서 생산되는 DDR2 대비 Chip사이즈가 더 큼 (원가상승)
- DDR3 SDRAM은 인텔의 X37,P35 칩 셋부터 지원
라. DDR, DDR2, DDR3 비교
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구분 |
DDR |
DDR2 |
DDR3 |
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유효클럭수 (속도) |
266(PC2100) 333(PC2700) 400(PC3200) |
533(PC4200) 667(PC5300) 800(PC6400) |
1066(PC8500) 1333(PC10600) 1600(PC12800) |
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전압 |
2.5V |
1.8V |
1.5V |
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핀수 |
184 |
240 |
240 |
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패키지타입 |
66-Pin TSOP2 |
60/84-Ball FBGA |
78 Ball FBGA |
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Prefetch Buffer (bit) |
2 |
4 |
8 |
Ⅴ. DDR 메모리 비교
마. DDR과 DDR2 특징 및 차이점
- DDR2는 DDR 메모리에서 속도를 개선하여 내놓은 업그레이드 제품
- 모두 3200의 성능을 가지고 있음으로 기본적인 속도의 차이는 없음
- 구체적인 DDR2의 차이는 기본적인 메모리칩의 차이
- 정확하게는 메인보드와 연결되는 핀 수가 다르고, 요구하는 전압이 DDR2가 더 낮으며, 작동속도는 DDR2가 더 빠름
- 메모리의 공정이 DDR2로 넘어 오면서 미세해저 사용전압이 낮아졌고, 사용메모리의 외형이 직사각형에서 정사각형으로 변형
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구분 |
DDR |
DDR2 |
|---|---|---|
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유효클럭수 (속도) |
266(PC2100) 333(PC2700) 400(PC3200) |
533(PC4200) 667(PC5300) 800(PC6400) |
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전압 |
2.5V |
1.8V |
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핀수 |
184
|
240
|
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타입 |
BGA타입 메모리
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TSOP타입 메모리
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특징 |
DDR2보다 대비 약함 |
고속 메모리, 방열에 유리, 안정성 향상 |
바. DDR2와 DDR3 특징 및 차이점
- 기존대비 2배 빠른 속도 : JEDEC 규격 하에 만들어진 DDR2 SDRAM 보다 두 배 빠른 속도로 동작
- 높은 메모리 전송 대역폭을 제공 : 메모리 전송 폭과 같이 데이터 전송율 이외에도 여러 부분의 복합적인 개선
Ⅵ. 부유게이트 방식의 비 휘발성 메모리, Flash Memory의 개요
가. Flash Memory의 개념
- 기계적인 동작이 없는 순수 반도체로 이루어진 비 휘발성 저장매체로서 속도가 빠르고 전력소모가 작으며 또한 부피가 작고 충격에 강한 메모리
- EEPROM(Electrically Erasable/Programmable ROM)의 일종으로 바이트 단위로 지우기 작업을 수행하는 기존 EEPROM과는 달리 수십에서 수백 킬로 바이트 블록단위로 소거 하므로 속도가 빠름
나. Flash Memory의 특징
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특징 |
설명 |
|---|---|
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전력소모 적음 |
기계 구동부 없이 데이터를 읽고 쓸 때에만 전력을 사용하기 때문에 적은 전력으로 동작이 가능 |
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작은 크기 |
휴대용 기기의 저장장치로 애용 |
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속도가 빠름 |
램이나 하드디스크보다는 느리지만 노트북 하드디스크로 사용될 만큼 기술진화가 빠르게 진행되고 있음 |
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안정성 우수 |
메모리 반도체 덩어리로 구성되어 있어 웬만한 충격으로는 데이터가 손상되지 않음 |
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호환성과 편의성 |
디지털 카메라, PDA 노트북에 쉽게 연결하여 사용가능 |
Ⅶ. Flash Memory의 셀 구조와 구분
가. Flash Memory의 셀 구조
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- 산화물 층으로 절연된 Floating Gate에 전자를 투입시켜 반영구적으로 저장 - Floating Gate에는 1바이트 데이터 저장 |
나. 회로구조에 따른 Flash Memory의 구분
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구분 |
NOR |
NAND |
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Cell 연결구조 |
병렬연결 |
직렬연결 |
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Read Access Method |
Random Access |
Sequential Access |
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정보임의추출속도 |
빠름 |
느림 |
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집적도 |
낮음 |
높음 |
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사용기기 |
휴대전화, 가전제품 |
MP3, USB 메모리 |
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주요응용 |
코드 저장 |
데이터 저장 |
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특징 |
기억주소를 빠른 시간 내 임의 엑세스 |
데이터를 쓰고 지우는 시간이 빠른 대신 block address 단위로 엑세스 하여 데이터 저장매체로 적합 |
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주요생산 |
Intel, AMD |
삼성전자, 하이닉스, 도시바 |
Ⅷ. 메모리 소자의 비교
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구분 |
FRAM |
DRAM |
SRAM |
Flash Memory |
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셀 구성 |
트랜지스터 1개 커패시터1개 |
트랜지스터1개 커패시터1개 |
트랜지스터 6개 |
트랜지스터 1개 |
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정보저장 방법 |
강유전체의 분극현상 |
커패시터에 저장되는 전하의 유무 |
4개의 트랜지스터로 구성된 래치회로 전압 |
부유 게이트에 주입된 전자의 유무 |
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데이터 휘발성 여부 |
비 휘발성 |
휘발성 |
휘발성 |
비 휘발성 |
|
집적도 |
중간 |
높음 |
낮음 |
높음 |
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동작속도 |
빠름 |
빠름 |
가장 빠름 |
느림 (쓰기동작) |
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전력소모 |
적음 |
큼 (Refresh동작 필요) |
적음 |
적음 (읽기동작) |
|
데이터 액세스방법 |
랜덤 액세스 |
랜덤 액세스 |
랜덤 액세스 |
랜덤 액세스 불가능 |