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플래시 메모리

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목차

1. 개요

플래시 메모리는 정보를 저장하는 데 사용되는 전자식 비휘발성 컴퓨터 저장 장치 유형이다. 플로팅 게이트 트랜지스터를 사용하여 정보를 저장하며, 셀당 여러 비트를 저장하는 멀티 레벨 셀(MLC) 기술을 통해 용량을 늘릴 수 있다. 플래시 메모리는 NOR 플래시와 NAND 플래시의 두 가지 주요 유형으로 나뉘며, NOR은 코드 실행에, NAND는 데이터 저장에 주로 사용된다. V-NAND는 메모리 셀을 수직으로 쌓아올린 3D 구조로, 더 높은 비트 밀도를 제공한다. 플래시 메모리는 블록 단위 소거, 쓰기 횟수 제한, 데이터 보존 기간 등의 한계를 갖지만, 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)와 같은 저장 장치, 펌웨어 저장, 직렬 플래시, 그리고 메모리 카드 등 다양한 분야에서 활용된다. 2023년 2분기 기준, 삼성전자가 플래시 메모리 시장에서 가장 큰 점유율을 차지하고 있다.

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플래시 메모리
개요
플래시 메모리 셀의 다이어그램
플래시 메모리 셀의 다이어그램
종류EEPROM
발명자마스오카 후지오
발명 연도1980년
첫 상용화1988년
밀도최대 200+ GB/칩 (2019년)
셀 당 비트 수1–4
상세 정보
종류비휘발성 기억 장치
쓰기 주기10,000 – 1,000,000 회
데이터 보존10 년
접근 방식블록 접근
어원순식간에 (flash) 데이터가 지워지는 모습에서 유래
기술적 특징
구조부동 게이트 트랜지스터
동작 원리전기적 소거 및 재프로그래밍 가능
터널링 효과 이용
장점비휘발성
높은 저장 밀도
낮은 전력 소비
내구성
단점제한된 쓰기/지우기 주기
블록 단위 접근
쓰기 속도 (HDD 대비 빠르지만 DRAM 대비 느림)
종류별 특징
NOR 플래시빠른 읽기 속도
임의 접근 가능
높은 가격
코드 저장에 적합
NAND 플래시높은 저장 밀도
낮은 가격
순차 접근에 최적화
데이터 저장에 적합
활용 분야
저장 장치USB 플래시 드라이브
SSD (솔리드 스테이트 드라이브)
메모리 카드 (SD 카드, MicroSD 카드 등)
임베디드 시스템BIOS
펌웨어
휴대 전화
디지털 카메라
기타MP3 플레이어
게임기
관련 기술
인터페이스USB
SATA
PCIe
UFS (Universal Flash Storage)
파일 시스템FAT32
exFAT
NTFS
F2FS
오류 정정ECC (오류 정정 부호)
주요 제조사
제조사삼성전자
SK하이닉스
마이크론 테크놀로지
키오시아 (구 도시바 메모리)
웨스턴 디지털
기타
주의 사항플래시 메모리는 쓰기/지우기 횟수 제한으로 인해 수명이 제한적임.

2. 동작 원리

플래시 메모리는 일본 기업 도시바가 개발한 비휘발성 메모리로, 전력 없이도 정보를 유지한다. 읽기 속도가 빠르고 충격에 강해, 배터리로 작동하는 장치에서 저장 장치로 널리 쓰인다. 또한, 강한 압력이나 끓는 물에도 견딜 만큼 물리적 내구성이 뛰어나다.[61]

플래시 메모리는 기본적으로 '셀'이라 불리는 플로팅 게이트 트랜지스터(floating gate transistors) 배열에 정보를 저장한다. 각 셀은 제어 게이트(CG)와 플로팅 게이트(FG) 두 개의 게이트로 구성된다. FG는 산화물 층으로 절연되어 있어 전자를 가두어 정보를 저장한다. CG에 특정 전압을 가하면 FG에 있는 전자의 수에 따라 셀의 문턱 전압(Vt)이 변하고, 이에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않아 0과 1의 정보를 나타낸다. 최근에는 하나의 셀에 1비트 이상을 저장하는 MLC(Multi Level Cell) 기술이 적용되어 저장 용량이 더욱 향상되었다.

플래시 메모리를 프로그래밍(쓰기)할 때는 셀의 정보를 0으로 바꾼다. NOR 플래시의 경우 EPROM처럼 hot-electron injection 방식을 사용하는데, CG에 높은 전압을 가하면 FG에 전자가 유입되어 셀의 상태가 0이 된다. 반대로, 지우기(erase) 과정은 모든 셀을 1로 초기화하는 것으로, CG와 소스 사이에 강한 전압차를 주어 파울러-노드하임 터널링을 통해 FG의 전자를 제거한다. 제어 게이트에서 플로팅 게이트로 전자를 이동시키는 과정을 파울러-노드하임 터널링이라고 하며, 이는 MOSFET의 문턱 전압을 증가시켜 셀의 특성을 근본적으로 변화시킨다. 이는 주어진 게이트 전압에 대해 트랜지스터를 통해 흐르는 드레인-소스 전류를 변화시키며, 궁극적으로 이진 값을 인코딩하는 데 사용된다. 파울러-노드하임 터널링 효과는 가역적이므로 플로팅 게이트에 전자를 추가하거나 제거할 수 있으며, 이는 전통적으로 쓰기 및 지우기라고 알려진 과정이다.

NAND 플래시는 쓰기 작업에는 터널 주입을, 지우기 작업에는 터널 릴리즈를 사용한다.

최근 플래시 칩은 단일 공급 전압을 사용하며, 내부 전하 펌프를 통해 필요한 고전압을 생성한다. 하지만 전하 펌프에서 에너지 손실이 발생하기 때문에, 저전력 SSD 개발을 위해 외부 승압 컨버터를 사용하는 방식이 연구되고 있다.[62][63][64][65][66][67][68][69]

2. 1. NOR 플래시와 NAND 플래시

플래시 메모리는 전통적으로 셀이라 불리는 플로팅 게이트 트랜지스터(floating gate transistors)로 구성된 배열 안에 정보를 저장한다. 요즘 등장하는 플래시 메모리는 하나의 셀에 존재하는 플로팅 게이트에 두 단계보다 높은 전하를 저장하여 셀 하나에 1비트 이상을 저장할 수 있기에 MLC(Multi Level Cell) 장치라고 일컫는다.[62][63][64][65][66][67][68][69]

실리콘 상의 NOR 플래시 메모리 배선 및 구조


NOR 플래시는 각 셀이 한쪽 끝은 직접 접지에 연결되고 다른 쪽 끝은 비트 라인에 직접 연결되는 구조를 가진다. 이러한 배열은 "NOR 플래시"라고 불리는데, 워드 라인 중 하나가 하이로 설정될 때 해당 저장 트랜지스터가 출력 비트 라인을 낮게 유지하는 역할을 하기 때문에 NOR 게이트처럼 작동하기 때문이다. NOR 플래시는 낮은 읽기 지연 시간 덕분에 단일 메모리 제품에서 직접 코드 실행과 데이터 저장 모두를 가능하게 한다.[71]

NOR 메모리 셀 프로그래밍(논리 0으로 설정), 열전자 주입을 통해


NOR 메모리 셀 지우기 (논리 1로 설정), 양자 터널링을 통해


단일 레벨 NOR 플래시 셀은 기본 상태에서 논리적으로 이진 "1" 값과 동일하다. 적절한 전압을 제어 게이트에 가하면 채널을 통해 전류가 흐르고 비트라인 전압이 낮아진다. NOR 플래시 셀은 다음과 같은 절차를 통해 프로그래밍하거나 이진 "0" 값으로 설정할 수 있다.

  • 상승된 온-전압(일반적으로 5V 이상)이 CG에 인가된다.
  • 채널이 켜져서 소스에서 드레인으로 전자가 흐를 수 있다(NMOS 트랜지스터 가정).
  • 소스-드레인 전류가 충분히 높아 절연층을 통해 FG로 고에너지 전자가 점프하게 된다. 이는 열전자 주입이라는 과정을 통해 이루어진다.


NOR 플래시 셀을 지우려면("1" 상태로 재설정하려면), CG와 소스 단자 사이에 ''반대 극성''의 큰 전압을 가하여 파울러-노드하임 터널링(FN 터널링)을 통해 FG에서 전자를 제거한다.[72] 최신 NOR 플래시 메모리 칩은 지우기 세그먼트(종종 블록 또는 섹터라고 함)로 나뉘며, 지우기 작업은 블록 단위로만 수행할 수 있다.[75] 그러나 NOR 셀의 프로그래밍은 일반적으로 한 번에 한 바이트 또는 한 워드씩 수행할 수 있다.

NAND 플래시 메모리 배선 및 실리콘 구조


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.

플래시 메모리의 주요 종류는 NAND형 플래시 메모리와 NOR형 플래시 메모리의 2가지이다.

2. 2. V-NAND (Vertical NAND)

V-NAND(Vertical NAND) 메모리는 메모리 셀들을 수직으로 쌓아올리며 차지 트랩 플래시 아키텍처를 사용한다. 이 수직 층들은 개개의 작은 셀들의 필요 없이 더 큰 면적의 비트 밀도를 가능케 한다.[281]

차지 트랩 플래시(CTF) 기술은 위쪽에 블로킹 게이트 산화막과 아래쪽에 터널링 산화막 사이에 끼워져 있는 폴리실리콘 플로팅 게이트를 전기 절연성 질화 실리콘 층으로 대체하는데, 이 질화 실리콘 층이 전자를 가둔다. 이론적으로 CTF는 전자 누출에 덜 취약하여 데이터 보존 능력이 향상된다.[37][38][39][40][41][42]

CTF는 폴리실리콘을 전기 절연성 질화물로 대체하기 때문에 더 작은 셀과 더 높은 내구성(저하 또는 마모 감소)을 가능하게 한다. 그러나 전자가 질화물에 갇혀 축적될 수 있으며, 이는 성능 저하로 이어진다. 전자는 온도가 높아짐에 따라 더 활성화되므로, 높은 온도에서 누출이 악화된다. 하지만 CTF 기술은 여전히 터널링 산화막과 블로킹 층을 사용하는데, 이는 일반적인 방식으로 손상될 수 있으므로 기술의 약점이다(터널 산화막은 매우 높은 전기장에 의해, 블로킹 층은 양극 핫 홀 주입(AHHI)으로 인해 손상될 수 있다).[43][44]

산화막의 저하나 마모는 플래시 메모리의 내구성이 제한적인 이유이며, 산화막이 열화됨에 따라 전기 절연 특성을 잃기 때문에 데이터 보존이 감소한다(데이터 손실 가능성 증가). 산화막은 데이터 손실을 유발하는 전자의 누출을 방지하기 위해 전자에 대한 절연을 제공해야 한다.

3D V-NAND(수직 NAND) 기술은 3D 전하 트랩 플래시(CTP) 기술을 사용하여 칩 내에서 NAND 플래시 메모리 셀을 수직으로 쌓는다. 3D V-NAND 기술은 2007년 도시바에 의해 처음 발표되었으며,[79] 24개 층을 가진 첫 번째 장치는 2013년 삼성전자에 의해 처음 상용화되었다.[80][81]

3. 역사

플래시 메모리는 1984년 도시바의 마스오카 후지오 박사가 발명했다.[10] '플래시'라는 이름은 마스오카 박사의 동료 아리스미 쇼자가 제안했는데, 메모리 내용이 지워지는 과정이 카메라 플래시를 연상시켰기 때문이다.[26] 마스오카는 이 발명을 캘리포니아주 새너제이에서 열린 IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM)에서 발표했다. 인텔은 1988년 최초의 상업용 NOR 플래시 메모리를 출시했다.[31]

NOR 플래시는 긴 지우기/쓰기 시간을 갖지만 임의 접근이 가능한 주소/데이터 인터페이스를 제공하여 바이오스나 셋톱 박스 펌웨어 저장에 적합하다. 콤팩트 플래시에 처음 사용되었으나 이후 NAND 플래시로 대체되었다.

1989년 ISSCC에서 도시바가 발표한[29] NAND 플래시는 NOR보다 빠르고 집적도가 높으며 비트당 제작비가 낮고 내구성이 좋다. 그러나 순차 접근만 지원하여 컴퓨터 메모리로는 덜 유용하지만, 메모리 카드, SSD 등 대용량 저장 장치에 적합하다. 스마트미디어를 시작으로 MMC, 시큐어 디지털(Secure Digital), 메모리 스틱, xD-Picture 카드 등이 NAND 기반으로 출시되었다. RS-MMC, TransFlash, miniSD 등 더 작은 포맷도 등장했다.

플래시 메모리는 플로팅 게이트 MOSFET 개발에서 비롯되었다.[10][11] 1967년 강대원은 사이먼 민 스와 함께 플로팅 게이트 MOSFET를 개발, 비휘발성 PROM으로 사용을 제안했다.[18] 1970년대 EPROM, EEPROM이 개발되었으나,[18] 초기 플로팅 게이트 메모리는 다루기 어렵고,[19] 느리고,[20] 비싸서 군사 장비, 초기 휴대폰 등에 제한적으로 사용되었다.[10]

1974년 Bernward는 전계 방출 기반 EEPROM을 발명, 지멘스 특허를 받았다.[21] 이후 엘리 하라리, 조지 페르레고스 등이 개발했다.[22][23] 1980년 도시바에서 마스오카의 플래시 메모리 발명으로 이어졌다.[19][24][25] 플래시는 블록 단위, EEPROM은 바이트 단위 프로그래밍이 특징이다.

도시바는 1987년 NAND 플래시 메모리를 상용화했다.[30][18] 2000년대 후반~2010년대 초반, NAND는 여러 기술 발전으로 높은 트랜지스터 밀도를 달성했다.[34] 2005년까지 NOR가 주류였으나 NAND가 추월했다.[35]

MLC 기술은 셀당 1비트 이상을 저장한다. 1998년 NEC는 셀당 2비트 저장 80Mb 칩, 2000년 ST마이크로일렉트로닉스는 64MB NOR 플래시 칩으로 MLC를 시연했다.[36][225] 2009년 도시바, 샌디스크는 64Gbit QLC NAND 칩을 출시했다.[238][239] 삼성전자는 TLC 기술을 도입, 2010년 대량 생산했다.[220]

3D IC는 IC 칩을 수직 적층한다.[34] 2007년 도시바는 16GB eMMC NAND (8개 2GB 칩 적층),[235] SK 하이닉스는 24층 3D IC 16GB 플래시를 출시했다.[236] 2008년 도시바는 32GB (8층),[237] 2010년 128GB (16층) 3D IC를 사용했다.[241] 2010년대 3D IC는 모바일 장치 NAND에 널리 사용된다.[34]

2016년 마이크론, 인텔은 제어 회로 배치 기술을 도입했다.[49] 2017년 최대 400GB microSD, 삼성전자는 512GB (3D IC, 3D V-NAND, TLC 결합),[7] 2019년 1024GB (QLC, 96층 V-NAND) 플래시를 제조했다.[247][248]

플래시 메모리 셀

3. 1. 배경

1984년 도시바의 마스오카 후지오 박사가 플래시 메모리를 발명했다. 도시바에 따르면, '플래시'라는 이름은 마스오카 박사의 동료인 아리스미 쇼자가 제안했는데, 메모리 내용이 지워지는 과정이 카메라 플래시를 연상시켰기 때문이다.[10] 마스오카 박사는 이 발명을 캘리포니아주 새너제이에서 열린 IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM)에서 발표했다. 인텔은 이 발명의 잠재력을 보고 1988년 최초의 상업용 NOR 타입 플래시 메모리를 소개했다.

NOR 기반 플래시는 지우기와 쓰기 시간이 길지만, 임의 접근이 가능한 주소/자료 인터페이스를 제공한다. 이는 컴퓨터 바이오스나 셋톱 박스의 펌웨어처럼 자주 업데이트되지 않는 프로그램 코드를 저장하는 데 적합하다. NOR 기반 플래시는 콤팩트 플래시에 처음 사용되며 초기 이동형 매체의 기반이 되었으나, 이후 더 저렴한 NAND 플래시가 사용되기 시작했다.

NAND 플래시는 1989년 도시바가 ISSCC에서 발표했다. NAND 플래시는 NOR 플래시보다 지우기 및 쓰기 속도가 빠르고, 집적도가 높으며, 비트당 제작비가 낮고, 내구성이 10배 더 뛰어나다. 그러나 입출력 인터페이스는 순차 접근만 지원한다. 최초의 NAND 기반 이동형 미디어 포맷은 스마트 미디어였으며, MMC, 시큐어 디지털(Secure Digital), 메모리 스틱, XD-Picture 카드 등에도 사용되었다.

플래시 메모리의 기원은 플로팅 게이트 MOSFET(FGMOS), 즉 플로팅 게이트 트랜지스터의 개발에서 비롯되었다.[10][11] 1955년에서 1960년 사이 벨 연구소에서 최초의 MOSFET가 발명되었으며, 1967년 벨 연구소의 강대원은 사이먼 민 스(Simon Min Sze)와 함께 플로팅 게이트 MOSFET의 변형을 개발했다.[18] 이들은 이 기술이 비휘발성이면서 재프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리(PROM) 형태의 플로팅 게이트 메모리 셀(memory cell)로 사용될 수 있다고 제안했다.[18]

1970년대에는 EPROM(지울 수 있는 PROM)과 EEPROM(전기적으로 지울 수 있는 PROM)과 같은 초기 플로팅 게이트 메모리 유형이 있었다.[18] 그러나 초기 플로팅 게이트 메모리는 각 비트 데이터 저장을 위해 엔지니어가 메모리 셀을 구축해야 했고, 이는 다루기 어렵고,[19] 느리며,[20] 비용이 많이 들어 1970년대에는 군사 장비 및 초기 실험적 휴대폰과 같은 틈새 응용 분야로 제한되었다.[10]

3. 2. 발명 및 상용화

1984년 도시바의 마스오카 후지오 박사가 플래시 메모리를 발명했다. 도시바에 따르면, '플래시'라는 이름은 마스오카 박사의 동료인 아리스미 쇼자가 제안했는데, 메모리 내용이 지워지는 과정이 카메라의 플래시를 연상시켰기 때문이다.[26] 마스오카 박사는 이 발명을 캘리포니아 새너제이에서 열렸던 IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM)에서 발표하였다.[27][28] 인텔은 1988년 최초의 상업용 NOR 타입 플래시 메모리를 소개하였다.[31]

1989년 도시바는 ISSCC에서 NAND 플래시를 발표했다. NAND 플래시는 NOR 플래시에 비해 지우기와 쓰기 시간이 빠르고 집적도가 높으며 비트당 제작비가 낮고 10배의 내구성을 가진다. 그러나 입출력 인터페이스는 자료에 대한 순차 접근만을 지원한다. 최초의 NAND 기반 이동형 미디어 포맷은 스마트미디어였지만, MMC, 시큐어 디지털(Secure Digital), 메모리 스틱, XD-Picture 카드 등에서도 사용되고 있다.

도시바는 1987년에 NAND 플래시 메모리를 상업적으로 출시했다.[30][18]

3. 3. 발전 과정

1984년 당시 도시바에서 근무하던 마스오카 후지오 박사가 플래시 메모리를 발명했다. 도시바에 따르면, '플래시'라는 이름은 마스오카 박사의 동료인 아리스미 쇼자가 제안했는데, 메모리 내용이 지워지는 과정이 카메라 플래시를 연상시켰기 때문이다.[26] 마스오카 박사는 이 발명을 캘리포니아 새너제이에서 열렸던 IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM)에서 발표했다. 인텔은 이 발명의 잠재력을 보고 1988년 최초의 상업용 NOR 타입 플래시 메모리를 소개했다.[31]

NOR 기반 플래시는 지우기와 쓰기 시간이 길지만 임의 접근이 가능한 주소/자료 인터페이스를 제공한다. 이는 컴퓨터 바이오스나 셋톱 박스의 펌웨어처럼 자주 업데이트되지 않는 프로그램 코드를 저장하는 데 적합하다. NOR 기반 플래시는 초기 이동형 매체의 기반이 되었으며, 콤팩트플래시에서 처음 사용되었으나 나중에 더 저렴한 NAND 플래시가 사용되기 시작했다.

1989년 ISSCC에서 도시바가 발표한[29] NAND 플래시는 NOR 플래시에 비해 지우기와 쓰기 시간이 빠르고 집적도가 높으며 비트당 제작비가 낮고 내구성이 10배 더 좋다. 그러나 입출력 인터페이스는 순차 접근만 지원한다. 이는 컴퓨터 메모리로는 덜 유용하지만, 메모리 카드와 SSD 같은 대용량 저장 장치에 적합하다. 첫 NAND 기반 이동형 미디어 포맷은 스마트미디어였지만, MMC, 시큐어 디지털(Secure Digital), 메모리 스틱, xD-Picture 카드 등에서도 사용되고 있다. RS-MMC, TransFlash, miniSD 등이 다음 세대 저장 매체로 등장하고 있으며, 크기가 매우 작다.

플래시 메모리의 기원은 플로팅 게이트 MOSFET 개발에서 비롯되었다.[10][11] 1967년 벨 연구소에서 강대원은 사이먼 민 스와 함께 플로팅 게이트 MOSFET를 개발하여 비휘발성 PROM로 사용할 수 있다고 제안했다.[18] 1970년대에는 EPROM과 EEPROM이 개발되었으나,[18] 초기 플로팅 게이트 메모리는 다루기 어렵고,[19] 느리고,[20] 비용이 많이 들어 군사 장비 및 초기 휴대폰과 같은 틈새 응용 분야로 제한되었다.[10]

전계 방출 기반 EEPROM은 1974년 Bernward에 의해 발명되어 지멘스에 특허를 받았다.[21] 이후 엘리 하라리와 조지 페르레고스 등에 의해 추가 개발되었다.[22][23] 이는 1980년 도시바에서 마스오카의 플래시 메모리 발명으로 이어졌다.[19][24][25] 플래시는 블록 단위로 프로그래밍되는 반면 EEPROM은 바이트 단위로 프로그래밍된다는 개선점이 있었다. 마스오카와 동료들은 1984년에 NOR 플래시를,[27][28] 1987년에는 NAND 플래시를 발표했다.[29]

도시바는 1987년에 NAND 플래시 메모리를 상업적으로 출시했다.[30][18]

NAND 플래시는 2000년대 후반에서 2010년대 초반에 상용화된 여러 주요 기술의 결과로 상당한 수준의 트랜지스터 밀도를 달성했다.[34] 2005년까지 NOR 플래시는 가장 많이 판매된 플래시 메모리 유형이었으나, NAND 플래시가 판매량에서 NOR 플래시를 넘어섰다.[35]

MLC 기술은 각 메모리 셀에 1개 이상의 비트를 저장한다. NEC는 1998년에 셀당 2비트를 저장하는 80Mb 플래시 메모리 칩으로 MLC 기술을 시연했다.[36] ST마이크로일렉트로닉스도 2000년에 64MB NOR 플래시 메모리 칩으로 MLC를 시연했다.[225] 2009년, 도시바와 샌디스크는 셀당 4비트를 저장하고 64Gbit의 용량을 가진 QLC 기술의 NAND 플래시 칩을 출시했다.[238][239] 삼성전자는 셀당 3비트를 저장하는 TLC 기술을 도입했으며, 2010년에 TLC 기술이 적용된 NAND 칩의 대량 생산을 시작했다.[220]

3D IC 기술은 IC 칩을 수직으로 쌓아 단일 3D IC 패키지로 만든다.[34] 도시바는 2007년 4월에 16GB eMMC 호환 임베디드 NAND 플래시 메모리 패키지를 출시하면서 3D IC 기술을 NAND 플래시에 도입했는데, 이 패키지는 2GB NAND 플래시 칩 8개를 적층하여 제조되었다.[235] 2007년 9월, SK 하이닉스는 24개의 NAND 플래시 칩을 적층하여 제조된 16GB 플래시 메모리 패키지로 24층 3D IC 기술을 도입했다.[236] 도시바는 또한 32GB THGBM 플래시 패키지와 2008년에 8층 3D IC를 사용했다.[237] 2010년, 도시바는 16개의 8GB 칩을 적층하여 제조된 128GB THGBM2 플래시 패키지에 16층 3D IC를 사용했다.[241] 2010년대에 3D IC는 모바일 장치의 NAND 플래시에 널리 상업적으로 사용되기 시작했다.[34]

2016년, 마이크론과 인텔은 플래시 메모리의 제어 회로를 플래시 메모리 셀 어레이 아래 또는 위에 배치하는 기술을 도입했다.[49]

2017년 8월 현재, 최대 400 GB 용량의 microSD 카드를 사용할 수 있다.[54][55] 같은 해, 삼성전자는 3D IC 칩 적층 기술과 3D V-NAND 및 TLC 기술을 결합하여 512GB KLUFG8R1EM 플래시 메모리 패키지를 제조했다.[7] 2019년, 삼성전자는 QLC 기술을 사용하여 1024GB 플래시 패키지를 생산했다.[247][248]

4. 종류

플래시 메모리는 종류가 다양하며, 그중 전하 트랩 플래시(CTF) 기술이 주목받고 있다.

Charge trap flash(CTF)는 플로팅 게이트 대신 절연성 질화 실리콘 층을 사용하여 전자를 가두는 기술이다. 이론적으로 전자 누출이 적어 데이터 보존 능력이 우수하다.[37][38][39][40][41][42] 1991년 NEC 연구진이 전하 트랩 방식 플래시 메모리를 제안했고,[45] 1998년 Saifun Semiconductors(이후 Spansion에 인수)의 보아즈 에이탄이 NROM 기술 특허를 획득했다.[46] 2000년 Advanced Micro Devices(AMD) 연구팀이 NOR 플래시 메모리 셀에 전하 트랩 메커니즘을 시연,[47] 2002년 AMD와 후지쯔가 상용화했다.[48]

3D V-NAND(수직 NAND)는 3D 전하 트랩 플래시(CTP) 기술을 통해 NAND 플래시 메모리 셀을 칩 내부에 수직으로 쌓는다. 2007년 도시바가 처음 발표했고,[79] 2013년 삼성전자가 24층 3D V-NAND를 상용화했다.[80][81]

플래시 칩은 일반적으로 높은 프로그래밍 및 소거 전압을 필요로 하지만, 최근에는 온칩 전하 펌프를 통해 고전압을 생성하여 단일 공급 전압만으로 작동한다. 다만, 1.8V-NAND 플래시 칩의 경우 전하 펌프에서 에너지 손실이 크다. 승압 컨버터가 전하 펌프보다 효율적이므로, 저전력 SSD 개발을 위해 초기 플래시 칩처럼 듀얼 Vcc/Vpp 공급 전압을 사용하고, SSD 내 모든 플래시 칩의 높은 Vpp 전압을 외부 승압 컨버터로 구동하는 방식이 제안되기도 한다.[62][63][64][65][66][67][68][69]

4. 1. 연결 방식에 따른 분류

NOR 플래시는 각 셀의 한쪽 끝이 직접 접지에 연결되고 다른 쪽 끝은 비트 라인에 직접 연결되는 구조를 가진다. 이러한 배열은 NOR 게이트처럼 작동하기 때문에 "NOR 플래시"라고 불린다. 즉, 워드 라인(셀의 제어 게이트에 연결됨) 중 하나가 '높음' 상태가 되면, 해당 저장 트랜지스터가 출력 비트 라인을 '낮음' 상태로 유지한다. NOR 플래시는 별도의 비휘발성 메모리 장치가 필요한 임베디드 응용 분야에서 주로 사용되는 기술이다. NOR 장치는 읽기 지연 시간이 짧아 단일 메모리 제품에서 코드 실행과 데이터 저장을 모두 처리할 수 있다.[71]

4. 2. 셀당 저장 비트 수에 따른 분류

플래시 메모리는 셀이라고 불리는 플로팅 게이트 트랜지스터(floating gate transistors) 배열에 정보를 저장한다. 전통적으로 각 셀은 1비트의 정보를 저장했지만(SLC, Single Level Cell), 최근에는 하나의 셀에 여러 비트를 저장하는 기술(MLC, Multi Level Cell)이 발전했다.

종류설명비고
SLC (Single Level Cell)셀 하나에 1비트를 저장. 셀 트랜지스터의 임계 전압은 2단계(소거 1단계, 쓰기 1단계)속도가 빠르고 재기록 가능 횟수가 많으며 데이터 보존 기간이 길다(5~10년). 축적 전하량 검출을 "Hi/Low"의 2값으로 판단하므로, 약간의 전하량 불균일성은 문제가 되지 않는다.[257]
MLC (Multi Level Cell)셀 하나에 2비트를 저장. 셀 트랜지스터의 임계 전압은 4단계(소거 1단계, 쓰기 3단계)NEC는 1998년에 셀당 2비트를 저장하는 80Mb 플래시 메모리 칩으로 MLC 기술을 시연했다.[36] ST마이크로일렉트로닉스도 2000년에 64MB NOR 플래시 메모리 칩으로 MLC를 시연했다.[225] SLC보다 대용량화에 유리하지만, 재기록 횟수와 데이터 보존 기간은 짧다. 축적 전하량 검출을 다치(4값)로 판단하므로, 전하량 변동에 민감하여 오류가 발생하기 쉽다. 따라서 오류 검출 정정 회로와 함께 사용되며, SLC보다 많은 중복 영역이 필요하다.[257]
TLC (Triple Level Cell)셀 하나에 3비트를 저장. 셀 트랜지스터의 임계 전압은 8단계(소거 1단계, 쓰기 7단계)삼성전자는 2010년에 TLC 기술이 적용된 NAND 칩의 대량 생산을 시작했다.[220] MLC보다 대용량화에 유리하지만, 재기록 횟수와 데이터 보존 기간은 더욱 짧다.[257]
QLC (Quadruple Level Cell)셀 하나에 4비트를 저장. 셀 트랜지스터의 임계 전압은 16단계(소거 1단계, 쓰기 15단계)2009년, 도시바와 샌디스크는 셀당 4비트를 저장하고 64Gbit의 용량을 가진 QLC 기술의 NAND 플래시 칩을 출시했다.[238][239] TLC보다 대용량화에 유리하지만, 재기록 횟수와 데이터 보존 기간은 가장 짧다.[257]



MLC, TLC, QLC와 같은 다치 NAND는 기록 소자의 열화나 노이즈에 의해 축적 전하량에 변동이 생기면 데이터 오류가 발생할 수 있다. 이 경우, 플래시 메모리 회로와 컨트롤러 내의 오류 검출 정정 회로를 통해 자동으로 데이터를 수정한다(에러 정정).[257]

일반적으로 다치 NAND는 SLC에 비해 재기록 가능 횟수와 데이터 보존 기간이 짧지만, 같은 셀 수에서 더 큰 용량을 구현하거나, 같은 용량에서 더 작은 크기와 저렴한 가격으로 제공할 수 있다. 이러한 특성 때문에 디지털 비디오 카메라나 개인용 PC와 같은 민생 용도에 주로 사용된다.[257]

4. 3. 전원 방식에 따른 분류

제어 게이트에서 플로팅 게이트로 전자를 이동시키는 과정을 파울러-노드하임 터널링이라고 하며, 이는 MOSFET의 문턱 전압을 증가시켜 셀의 특성을 근본적으로 변화시킨다. 이는 주어진 게이트 전압에 대해 트랜지스터를 통해 흐르는 드레인-소스 전류를 변화시키며, 이진 값을 저장하는 데 사용된다. 파울러-노드하임 터널링 효과는 가역적이므로 플로팅 게이트에 전자를 추가하거나 제거할 수 있으며, 이는 전통적으로 쓰기 및 지우기라고 알려진 과정이다.[61]

단일 레벨 NOR 플래시 셀은 기본 상태에서 논리적으로 이진 "1" 값과 동일하다. 적절한 전압을 제어 게이트에 가하면 채널을 통해 전류가 흐르고 비트라인 전압이 낮아지기 때문이다. NOR 플래시 셀은 다음과 같은 절차를 통해 프로그래밍하거나 이진 "0" 값으로 설정할 수 있다.

  • 상승된 온-전압(일반적으로 5V 이상)이 제어 게이트(CG)에 인가된다.
  • 채널이 켜져서 소스에서 드레인으로 전자가 흐를 수 있다(NMOS 트랜지스터 가정).
  • 소스-드레인 전류가 충분히 높아 절연층을 통해 플로팅 게이트(FG)로 고에너지 전자가 점프하게 된다. 이는 열전자 주입이라는 과정을 통해 이루어진다.


소거 및 쓰기를 위해 Vpp로 별도의 전원이 필요한 것(2전원 방식)과 단일 전원으로 동작하는 것(단일 전원 방식)이 있다. 단일 전원 방식은 차지 펌프 등의 승압 회로를 내장하고 있다. 최근에는 저용량의 ROM 등에는 3.3V 단일 전원 방식, 휴대 전화의 ROM 용도에는 1.8V 단일 전원 또는 코어 1.8V/I/O 3.3V 방식이 많이 사용되고 있다. (쓰여진 데이터의 보존 기간은 유한하다.)

5. 한계

플래시 메모리는 블록 단위로 데이터를 지우고, 덮어쓰기가 불가능하며, 지우기 횟수가 제한되는 등의 한계가 있다.


  • 블록 단위 소거: 플래시 메모리는 특정 단위로 읽고 쓸 수 있지만, 데이터를 지우거나 덮어쓰려면 블록 단위로만 가능하다.
  • 쓰기 횟수 제한: 플래시 메모리는 지우기 횟수가 제한되어 있다. (SLC는 십만 번, MLC는 삼천 번~일만 번, TLC는 일천 번 정도) 이러한 한계는 칩 펌웨어나 파일 시스템 드라이버의 웨어 레벨링 기술로 극복한다.
  • 데이터 보존 기간: 제조사에서 공칭하는 데이터 보존 기간은 재기록 한도 및 환경에 따라 달라진다.(TLC/QLC 3년 이하, MLC 5년, SLC 10년)
  • 읽기 방해 (Read Disturb): NAND 플래시 메모리를 읽는 과정에서 인접 셀들이 영향을 받을 수 있다.
  • X선 영향: X선은 플래시 칩 내의 프로그램된 비트를 지울 수 있다.[262][263]


이러한 한계에도 불구하고, 제조 기술 발달, 컨트롤러 개선, 3D NAND 기술 도입 등으로 플래시 메모리는 개인용 컴퓨터에서도 널리 사용되고 있다.

5. 1. 블록 단위 소거

플래시 메모리는 블록 단위로만 데이터를 지울 수 있다는 한계가 있다. 특정 단위로 데이터를 읽고 쓸 수는 있지만, 내용을 변경하려면 해당 블록 전체를 지워야 한다. 덮어쓰기가 불가능하기 때문에 자료를 수정하려면 먼저 블록을 지워야 한다.[72]

NOR 플래시는 임의 접근 방식으로 바이트나 워드 단위로 읽기/쓰기가 가능하지만, 덮어쓰기나 지우기는 임의 접근이 불가능하다. NAND 플래시는 페이지 단위로 읽기/쓰기가 가능하지만, 덮어쓰기나 지우기를 하려면 블록 전체를 지워야 한다. NAND 플래시는 블록을 여러 페이지로 나누어 사용한다.[73][74]

NOR 플래시 셀을 지우려면("1" 상태로 재설정) 파울러-노드하임 터널링(FN 터널링)을 통해 플로팅 게이트(FG)에서 전자를 제거해야 한다. 이를 위해 제어 게이트(CG)와 소스 단자 사이에 큰 반대 극성 전압을 가한다. 최신 NOR 메모리는 음전압 게이트 채널 지우기를 사용하여 셀 블록의 워드 라인과 P-well에 바이어스를 가하여 FN 터널링을 수행하고 셀 블록을 지운다. 구형 메모리는 소스에 고전압을 가하여 FG의 전자를 소스로 이동시키는 소스 지우기를 사용했다. 최신 NOR 플래시 메모리 칩은 블록 또는 섹터라고 불리는 지우기 세그먼트로 나뉘며, 지우기 작업은 블록 단위로만 수행된다. 즉, 지우기 세그먼트의 모든 셀을 함께 지워야 한다. 그러나 NOR 셀의 프로그래밍은 일반적으로 한 번에 한 바이트 또는 한 단어씩 수행할 수 있다.[75]

NAND 플래시 메모리 또한 플로팅 게이트 트랜지스터를 사용하지만, NAND 게이트와 유사하게 직렬로 연결된다. 모든 워드 라인이 하이(트랜지스터의 VT 이상)로 당겨질 때만 비트 라인이 로우로 당겨진다. 이러한 그룹은 NOR 스타일 비트 라인 어레이에 추가 트랜지스터를 통해 연결된다.

NOR 플래시와 비교하면, 단일 트랜지스터를 직렬 연결된 그룹으로 대체하여 어드레싱 레벨이 추가된다. NOR 플래시는 페이지와 워드 단위로 메모리를 어드레싱할 수 있지만, NAND 플래시는 페이지, 워드, 비트 단위로 어드레싱할 수 있다. 비트 레벨 어드레싱은 하드 디스크 에뮬레이션과 같이 한 번에 하나의 비트만 접근하는 응용 프로그램에 적합하다. 실행 위치(XIP) 응용 프로그램은 워드의 모든 비트에 동시에 접근해야 하므로 워드 레벨 어드레싱이 필요하다. NOR 플래시와 NAND 플래시 모두 비트 및 워드 어드레싱 모드를 사용할 수 있다.

데이터를 읽으려면 먼저 원하는 그룹을 선택하고, 대부분의 워드 라인을 VT2 이상으로, 그중 하나는 VI까지 당긴다. 선택된 비트가 프로그래밍되지 않은 경우 직렬 그룹은 전도하여 비트 라인을 로우로 당긴다.

추가적인 트랜지스터에도 불구하고 접지선과 비트 라인의 감소로 더 조밀한 레이아웃과 칩당 더 큰 저장 용량이 가능해졌다. NAND 플래시는 일반적으로 일정 수의 결함을 포함할 수 있다. (BIOS ROM에 사용되는 NOR 플래시는 결함이 없을 것으로 예상된다.) 제조업체는 트랜지스터나 셀의 크기를 줄여 사용 가능한 저장 공간을 최대화하려고 노력하지만, 3D NAND를 사용하여 이러한 문제를 해결하고 다이당 더 높은 저장 밀도를 달성하고 있다. 3D NAND는 셀을 서로 위에 쌓는 방식이다.

NAND 플래시 셀은 다양한 전압에 대한 응답을 분석하여 읽는다.[76] 플래시 메모리의 제약 중 하나는 임의 접근 시 비트 단위의 쓰기가 불가능하다는 점이다.

5. 2. 쓰기 횟수 제한

플래시 메모리는 블록 단위로 데이터를 지우고, 덮어쓰기가 불가능하며 지우기 횟수에 제한이 있다는 한계가 있다. NOR 플래시는 임의 접근 방식으로 바이트 단위 읽기/쓰기가 가능하지만, 덮어쓰기나 지우기는 임의 접근이 불가능하다. NAND 플래시는 페이지 단위로 읽기/쓰기가 가능하지만, 덮어쓰기나 지우기는 블록 단위로만 가능하다.

플래시 메모리의 주요 한계는 지우기 횟수가 제한되어 있다는 점이다. 상업용 플래시 메모리 제품의 경우 SLC는 십만 번, MLC는 삼천 번~일만 번, TLC는 일천 번까지 쓰기 횟수를 보증한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 칩 펌웨어나 파일 시스템 드라이버에서 블록의 지우기 횟수를 세고 모든 블록이 고르게 사용되도록 블록을 유동적으로 재배치하는 웨어 레벨링 기술이 사용된다. 또한, 쓰기 동작의 유효성을 확인하고 여유 블록을 할당하여 불량 블록 발생 시 대체한다.

플래시 메모리의 기억 소자는 동작 원리상 절연체인 산화막을 관통하는 전자에 의해 열화되어 소거 및 쓰기 가능 횟수가 제한된다. 기억 소자 단독의 다시 쓰기 수명은 짧은 경우 QLC가 수십 회, TLC가 수백 회 정도이며, 길어도 MLC는 수천 회, SLC는 수만 회 정도이다.[271][272] NOR형보다 NAND형이 열화가 더 심하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 컨트롤러를 탑재하여 웨어 레벨링을 수행하여 쓰기 수명을 논리적으로 늘린다.

쓰기 가능 횟수를 초과하면 저장 장치로 인식되지 않거나, 정상적인 기록이 불가능해지거나, 기록 내용이 손상되거나 사라질 확률이 높아진다.[274]

2012년 12월, Macronix영어의 대만 기술자들은 NAND 플래시 메모리의 읽기/쓰기 사이클을 10,000회에서 10억 회로 개선하는 '자기 치유' 기술을 발표했다. 이 기술은 칩 내부에 내장된 히터를 사용하여 열적 소둔을 통해 전자적으로 유발된 스트레스를 보수하는 방식이었다.[259][260]

5. 3. 데이터 보존 기간

제조사에서 공칭하는 데이터 보존 기간은 재기록에 의해 열화되지 않은 상태(재기록 한도의 10% 이하)에서 3년 이하(TLC/QLC), 5년(MLC), 10년(SLC)이며, 재기록 한도에 도달한 상태에서는 1년이다.[266][267][268] 이는 환경의 영향을 받아, 고온이나 방사선이 닿는 환경에서는 Soft error|소프트 에러영어가 발생[269]하여 보존 기간이 보통보다 짧아진다(조건에 따라서는 사용 불능이 될 수도 있다).

NOR형 플래시 메모리의 경우 일반적으로 20년 정도의 보존 기간을 가지며,[270] BIOS 등의 펌웨어에 사용된다. 단, 초기의 플래시 메모리 제품은 이미 20년 이상 경과되었으며, 보존 기간이 유한하다는 점에는 변함이 없다. 또한, 이러한 보존 기간은 마지막으로 기록한 이후의 시간을 나타낸다.[270]

5. 4. 읽기 방해 (Read Disturb)

NAND 플래시 메모리를 읽는 과정에서, 프로그램된 인접 셀들이 여러 번 영향을 받을 수 있다. 이러한 현상을 '읽기 간섭(Read Disturb)'이라고 한다.

5. 5. X선 영향

많은 플래시 집적 회로는 볼 그리드 어레이(BGA) 포장 형태로 출하되며, 그렇지 않은 것들은 종종 다른 BGA 포장 다음의 PCB에 장착된다. BGA 포장 형태로 탑재되는 후자의 PCB 어셈블리는 만약 해당 볼이 전용 패드에 전적으로 연결되어 있거나, 해당 BGA가 재작업을 필요로 하는 경우 종종 X선을 쬔다. 이러한 X선은 플래시 칩 내의 프로그램된 비트를 지울 수 있다 (프로그램된 "0" 비트는 지워진 "1" 비트가 된다). 지워지는 비트("1" 비트)는 X선의 영향을 받지 않는다.[262][263]

몇몇 제조업체는 현재 X선 방어 SD[264] 및 USB[265] 메모리 장치를 제조하고 있다.

6. 응용 분야

플래시 메모리는 다양한 분야에서 활용되고 있다. NOR형 플래시 메모리는 주로 마이컴 응용 기기의 시스템 메모리에 사용되어 기존 ROM을 대체하고 펌웨어 업데이트를 용이하게 한다. NAND형 플래시 메모리는 데이터 스토리지 용도로 적합하며, 특히 노트북 컴퓨터, 휴대 전화, 디지털 카메라, 디지털 오디오 플레이어와 같은 모바일 기기에서 널리 사용된다.

플래시 메모리는 반도체 회로 소자 자체로 작동하기 때문에 기기를 소형 경량화할 수 있고, 고속화 및 소비 전력 면에서 유리하며, 충격에도 강하다. 이러한 장점 덕분에 플래시 메모리는 급속히 발전하여 기억 매체의 주류로 자리 잡았다.

블록 단위로만 지울 수 있다는 제약이 있지만, 플래시 변환 계층(FTL)과 같은 기술을 통해 이러한 단점을 보완하고 있다. 또한, 제한된 프로그램-지우기 사이클(P/E 사이클)을 가지지만, 웨어 레벨링이나 불량 섹터 관리(BBM)와 같은 기술을 통해 수명을 연장하고 있다. 플래시 셀에 저장된 데이터는 전자가 빠져나가면서 손실될 수 있으며, 손실률은 절대 온도가 높아짐에 따라 급격히 증가한다.

6. 1. 펌웨어 저장

NOR형은 마이컴 응용 기기의 시스템 메모리에 적합하며, 종래부터 사용되던 ROM을 대체했다. ROM 교환으로 이루어지던 펌웨어 업데이트도 제품의 케이스를 열지 않고도 쉽게 할 수 있게 되었다.

6. 2. 직렬 플래시 (Serial Flash)

2013년 기준으로, V-NAND 플래시 메모리 아키텍처는 기존 NAND보다 읽기 및 쓰기 속도가 2배 빠르며, 최대 10배 더 오래 사용할 수 있고, 전력 소비는 50% 줄일 수 있다.[78] 이 기술은 10nm 공정을 사용하여 비슷한 수준의 물리적 비트 밀도를 제공하지만, V-NAND가 수백 개 층을 사용할 수 있다는 점을 고려하면 비트 밀도를 최대 2배까지 증가시킬 수 있다.[78] 2020년 현재, 삼성전자는 160개 층의 V-NAND 칩을 개발 중이다.[88] 층 수가 증가함에 따라 플래시 메모리의 용량과 내구성이 향상될 수 있다.

6. 3. 저장 장치

플래시 메모리는 일본 기업 도시바가 개발한 비휘발성 메모리로, 전원이 없어도 칩 안에 정보를 유지한다. DRAM만큼은 아니지만 읽기 속도가 빠르고, 하드 디스크보다 충격에 강해 배터리로 작동하는 장치에서 저장 장치로 널리 쓰인다. 강한 압력이나 끓는 물에도 견딜 만큼 물리적으로 파괴하기 어렵다는 장점도 있다.

블록 단위로만 지울 수 있다는 제약이 있지만, 새로 지워진 블록 내에서는 모든 위치를 프로그래밍할 수 있다. 비트를 0으로 설정하면 전체 블록을 지워야만 다시 1로 변경할 수 있는데, 이러한 특성 때문에 YAFFS와 같은 플래시 파일 시스템은 "다시 쓰기" 기능을 활용하거나 "한 번 쓰기 규칙"을 따르기도 한다.

데이터 구조는 일반적인 방식으로 업데이트할 수 없지만, 구성원을 무효로 표시하여 "제거"할 수 있다. 일반적인 플래시 장치는 플래시 변환 계층(FTL)을 통해 블록 수준 인터페이스를 제공하거나 장치의 마모를 균등하게 분산시킨다.

USB 플래시 드라이브, SD 메모리 카드, 메모리 스틱, 컴팩트 플래시 등 다양한 메모리 카드와 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등에 쓰인다.

6. 3. 1. 하드 디스크 대체 (SSD)

플래시 메모리는 초기에는 사용자가 직접 내용을 다시 기록할 수 있는 BIOS를 가진 마더보드에 사용되는 등 눈에 띄지 않는 용도로 활용되었다. 이후 USB 메모리 등을 통해 플로피 디스크를 대체하면서, 하드웨어 및 소프트웨어 (웨어 레벨링) 기술 발전으로 재기록 내구성이 향상되고, 대용량화, 저가격화, 고속화가 진행되어 대용량 저장 장치의 역할을 수행하게 되었다.

2004년에는 소용량이지만 컴퓨터에 내장하여 하드 디스크 (HDD)처럼 사용할 수 있는 '''솔리드 스테이트 드라이브 (SSD)'''가 등장하여 조립 컴퓨터 사용자들에게 널리 보급되었다. 2006년에는 SSD를 탑재한 제조사 소형 노트북이 등장했다. 2007년 출시된 Windows Vista에는 USB 메모리를 HDD의 캐시 메모리로 사용하는 Windows ReadyBoost 기능이 추가되었고, 2009년 출시된 Windows 7부터는 SSD가 HDD와는 별개의 장치로 지원되기 시작했다.

노트북은 소형화, 경량화, 저전력화 및 충격에 대한 강한 내구성이 요구된다. 플래시 메모리는 하드 디스크보다 이러한 요소에서 우수하며, 물리적인 동작이 없어 소음이 적고, 고속 접근이 가능하다는 장점도 있다. 비록 가격이 저렴해졌지만, 용량 대비 가격은 여전히 하드 디스크가 유리하여 플래시 메모리 탑재 노트북은 더 비싸게 책정되는 경향이 있었다. 그러나 2019년 현재, 플래시 메모리의 내충격성과 HDD 대비 압도적인 속도 성능을 고려하면 충분히 고려할 만한 가격대로 안정되었다.

6. 3. 2. RAM 대체

V-NAND 플래시 메모리 아키텍처는 기존 NAND보다 읽기 및 쓰기 속도가 2배 빠르며, 최대 10배 더 오래 사용할 수 있고, 전력 소비는 50% 줄일 수 있다. 이 기술은 10nm 공정을 사용하여 유사한 물리적 비트 밀도를 제공하지만, V-NAND가 수백 개 층을 사용할 수 있다는 점을 감안할 때 비트 밀도를 최대 2배까지 증가시킬 수 있다.[78] 2020년 현재, 삼성전자는 160개 층의 V-NAND 칩을 개발 중이다.[88] 층 수가 증가함에 따라 플래시 메모리의 용량과 내구성이 증가할 수 있다.

플래시 메모리의 한 가지 제약은 한 번에 블록 단위로만 지울 수 있다는 것이다. 일반적으로 이렇게 하면 블록의 모든 비트가 1로 설정된다. 새로 지워진 블록부터 시작하여 해당 블록 내의 모든 위치를 프로그래밍할 수 있다. 그러나 비트가 0으로 설정되면 전체 블록을 지워야만 다시 1로 변경할 수 있다. 즉, 플래시 메모리(특히 NOR 플래시)는 임의 접근 읽기 및 프로그래밍 작업을 제공하지만 임의 접근 다시 쓰기 또는 지우기 작업은 제공하지 않는다. 그러나 새로운 값의 0 비트가 덮어쓴 값의 상위 집합인 한, 위치를 다시 쓸 수 있다. 예를 들어, 니블 값은 1111로 지워진 다음 1110으로 쓸 수 있다. 해당 니블에 대한 연속적인 쓰기는 1010, 0010으로 변경한 다음 최종적으로 0000으로 변경할 수 있다. 본질적으로 지우기는 모든 비트를 1로 설정하고, 프로그래밍은 비트를 0으로 지울 수 있다.[91]

플래시 장치를 위해 설계된 일부 파일 시스템은 이러한 다시 쓰기 기능을 활용하여, 예를 들어 YAFFS1에서 섹터 메타데이터를 나타낸다. YAFFS2와 같은 다른 플래시 파일 시스템은 이러한 "다시 쓰기" 기능을 전혀 사용하지 않고 "한 번 쓰기 규칙"을 충족하기 위해 많은 추가 작업을 수행한다.

플래시 메모리의 데이터 구조는 완전히 일반적인 방식으로 업데이트할 수 없지만, 구성원을 무효로 표시하여 "제거"할 수 있다. 이 기술은 하나의 메모리 셀이 여러 비트를 저장하는 멀티 레벨 셀 장치의 경우 수정해야 할 수 있다.

USB 플래시 드라이브 및 메모리 카드와 같은 일반적인 플래시 장치는 블록 수준 인터페이스 또는 장치의 마모를 고르게 하기 위해 매번 다른 셀에 쓰는 플래시 변환 계층(FTL)만 제공한다. 이렇게 하면 블록 내에서 증분 쓰기가 방지되지만, 과도한 쓰기 패턴으로 인해 장치가 조기에 마모되는 것을 방지하는 데 도움이 된다.

플래시 메모리의 또 다른 제한 사항은 플래시 메모리가 제한된 수의 프로그램-지우기 사이클(일반적으로 P/E 사이클로 표기)을 갖는다는 것이다.[93][94] 마이크론 테크놀로지와 선 마이크로시스템즈는 2008년 12월 17일에 1,000,000 P/E 사이클을 지원하는 SLC NAND 플래시 메모리 칩을 발표했다.[95]

보장된 사이클 수는 블록 0에만 적용될 수 있으며 (TSOP NAND 장치의 경우) 또는 모든 블록에 적용될 수 있다(NOR의 경우). 이 효과는 일부 칩 펌웨어 또는 파일 시스템 드라이버에서 쓰기를 계산하고 동적으로 블록을 재매핑하여 섹터 간에 쓰기 작업을 분산시킴으로써 완화된다. 이 기술을 웨어 레벨링이라고 한다. 또 다른 접근 방식은 쓰기 실패 시 쓰기 검증 및 예비 섹터로의 재매핑을 수행하는 것으로, 이 기술을 불량 섹터 관리(BBM)라고 한다. 휴대용 소비자 장치의 경우 이러한 마모 관리 기술은 일반적으로 플래시 메모리의 수명을 장치 자체의 수명보다 연장하며 이러한 응용 분야에서는 일부 데이터 손실이 허용될 수 있다. 그러나 고신뢰성 데이터 저장의 경우, 많은 프로그래밍 사이클을 거쳐야 하는 플래시 메모리를 사용하는 것은 권장되지 않는다. 이러한 제한은 씬 클라이언트 및 라우터와 같이 수명 동안 한 번 또는 최대 몇 번만 프로그래밍되는 "읽기 전용" 응용 프로그램에도 존재한다. 이는 ''읽기 방해'' 때문이다.

2012년 12월, 맥로닉스의 대만 엔지니어들은 2012년 IEEE 국제 전자 장치 회의에서 NAND 플래시 스토리지 읽기/쓰기 사이클을 "소수 메모리 셀을 어닐링할 수 있는 온보드 히터"가 있는 플래시 칩을 사용하여 10,000 사이클에서 1억 사이클로 개선하는 방법을 알아냈다고 발표할 계획이라고 밝혔다.[96] 내장 열 어닐링은 일반적인 지우기 사이클을 저장된 전하를 지울 뿐만 아니라 칩의 전자 유도 응력을 복구하는 국부 고온 공정으로 대체하여 최소 1억 번의 쓰기 사이클을 제공할 예정이었다.[97] 그 결과 이론적으로 고장나야 하는 상황에서도 반복해서 지우고 다시 쓸 수 있는 칩이 나올 예정이었다. 맥로닉스의 획기적인 기술이 모바일 산업에 약속을 제공했을 수 있지만, 이 기능을 갖춘 상용 제품을 가까운 시일 내에 출시할 계획은 없었다.[98]

7. 산업 동향

NAND 플래시 메모리를 읽을 때 같은 메모리 블록 내의 인접한 셀이 시간이 지남에 따라 변경될 수 있는데, 이를 읽기 방해라고 한다. 임계 읽기 횟수는 보통 수십만 회이다. 한 셀에서 계속 읽으면 주변 셀 중 하나가 실패할 수 있다. 플래시 컨트롤러는 읽기 횟수를 계산하여 제한을 초과하면 블록을 복사하고 지운다. 제때 처리되지 않으면 오류 정정 코드로 수정하기 어려워 데이터 손실 및 읽기 방해 오류가 발생한다.

플래시 IC는 대부분 볼 그리드 배열(BGA) 패키지로 제공되며, PCB 조립 후 X-레이 검사를 통해 연결 상태를 확인한다. 이 X-레이는 플래시 칩의 프로그래밍된 비트를 지울 수 있다.[102][103] 일부 제조사는 X-레이 방지 SD[104] 및 USB[105] 메모리 장치를 생산한다.

플래시 메모리는 DRAM, ROM, EEPROM과 달리 비트 단위 수정 및 외부 주소 버스를 통한 임의 접근을 지원하지 않는다. NOR 메모리는 읽기와 프로그래밍에 외부 주소 버스를 사용하며 임의 접근 방식이고, 잠금 해제 및 삭제는 블록 단위이다. NAND 메모리는 읽기, 프로그래밍은 페이지 단위, 잠금 해제 및 삭제는 블록 단위이다.

2005년까지 플래시 메모리는 하드 디스크나 광 디스크에 비해 용량 대비 가격이 매우 비쌌다. 그러나 2006년경부터 가격이 급격히 하락하면서 가격 경쟁력이 높아졌다. 이는 제조사들이 생산량을 늘렸기 때문이다. 하지만 여전히 용량당 가격은 하드 디스크나 광 디스크보다 높았다.[277]

이러한 가격 하락은 플래시 메모리 제조사들의 경영에 큰 타격을 주었다. 도시바 메모리(현 키옥시아)도 타격을 받았으며[278][279], 플래시 메모리 전문 대기업 스팬션은 경영난으로 회사갱생법 적용을 신청했다.[280]

7. 1. 주요 제조사 (2023년 2분기 기준)

2006년경 플래시 메모리 가격이 급격하게 하락하면서 가격 경쟁력이 향상되었다. 이는 플래시 메모리 제조사들이 생산량을 늘렸기 때문이다. 그러나 플래시 메모리의 용량당 가격은 여전히 하드 디스크나 광 디스크보다 높았다.[277]

이러한 가격 하락은 플래시 메모리 제조사들의 경영에 큰 영향을 미쳤다. 키옥시아(구 도시바 메모리)도 타격을 받았으며[278][279], 플래시 메모리 전문 대기업 스팬션은 경영난으로 회사갱생법 적용을 신청했다.[280]

7. 2. 대한민국 산업에 대한 영향

NAND영어 플래시 메모리를 읽는 데 사용되는 방법은 동일한 메모리 블록 내의 인접 셀이 시간이 지남에 따라 변경(프로그래밍됨)되도록 할 수 있는데, 이를 읽기 방해라고 한다. 임계 읽기 횟수는 일반적으로 지우기 작업 사이에서 수십만 회의 읽기이다. 한 셀에서 지속적으로 읽으면 해당 셀은 실패하지 않고 이후 읽기에서 주변 셀 중 하나가 실패한다. 읽기 방해 문제를 피하기 위해 플래시 컨트롤러는 일반적으로 마지막 지우기 이후 블록에 대한 총 읽기 횟수를 계산한다. 이 횟수가 대상 제한을 초과하면 영향을 받는 블록이 새 블록으로 복사되고 지워진 다음 블록 풀로 해제된다. 원래 블록은 지우기 후 새 것과 같다. 그러나 플래시 컨트롤러가 제때 개입하지 않으면 오류 정정 코드로 수정하기에 오류가 너무 많으면 데이터 손실과 함께 '''읽기 방해''' 오류가 발생한다.

플래시 메모리 칩에 대한 로우 레벨 인터페이스는 비트 단위 수정(0에서 1, 1에서 0 모두 가능) 및 외부에서 접근 가능한 주소 버스를 통한 임의 접근을 지원하는 DRAM(동적 임의 접근 메모리), ROM(읽기 전용 메모리), EEPROM과 같은 다른 메모리 유형과 다르다.

NOR영어 메모리는 읽기 및 프로그래밍을 위한 외부 주소 버스를 가지고 있다. NOR영어 메모리의 경우 읽기 및 프로그래밍은 임의 접근 방식이며, 잠금 해제 및 삭제는 블록 단위로 이루어진다. NAND영어 메모리의 경우 읽기 및 프로그래밍은 페이지 단위이며, 잠금 해제 및 삭제는 블록 단위로 이루어진다.

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