랜덤 액세스 메모리

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1. 개요
2. 역사
3. 종류
- 3.1. 휘발성 메모리
- 3.2. 비휘발성 메모리
4. 원리
- 4.1. [[메모리 셀 (컴퓨팅)|메모리 셀]]
- 4.2. [[동적 램|DRAM]]의 동작 원리
5. Addressing
6. [[메모리 계층]]
7. Other uses of RAM
8. [[메모리 월]] (Memory wall)
참조

1. 개요

랜덤 액세스 메모리(RAM)는 컴퓨터의 주 메모리 기능을 담당하는 기억 장치로, 임의의 위치에 데이터를 읽고 쓸 수 있다. 초기에는 릴레이, 기계식 카운터, 지연선 메모리 등이 사용되었고, 1947년 윌리엄스 관의 발명으로 실용적인 형태의 RAM이 등장했다. 이후 자기 코어 메모리가 널리 사용되다가 반도체 메모리로 대체되었으며, 현재는 동적 램(DRAM)이 주 기억 장치로 사용된다. RAM은 휘발성 메모리(DRAM, SRAM)와 비휘발성 메모리(플래시 메모리, FeRAM, PRAM)로 구분되며, 메모리 셀, 주소 지정, 메모리 계층 등의 원리로 작동한다. CPU와 메모리 간의 속도 격차인 메모리 월(Memory wall)은 컴퓨터 성능의 병목 현상을 야기하며, 캐싱, 3D 집적 회로 등의 기술을 통해 해결하려 노력한다. 대한민국은 삼성전자와 SK하이닉스를 중심으로 DRAM 시장에서 높은 점유율을 차지하고 있으며, 정부는 시스템 반도체 산업 육성을 위해 기술 개발 및 인재 양성을 지원하고 있다.

2. 역사

랜덤 액세스 메모리(RAM)는 컴퓨터의 주 기억 장치로 사용되는 중요한 부품이다. 초기에는 전자계전기나 기계식 카운터, 지연선 등을 사용하여 메모리 기능을 구현했다.

1930년대 중반의 IBM 천공 카드는 정보를 저장하기 위해 기계식 카운터를 사용했다.

1947년 윌리엄스 관이 발명되면서 최초의 실용적인 RAM이 등장했다. 윌리엄스 관은 음극선관의 표면에 전하를 띤 점 형태로 데이터를 저장하여 임의 접근이 가능했다. 이후 자기 코어 메모리가 1947년에 발명되어 1970년대 중반까지 널리 사용되었다. 자기 코어 메모리는 자화된 링 배열을 이용하여 데이터를 저장했다.

CMOS 1-메가비트 (Mbit) DRAM 칩, 1989년 VEB Carl Zeiss Jena에서 개발한 마지막 모델 중 하나

1960년대에 반도체 메모리가 등장하면서 메모리 기술은 큰 발전을 이루었다. 초기에는 쌍극성 트랜지스터를 사용한 바이폴라 메모리가 개발되었고, 이후 금속 산화물 반도체(MOS) 메모리가 개발되면서 더욱 발전했다. 1968년 로버트 H. 데나드가 동적 램(DRAM)을 발명하여 메모리 밀도를 크게 향상시켰다.

1970년대 이후, MOS RAM은 지속적으로 발전하여 현재 컴퓨터의 주 기억 장치로 널리 사용되고 있다. 1998년에는 삼성이 최초의 상업용 DDR SDRAM 칩을 출시했다.^[24]

원래 "랜덤 액세스 메모리"는 임의의 주소에 접근하여 읽기나 쓰기 작업을 할 수 있는 메모리를 의미하며, 순차 액세스 메모리와 대비되는 개념이었다. 읽고 쓰기가 가능하다는 의미로는 RWM(Read Write Memory)이라는 표현이 있었지만, 실제로는 거의 사용되지 않는다.

21세기 현재, 컴퓨터의 주 기억 장치는 대부분 DRAM으로 구성되어 있다. SRAM은 용량당 단가가 비싸기 때문에 주 기억 장치로 사용되기 어렵다. 한편, 비휘발성 메모리가 DRAM을 대체할 가능성이 있어 연구 개발이 진행 중이다. 탄소 나노 튜브를 사용한 메모리^[85]나 터널 자기 저항 효과를 사용한 MRAM 등이 그 예이다.

2. 1. 초기 RAM

초기 컴퓨터는 주 메모리 기능을 위해 릴레이, 기계식 카운터^[6], 지연선 메모리 등을 사용했다. 지연선은 데이터를 기록된 순서대로만 재생할 수 있는 비트 직렬 장치였다.

1947년 윌리엄스 관이 발명되면서 최초의 실용적인 RAM(랜덤 액세스 메모리)이 등장했다. 윌리엄스관은 음극선관의 표면에 전하를 띤 점으로 데이터를 저장했다. CRT의 전자 빔이 튜브의 점을 임의의 순서로 읽고 쓸 수 있었기 때문에 메모리는 임의 접근 방식이었다.

1947년 자기 코어 메모리가 발명되어 1970년대 중반까지 개발되었다. 이것은 자화된 링 배열에 의존하는 램(RAM)의 널리 사용되는 형태가 되었다. 각 링의 자화 방향을 변경함으로써 링당 1비트의 데이터를 저장할 수 있었다.

2. 2. 반도체 메모리의 발전

1960년대에는 쌍극성 트랜지스터를 사용한 바이폴라 메모리가 등장했다. 1963년 페어차일드 반도체의 로버트 H. 노먼이 집적 바이폴라 정적 램(SRAM)을 발명했고,^[15] 1965년 IBM이 System/360 Model 95에 SP95 메모리 칩을 탑재하면서 SRAM의 상업적 사용이 시작되었다.^[39]

1968년 로버트 H. 데나드가 동적 램(DRAM)을 발명했다.^[16] 그는 MOS 기술의 특성을 조사하던 중, 커패시터를 구축하고 MOS 커패시터에 전하를 저장하거나 저장하지 않는 것으로 비트의 1과 0을 나타낼 수 있으며, MOS 트랜지스터로 커패시터에 전하를 쓰는 것을 제어할 수 있다는 것을 발견했다.^[16] 이는 단일 트랜지스터 DRAM 메모리 셀 개발로 이어졌고,^[16] 1967년 IBM에 특허를 출원했다.^[55]

1970년대 초, 집적 회로(IC)의 반도체 메모리가 자기 코어 메모리를 대체하며 컴퓨터 메모리의 표준이 되었다.^[57] 1970년에는 최초의 상업용 DRAM IC 칩인 인텔 1103이 출시되었다.^[57]^[60]^[19]

2. 3. MOS RAM

1960년대에 금속 산화물 반도체(MOS) 메모리가 개발되면서, 이전의 자기 코어 메모리보다 더 빠르고 저렴하며 전력 소비가 적은 메모리가 등장했다.^[57] 1963년 페어차일드 반도체의 로버트 H. 노먼은 집적 바이폴라 정적 램(SRAM)을 발명했다.^[15]

1966년, 로버트 데너드는 각 커패시터당 단일 MOS 트랜지스터를 사용하는 현대 DRAM 아키텍처를 발명했다.^[16] 그는 MOS 기술의 특성을 연구하던 중, 커패시터를 만들 수 있고, MOS 커패시터에 전하를 저장하거나 저장하지 않는 것으로 비트의 1과 0을 나타낼 수 있으며, MOS 트랜지스터로 커패시터에 전하를 쓰는 것을 제어할 수 있다는 것을 발견했다. 이는 단일 트랜지스터 DRAM 메모리 셀 개발로 이어졌다.^[16]

1970년, 최초의 상업용 DRAM IC 칩인 인텔 1103이 출시되었다.^[57]^[60]^[19] 이 칩은 8μm MOS 공정으로 반도체 제조 공정을 거쳐 제조되었으며, 1킬로비트 (kbit)의 용량을 가졌다.

1992년 삼성은 16메가비트 (Mbit) 용량의 KM48SL2000을 출시했고,^[22]^[23] 1993년에 대량 생산되었다.^[22] 1998년에는 삼성에서 최초의 상업용 DDR SDRAM (더블 데이터 레이트 SDRAM) 메모리 칩인 64 Mbit DDR SDRAM 칩을 출시하였다.^[24]

3. 종류

랜덤 액세스 메모리(RAM)는 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 나뉜다.

휘발성 메모리: 전원 공급이 중단되면 저장된 내용이 지워진다.
디램(DRAM): 데이터를 유지하기 위해 주기적인 재생(refresh)이 필요하다.
에스램(SRAM): 전원이 공급되는 동안 데이터가 유지되며, 재생이 필요 없다.

비휘발성 메모리: 전원이 꺼져도 저장된 내용이 유지된다.
플래시 메모리: 가격이 저렴하고 집적도가 높지만, 속도가 느리다.
에프램(FRAM): 디램과 유사하지만 데이터를 보존하므로 재생이 필요 없다.
피램(PRAM): 상변태 물질을 이용, 저항 차이로 데이터를 저장하며 디램보다 전력 소모가 적다.

차세대 비휘발성 메모리:
저항변화 메모리(ReRAM): 절연층의 필라멘트 형성에 따른 저항 변화를 이용해 데이터를 저장한다.
자기저항 메모리(MRAM): 스핀 방향에 따른 자기 저항 효과를 이용해 데이터를 저장한다.
유기저항 메모리(PoRAM): 전도성 유기 소재를 사용하며 집적도가 높고 빠르지만, 수분에 약하다.
나노플로팅게이트메모리(NFGM): 플로팅 게이트를 나노 크기의 점(dot)으로 만들어 정전 용량 변화로 데이터를 저장한다.

원래 '랜덤 액세스 메모리'는 임의의 주소에 대해 읽기나 쓰기를 할 때, 접근 방식에 따른 대기 시간 없이 바로 접근 가능한 메모리를 뜻했다. 이는 자기 테이프처럼 순차적으로 접근해야 하는 '순차 액세스 메모리'와 대비되는 개념이다. 읽고 쓰기가 가능하다는 의미는 원래 RAM에 포함되지 않았으며, RWM(Read-Write Memory)이라는 표현이 있지만, 실제로는 거의 사용되지 않는다.

3. 1. 휘발성 메모리

동적 램(DRAM, Dynamic Random Access Memory)은 데이터를 유지하기 위해 일정 시간마다 재생(refresh)해 주어야 하는 램이다.^[26] 정적 램(SRAM, Static Random Access Memory)은 전원이 공급되는 동안 데이터가 유지되는 램으로, 일정 시간마다 재생해 주지 않아도 된다.^[26] 정적 및 동적 RAM은 모두 전원이 시스템에서 제거되면 상태가 손실되거나 재설정되므로 ''휘발성''으로 간주된다.

SRAM에서 데이터 비트는 일반적으로 6개의 MOSFET을 사용하여 6개의 트랜지스터 메모리 셀 상태를 사용하여 저장된다. 이러한 형태의 RAM은 생산 비용이 더 많이 들지만 일반적으로 더 빠르고 DRAM보다 더 적은 동적 전력을 필요로 한다. 현대 컴퓨터에서 SRAM은 종종 CPU용 캐시 메모리로 사용된다.

DRAM은 트랜지스터와 축전기 쌍(일반적으로 MOSFET 및 MOS 축전기)을 사용하여 데이터 비트를 저장하며, 이들은 함께 DRAM 셀을 구성한다.^[26] 축전기는 높은 전하 또는 낮은 전하(각각 1 또는 0)를 유지하고, 트랜지스터는 칩의 제어 회로가 축전기의 전하 상태를 읽거나 변경할 수 있도록 하는 스위치 역할을 한다. 이 형태의 메모리는 정적 RAM보다 생산 비용이 저렴하므로 현대 컴퓨터에서 사용되는 주요 형태의 컴퓨터 메모리이다.

일반적으로 "RAM"이라는 용어는 솔리드 스테이트 메모리 장치(DRAM 또는 SRAM)만을 지칭하며, 더 구체적으로는 대부분의 컴퓨터의 주 메모리를 지칭한다.

정적 램(SRAM)
출시일	칩 이름	용량 (비트)	접근 시간	SRAM 유형	제조업체	공정	MOSFET
		1	'?'	바이폴라 (셀)	페어차일드 반도체(Fairchild)			^[39]
1965	'?'	8	'?'	바이폴라	IBM	'?'
	SP95	16	'?'	바이폴라	IBM	'?'		^[40]
	'?'	64	'?'	MOSFET	페어차일드(Fairchild)	'?'	PMOS	^[41]
1966	TMC3162	16	'?'	바이폴라 (TTL)	트랜지트론(Transitron)	'?'		^[57]
1966	'?'	'?'	'?'	MOSFET	NEC	'?'	'?'	^[56]
1968	'?'	64	'?'	MOSFET	페어차일드(Fairchild)	'?'	PMOS	^[56]
		144	'?'	MOSFET	NEC	'?'	NMOS
		512	'?'	MOSFET	IBM	'?'	NMOS	^[41]
1969	'?'	128	'?'	바이폴라	IBM	'?'		^[39]
1969	1101	256	850 ns	MOSFET	인텔(Intel)	12,000 nm	PMOS	^[63]^[42]^[43]^[44]
1972	2102	1 kbit	'?'	MOSFET	인텔(Intel)	'?'	NMOS	^[63]
1974	5101	1 kbit	800 ns	MOSFET	인텔(Intel)	'?'	CMOS	^[63]^[45]
1974	2102A	1 kbit	350 ns	MOSFET	인텔(Intel)	'?'	NMOS (공핍형)	^[63]^[46]
1975	2114	4 kbit	450 ns	MOSFET	인텔(Intel)	'?'	NMOS	^[63]^[45]
1976	2115	1 kbit	70 ns	MOSFET	인텔(Intel)	'?'	NMOS (HMOS)	^[63]^[42]
1976	2147	4 kbit	55 ns	MOSFET	인텔(Intel)	'?'	NMOS (HMOS)	^[63]^[47]
1977	'?'	4 kbit	'?'	MOSFET	도시바(Toshiba)	'?'	CMOS	^[42]
1978	HM6147	4 kbit	55 ns	MOSFET	히타치(Hitachi)	3,000 nm	CMOS (twin-well)	^[47]
1978	TMS4016	16 kbit	'?'	MOSFET	텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)	'?'	NMOS	^[42]
1980	'?'	16 kbit	'?'	MOSFET	히타치(Hitachi), 도시바(Toshiba)	'?'	CMOS	^[77]
1980	'?'	64 kbit	'?'	MOSFET	파나소닉(Matsushita)
1981	'?'	16 kbit	'?'	MOSFET	텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)	2,500 nm	NMOS	^[77]
	'?'	4 kbit	18 ns	MOSFET	마쓰시타(Matsushita), 도시바(Toshiba)	2,000 nm	CMOS	^[48]
1982	'?'	64 kbit	'?'	MOSFET	인텔(Intel)	1,500 nm	NMOS (HMOS)	^[77]
	'?'	64 kbit	50 ns	MOSFET	미쓰비시 전기(Mitsubishi)	'?'	CMOS	^[49]
1984	'?'	256 kbit	'?'	MOSFET	도시바(Toshiba)	1,200 nm	CMOS	^[77]^[43]
1987	'?'	1 Mbit	'?'	MOSFET	소니(Sony), 히타치(Hitachi), 미쓰비시 전기(Mitsubishi), 도시바(Toshiba)	'?'	CMOS	^[77]
	'?'	256 kbit	10 ns	BiMOS	텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)	800 nm	BiCMOS	^[50]
1990	'?'	4 Mbit	1523 ns	MOSFET	NEC, 도시바(Toshiba), 히타치(Hitachi), 미쓰비시(Mitsubishi)	'?'	CMOS	^[77]
1992	'?'	16 Mbit	1215 ns	MOSFET	후지쯔(Fujitsu), NEC	400 nm
	'?'	512 kbit	2.5 ns	MOSFET	IBM	'?'	CMOS (SOI)	^[51]
1995	'?'	4 Mbit	6 ns	캐시 (SyncBurst)	히타치(Hitachi)	100 nm	CMOS	^[78]
1995	'?'	256 Mbit	'?'	MOSFET	SK하이닉스(Hyundai)	'?'	CMOS	^[52]

동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM)
출시일	칩 이름	용량 (비트)	DRAM 유형	제조사	공정	MOSFET	면적
1965		1 비트	DRAM (셀)	도시바				^[53]^[54]
1967		1 비트	DRAM (셀)	IBM		MOS		^[55]^[56]
1968	'?'	256 비트	DRAM (IC)	페어차일드	'?'	PMOS	'?'	^[57]
1969		1 비트	DRAM (셀)	인텔		PMOS		^[56]
1970	1102	1 kbit	DRAM (IC)	인텔, 허니웰	'?'	PMOS	'?'	^[56]
1970	1103	1 kbit	DRAM	인텔	8,000 nm	PMOS	10 mm²	^[58]^[59]^[60]
1971	μPD403	1 kbit	DRAM	NEC	'?'	NMOS	'?'	^[61]
1971	'?'	2 kbit	DRAM	제너럴 인스트루먼트	'?'	PMOS	13 mm²	^[62]
1972	2107	4 kbit	DRAM	인텔	'?'	NMOS	'?'	^[63]^[64]
1973	'?'	8 kbit	DRAM	IBM	'?'	PMOS	19 mm²	^[62]
1975	2116	16 kbit	DRAM	인텔	'?'	NMOS	'?'	^[65]^[57]
1977	'?'	64 kbit	DRAM	NTT	'?'	NMOS	35 mm²	^[62]
1979	MK4816	16 kbit	PSRAM	모스텍	'?'	NMOS	'?'	^[66]
1979	'?'	64 kbit	DRAM	지멘스	'?'	VMOS	25 mm²	^[62]
1980	'?'	256 kbit	DRAM	NEC, NTT	1,0001,500 nm	NMOS	3442 mm²	^[62]
1981	'?'	288 kbit	DRAM	IBM	'?'	MOS	25 mm²	^[67]
1983	'?'	64 kbit	DRAM	인텔	1,500 nm	CMOS	20 mm²	^[62]
1983	'?'	256 kbit	DRAM	NTT	'?'	CMOS	31 mm²
	'?'	8 Mbit	DRAM	히타치	'?'	MOS	'?'	^[68]^[69]
rowspan="2" \|	'?'	1 Mbit	DRAM	히타치, NEC	1,000 nm	NMOS	7476 mm²	^[62]^[70]
NTT	'?'	1 Mbit	DRAM	800 nm	CMOS	53 mm²	^[62]^[70]
1984	TMS4161	64 kbit	DPRAM (VRAM)	텍사스 인스트루먼트	'?'	NMOS	'?'	^[71]^[72]
	μPD41264	256 kbit	DPRAM (VRAM)	NEC	'?'	NMOS	'?'	^[73]^[74]
	'?'	1 Mbit	PSRAM	도시바	'?'	CMOS	'?'	^[75]
1986	'?'	4 Mbit	DRAM	NEC	800 nm	NMOS	99 mm²	^[62]
1986	'?'	4 Mbit	DRAM	텍사스 인스트루먼트, 도시바	1,000 nm	CMOS	100137 mm²
1987	'?'	16 Mbit	DRAM	NTT	700 nm	CMOS	148 mm²	^[62]
	'?'	512 kbit	HSDRAM	IBM	1,000 nm	CMOS	78 mm²	^[76]
1991	'?'	64 Mbit	DRAM	마쓰시타, 미쓰비시, 후지쯔, 도시바	400 nm	CMOS	'?'	^[77]
1993	'?'	256 Mbit	DRAM	히타치, NEC	250 nm	CMOS	'?'
1995	'?'	4 Mbit	DPRAM (VRAM)	히타치	'?'	CMOS	'?'	^[78]
rowspan="2" \|	'?'	1 Gbit	DRAM	NEC	250 nm	CMOS	'?'	^[79]^[78]
히타치	'?'	1 Gbit	DRAM	160 nm	CMOS	'?'
1996	'?'	4 Mbit	FRAM	삼성전자	'?'	NMOS	'?'	^[80]
1997	'?'	4 Gbit	QLC	NEC	150 nm	CMOS	'?'	^[77]
1998	'?'	4 Gbit	DRAM	현대	'?'	CMOS	'?'	^[52]
	TC51W3216XB	32 Mbit	PSRAM	도시바	'?'	CMOS	'?'	^[81]
	'?'	4 Gbit	DRAM	삼성	100 nm	CMOS	'?'	^[77]^[82]

반도체 DRAM은 기억 데이터를 콘덴서(캐패시터)의 전하로 축적하고 있기 때문에, 일정 시간이 지나면 자연 방전으로 데이터가 사라진다. 따라서 정기적으로 정보를 읽어내고, 다시 쓰는 작업이 필요하다. 이 동작을 "리프레시"라고 하며, 기억을 유지하기 위해서는 1초에 수십 번의 빈도로 반복해서 리프레시를 수행해야 한다. 일반적으로 이러한 메모리를 동적 메모리라고 하며, 동적인 RAM이라는 의미로 DRAM이라고 불린다.^[83] DRAM은 어드레스를 지정한 후 데이터를 읽어내기까지의 시간이 SRAM보다 약간 늦지만, 기억부의 구조가 단순하기 때문에, 용량 당 비용이 낮다는 특징이 있다. 또한, 항상 리프레시를 수행하고 있기 때문에, 소비 전력이 크다. DRAM의 액세스 방식에 따라 다양한 종류의 제품이 시판되고 있다.

반도체 SRAM은 기억부에 플립플롭을 사용하고 있으며, 리프레시 동작이 필요 없다. 또한, DRAM보다 고속으로 동작시킬 수 있지만, 기억부의 회로가 복잡해지기 때문에, 용량 당 비용이 높다. 리프레시 동작이 필요 없기 때문에, 리프레시 동작에 의한 전력 소비가 없다.

의사 SRAM도 휘발성 메모리의 일종이다.

3. 2. 비휘발성 메모리

전원 공급이 끊어져도 기억된 내용은 지워지지 않는다.

'''플래시 메모리'''(Flash Memory): 값이 싸고 집적도가 높지만 느리다.
'''에프램'''(FRAM, Ferroelectric Random Access Memory): 디램과 비슷하지만 데이터를 유지하기 때문에 재생해 주지 않아도 된다.
'''피램'''(PRAM, Phase-change Random Access Memory): 상변태를 하는 물질을 이용하여 저항 차이로 데이터를 저장한다. 디램에 비하여 전력 소모가 매우 작은 장점이 있다.

'''차세대 비휘발성 메모리'''

'''저항변화 메모리'''(ReRAM, Resistive Random Access Memory): 전압을 가해줬을 때 절연체층의 필라멘트 형성으로 인한 저항 변화로 데이터를 저장한다.
'''자기저항 메모리'''(MRAM, Magnetoresistive Random Access Memory): 전압을 가해줬을 때 스핀의 방향에 따른 자기 저항 효과로 데이터를 저장한다.
'''유기저항 메모리'''(PoRAM, Polymer Random Access Memory): 전도성 저항 유기 소재를 이용하여 데이터를 저장한다. 집적도가 높고 빠른 동작 속도를 가지지만 수분에 약하다.
'''나노플로팅게이트메모리'''(NFGM, Nano Floating Gate Memory): 기존 플래시 메모리의 플로팅 게이트를 나노 크기의 dot으로 바꾼 메모리로, 플로팅 게이트에 저장되는 전자에 따른 정전 용량의 변화로 데이터를 저장한다.

4. 원리

컴퓨터 메모리의 기본 구성 요소는 메모리 셀이다. 메모리 셀은 1 비트의 이진 정보를 저장하는 전자 회로이며, 논리 1(높은 전압 레벨) 또는 논리 0(낮은 전압 레벨)을 저장한다. 메모리 셀의 값은 설정/재설정으로 변경될 때까지 유지되며, 읽어서 접근할 수 있다.^[26]

RAM은 크게 SRAM과 DRAM으로 나뉜다. SRAM은 FET를 사용한 플립플롭 회로 유형으로, 접근하지 않을 때 전력 소모가 매우 적지만, 비용이 비싸고 저장 밀도가 낮다. 반면 DRAM은 커패시터를 기반으로 하며, 커패시터 충전 및 방전을 통해 "1" 또는 "0"을 저장한다. DRAM은 커패시터 전하가 누설되므로 주기적인 재충전이 필요하여 SRAM보다 전력 소모가 크지만, 저장 밀도가 높고 단가가 낮다.

4. 1. [[메모리 셀 (컴퓨팅)|메모리 셀]]

컴퓨터 메모리의 기본 구성 요소는 메모리 셀이다. 메모리 셀은 1 비트의 이진 정보를 저장하는 전자 회로이며, 논리 1(높은 전압 레벨)을 저장하도록 설정되고 논리 0(낮은 전압 레벨)을 저장하도록 재설정된다. 메모리 셀의 값은 설정/재설정 과정에 의해 변경될 때까지 유지된다. 메모리 셀의 값은 읽어서 접근할 수 있다.^[26]

SRAM에서 메모리 셀은 FET를 사용하여 구현되는 플립플롭 회로의 한 유형이다. SRAM은 접근하지 않을 때 매우 낮은 전력을 필요로 하지만, 비용이 많이 들고 저장 밀도가 낮다.

DRAM은 커패시터를 기반으로 한다. 이 커패시터를 충전 및 방전하면 셀에 "1" 또는 "0"을 저장할 수 있다. 그러나 이 커패시터의 전하는 서서히 누설되므로 주기적으로 재충전해야 한다. 이러한 재충전 과정 때문에 DRAM은 더 많은 전력을 사용하지만, SRAM에 비해 더 높은 저장 밀도와 낮은 단가로 구성할 수 있다.

4. 2. [[동적 램|DRAM]]의 동작 원리

DRAM은 작은 축전기에 전하를 충전하거나 방전시켜 디지털 신호(1과 0)를 기억하는 반도체 소자이다. 축전기에 전하가 충전된 상태를 '1', 방전된 상태를 '0'이라고 한다. 충전된 전하는 시간이 지남에 따라 여러 경로를 통해 소실되므로, DRAM 소자는 기억된 데이터를 유지하기 위해 주기적으로 전하를 재충전시켜야 한다. 이를 메모리 리프레시(memory refresh)라고 한다.^[83]

DRAM은 콘덴서(캐패시터)에 전하를 축적하여 데이터를 저장하기 때문에, 일정 시간이 지나면 자연 방전으로 데이터가 사라진다. 따라서 정기적으로 정보를 읽어내고 다시 쓰는 작업, 즉 "리프레시"를 1초에 수십 번 반복해야 한다. 이러한 메모리를 동적 메모리, 즉 DRAM이라 부른다. DRAM은 SRAM보다 데이터를 읽는 데 시간이 조금 더 걸리지만, 구조가 단순하여 용량 당 비용이 저렴하고 소비 전력이 크다는 특징이 있다.

5. Addressing

RAM 장치는 메모리 셀을 선택하기 위해 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱 회로를 사용한다. 일반적으로 RAM 장치는 일련의 주소 라인 $A_0, A_1,...A_n$ 을 가지며, 이 라인에 적용될 수 있는 각 비트 조합에 대해 일련의 메모리 셀이 활성화된다. 이러한 주소 지정 방식 때문에 RAM 장치는 거의 항상 2의 거듭제곱인 메모리 용량을 갖는다.

일반적으로 여러 메모리 셀이 동일한 주소를 공유한다. 예를 들어, 4비트 "와이드" RAM 칩은 각 주소마다 4개의 메모리 셀을 갖는다. 메모리의 폭과 마이크로프로세서의 폭이 다른 경우가 많은데, 32비트 마이크로프로세서의 경우 4비트 RAM 칩 8개가 필요하다.

장치가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 주소가 필요한 경우가 많다. 이 경우, 장치에 외부 멀티플렉서를 사용하여 접근하려는 올바른 장치를 활성화한다. RAM은 종종 바이트 단위로 주소 지정이 가능하지만, 워드 단위로 주소 지정이 가능한 RAM을 만들 수도 있다.

6. [[메모리 계층]]

RAM은 데이터를 읽고 덮어쓸 수 있다. 많은 컴퓨터 시스템은 프로세서 레지스터, 온-다이 SRAM 캐시, 외부 캐시, DRAM, 페이징 시스템, 하드 드라이브의 가상 메모리 또는 스왑 공간으로 구성된 메모리 계층을 가지고 있다.^[83] 이 전체 메모리 풀은 많은 개발자들이 "RAM"이라고 부를 수 있지만, 다양한 하위 시스템은 RAM의 "임의 접근"이라는 용어 뒤에 있는 원래 개념을 위반하며 매우 다른 접근 시간을 가질 수 있다. DRAM과 같은 계층 수준 내에서도 구성 요소의 특정 행, 열, 뱅크, 랭크, 채널 또는 인터리빙 구성은 접근 시간을 가변적으로 만들지만, 회전하는 저장 매체 또는 테이프의 접근 시간이 가변적인 정도는 아니다. 메모리 계층을 사용하는 전체 목표는 전체 메모리 시스템의 총 비용을 최소화하면서 가능한 가장 빠른 평균 접근 시간을 얻는 것이다(일반적으로 메모리 계층은 상단에 빠른 CPU 레지스터가 있고 하단에 느린 하드 드라이브가 있는 접근 시간을 따른다).

7. Other uses of RAM

RAM은 운영 체제 및 응용 프로그램의 임시 저장 공간 및 작업 공간으로 사용되는 것 외에도 여러 가지 다른 용도로 사용된다.

7. 1. [[가상 메모리]]

대부분의 최신 운영 체제는 가상 메모리라는 RAM 용량을 확장하는 방법을 사용한다. 컴퓨터의 하드 드라이브 일부는 ''페이징 파일'' 또는 ''스크래치 파티션''으로 할당되며, 물리적 RAM과 페이징 파일의 조합이 시스템의 전체 메모리를 형성한다. (예를 들어, 컴퓨터에 2GB의 RAM과 1GB의 페이지 파일이 있는 경우, 운영 체제는 총 3GB의 메모리를 사용할 수 있다.) 시스템의 물리적 메모리가 부족해지면, 새로운 데이터를 위한 공간을 확보하고 이전에 스왑된 정보를 RAM으로 다시 읽어 들이기 위해 RAM의 일부를 페이징 파일로 스왑할 수 있다. 이 메커니즘을 과도하게 사용하면 스래싱이 발생하고 일반적으로 전체 시스템 성능이 저하되는데, 이는 주로 하드 드라이브가 RAM보다 훨씬 느리기 때문이다.

7. 2. [[RAM 디스크]]

소프트웨어는 컴퓨터의 RAM 일부를 "분할"하여 RAM 디스크라고 하는 훨씬 더 빠른 하드 드라이브처럼 작동하도록 할 수 있다. RAM 디스크는 컴퓨터가 종료될 때 저장된 데이터를 손실한다. 단, 메모리가 대기 배터리 소스를 갖도록 구성되어 있거나 RAM 디스크의 변경 사항이 비휘발성 디스크에 기록되는 경우는 예외이다. RAM 디스크는 초기화 시 물리적 디스크에서 다시 로드된다.^[1]

RAM 디스크라는 말은 두 가지 방식으로 사용된다. 둘 다 "논리적으로는 초고속 하드 디스크처럼 보인다"는 점은 공통적이다.^[2]

첫 번째 종류는 SCSI 등 인터페이스로 접근할 수 있으며, 외부에서는 하드 디스크처럼 보이지만 내부가 (D)RAM으로 구성되어 있는 장치로, 배터리 백업 등으로 기억을 유지할 수 있는 것도 많지만 그렇지 않은 것도 있다.^[2]
두 번째 종류는 운영 체제의 장치 드라이버로서, 사용자의 프로그램에서는 스토리지(블록 장치)처럼 보이지만, 실제로는 메인 메모리에 확보한 영역에 기록하는 방식으로, 당연히 셧다운하면 정보가 손실된다. 임시 파일 등의 저장 공간으로 사용될 것을 의도한다.^[2]

7. 3. Shadow RAM

상대적으로 느린 ROM 칩의 내용을 읽기/쓰기 메모리에 복사하여 접근 시간을 단축하는 경우가 종종 있다. ROM 칩은 비활성화되고 초기화된 메모리 위치가 동일한 주소 블록(대개 쓰기 방지)에서 전환된다. 이 과정을 "섀도잉"이라고 하며, 컴퓨터와 임베디드 시스템에서 모두 비교적 흔하게 사용된다.^[29]

일반적인 개인용 컴퓨터의 BIOS에는 "섀도 BIOS 사용" 또는 이와 유사한 옵션이 있는 경우가 많다. 이 옵션을 활성화하면 BIOS의 ROM에서 데이터를 사용하는 기능이 DRAM 위치를 대신 사용하게 된다. 대부분 비디오 카드 ROM 또는 기타 ROM 섹션의 섀도잉을 전환할 수도 있다. 시스템에 따라 성능이 향상되지 않을 수도 있고, 호환성 문제가 발생할 수도 있다. 예를 들어 섀도 RAM을 사용하면 일부 하드웨어를 운영 체제에서 접근할 수 없게 될 수 있다. 일부 시스템에서는 부팅 후 직접적인 하드웨어 접근을 위해 BIOS를 사용하지 않기 때문에 이점이 가상적일 수 있다. 섀도 ROM의 크기만큼 사용 가능한 메모리가 줄어든다.^[29]

8. [[메모리 월]] (Memory wall)

'''메모리 월'''(Memory wall)은 CPU와 CPU 칩 외부 메모리의 응답 시간(메모리 지연 시간) 간의 속도 격차가 커지는 현상이다. 1986년부터 2000년까지 CPU 속도는 연 55% 향상되었지만, 칩 외부 메모리 응답 시간은 10%만 향상되었다. 이러한 추세는 메모리 지연 시간이 컴퓨터 성능의 병목 현상이 될 것이라는 예측으로 이어졌다.^[30]

격차가 발생하는 주된 원인은 다음과 같다.

칩 간 통신 대역폭 제한: 칩 경계를 넘어서는 통신 대역폭은 제한적인데, 이는 '대역폭 월(bandwidth wall)'이라고도 한다.^[30]
메모리 크기 증가: 1980년대 PC 혁명 이후 메모리 크기가 크게 증가하면서, 신호가 더 큰 회로를 통과하는 시간이 길어져 메모리 응답 속도가 느려졌다. 1 클럭 사이클의 응답 시간을 가진 수 기가바이트의 메모리 유닛을 구성하는 것은 어렵거나 불가능하다.

오늘날 CPU는 메가바이트 단위의 0 대기 상태 캐시 메모리를 가지고 있지만, 이는 칩 간 통신의 대역폭 제한으로 인해 CPU 코어와 동일한 칩에 존재한다. 또한, 더 큰 메모리에 사용되는 동적 RAM보다 훨씬 비싼 정적 RAM으로 구성되어야 하며, 정적 RAM은 더 많은 전력을 소비한다.

CPU 속도 향상은 주요 물리적 장벽과 현재 CPU 설계가 어느 정도 메모리 월에 도달했기 때문에 크게 둔화되었다. 인텔은 2005년 문서에서 다음과 같은 원인을 제시했다.^[31]

> * 칩 지오메트리가 축소되고 클럭 주파수가 증가함에 따라 트랜지스터 누설 전류가 증가하여 과도한 전력 소비와 열이 발생한다.

> * 더 높은 클럭 속도의 장점은 메모리 접근 시간이 증가하는 클럭 주파수를 따라가지 못했기 때문에 부분적으로 상쇄된다.

> * 특정 애플리케이션의 경우, 전통적인 직렬 아키텍처는 프로세서가 빨라짐에 따라 덜 효율적이게 되고(폰 노이만 병목 현상), 주파수 증가가 제공할 수 있는 어떠한 이점도 더욱 약화시킨다.

> * 고체 장치 내에서 인덕턴스를 생성하는 수단의 제한으로 인해, 저항-커패시턴스(RC) 지연은 기능 크기가 축소됨에 따라 증가하여 주파수 증가가 해결하지 못하는 추가적인 병목 현상을 초래한다.

프로세서-메모리 성능 격차는 2D 칩에서 멀리 떨어져 있는 로직 및 메모리 간 거리를 줄이는 3D 집적 회로를 통해 해결할 수 있다.^[33] 이 격차를 메우는 주요 방법은 캐시를 사용하는 것이다.^[35] 캐시는 프로세서 근처에 있는 최근 작업 및 명령을 저장하는 소량의 고속 메모리로, 해당 작업 또는 명령이 자주 호출되는 경우 실행 속도를 높인다. 여러 수준의 캐싱이 격차 확대를 해결하기 위해 개발되었으며, 고속 현대 컴퓨터의 성능은 진화하는 캐싱 기술에 의존한다.^[35] 프로세서 속도 증가와 주 메모리 접근 속도 지연 사이에는 최대 53%의 차이가 있을 수 있다.^[36]

솔리드 스테이트 하드 드라이브(SSD)는 2012년 SATA3를 통해 ~400 Mbit/s에서 2024년 NVMe/PCIe를 통해 ~7 GB/s로 속도가 계속 증가하여 RAM과 하드 디스크 속도 격차를 좁혔지만, RAM은 여전히 한 자릿수 더 빠르다.^[37] 빠르고 저렴한 비휘발성 SSD는 서버 팜에서 즉시 사용 가능하도록 특정 데이터를 보관하는 것과 같이 RAM이 이전에 수행했던 일부 기능을 대체했다.^[37]

참조

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