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비휘발성 랜덤 액세스 메모리

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목차

1. 개요

비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)는 전원이 꺼져도 데이터를 유지하는 메모리 유형이다. 초기에는 드럼 메모리, 자기 코어 메모리가 사용되었으며, 이후 반도체 기술 발전에 따라 플로팅 게이트 MOSFET 기반의 EPROM, EEPROM, 플래시 메모리가 개발되었다. 플래시 메모리는 쓰기 횟수 제한과 높은 전력 소비의 단점이 있어, F-RAM, MRAM, PRAM 등 다양한 대안 기술이 연구되고 있다. 밀리피드 메모리, FeFET 메모리 등도 고집적화를 목표로 개발이 진행 중이다.

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비휘발성 랜덤 액세스 메모리
개요
유형컴퓨터 메모리
더 넓은 범주비휘발성 메모리
관련 항목비휘발성 BIOS 메모리
세부 사항
종류반도체 메모리
접근 방식임의 접근 메모리 (RAM)
보존성비휘발성 메모리 (전원 공급 없이 데이터 보존)
기술
주요 기술멤리스터
강유전체 RAM (FeRAM)
자성 RAM (MRAM)
상변화 메모리 (PCM)
저항성 RAM (ReRAM)
전해질 RAM (ECRAM)
나노 RAM (NRAM)
프로그래머블 금속화 셀 (CBRAM)
Fe FET (FeFET 메모리)
개발 현황
개발 중인 기술프로그래머블 금속화 셀 (CBRAM)
경주로 메모리
나노 RAM (NRAM)
밀리피드 메모리
전해질 RAM (ECRAM)
패터닝된 매체
홀로그램 데이터 저장
5D 광학 데이터 저장
DNA 디지털 데이터 저장
유니버설 메모리
시간 결정
양자 메모리
울트라 RAM

2. 초기 NVRAM

초기 컴퓨터들은 드럼 메모리를 비휘발성 메모리로 사용했다. 1950년대 후반에는 자기 코어 메모리가 등장했는데, 이는 작은 자석의 극성을 이용해 데이터를 저장하는 방식이었다. 자기 코어 메모리는 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리였다. 반면 진공관, 플립플롭, 윌리엄스 튜브, 반도체 메모리(정적 또는 동적 RAM)와 같은 다른 유형의 메모리는 데이터를 유지하기 위해 지속적인 전원이 필요했다.

1970년대 반도체 제조 기술이 발전하면서 솔리드 스테이트 메모리가 등장했고, 이는 자기 코어 메모리보다 비용과 밀도 면에서 우위를 점했다. 오늘날 대부분의 컴퓨터에서는 동적 RAM(DRAM)이 메인 메모리로 사용된다. 그러나 운영 체제를 로드하거나(데스크톱 컴퓨터) 전원이 꺼졌을 때 지침을 유지해야 하는(임베디드 시스템) 경우 등에는 비휘발성 메모리가 필수적이었다.

이러한 필요에 따라 맞춤형 ROM 집적 회로가 해결책으로 제시되었다. ROM은 제조 과정에서 마지막 마스크 패턴으로 내용이 저장되므로, 완료 후에는 수정할 수 없었다.

PROM은 이러한 설계를 개선하여, 최종 사용자가 전기적으로 칩에 데이터를 기록할 수 있게 하였다. PROM은 초기에 모두 1로 설정된 다이오드들로 구성되며, 높은 전압을 가해 선택된 다이오드를 태워(끊어) 해당 비트를 영구적으로 0으로 설정할 수 있었다. PROM은 프로토타입 제작 및 소량 생산에 용이했다. 많은 반도체 제조업체들은 펌웨어 개발 테스트를 위해 마스크 ROM 부품의 PROM 버전을 제공했다.

IBM PC AT를 시작으로 하는 IBM PC 및 후속 제품은 ''CMOS RAM'' 또는 ''매개변수 RAM''이라고 하는 비휘발성 BIOS 메모리를 사용했으며, 이는 애플 매킨토시와 같은 초기 마이크로컴퓨터 시스템에서도 일반적인 솔루션이었다. 이들은 배터리로 구동되는 소량의 메모리를 사용하여 선택한 부팅 볼륨과 같은 기본 설정 정보를 저장했다. 원래 IBM PC와 PC XT는 DIP 스위치를 사용하여 최대 24비트의 시스템 구성 데이터를 나타냈다. DIP 스위치는 1970년대와 1980년대에 매우 소량의 데이터(일반적으로 8바이트 이하)에 널리 사용된 또 다른 원시적인 유형의 프로그래밍 가능한 ROM 장치이다. IBM PC 아키텍처에 대한 산업 표준화 이전에 일부 다른 마이크로컴퓨터 모델은 배터리 백업 RAM을 더 광범위하게 사용했다. 예를 들어, TRS-80 모델 100/Tandy 102에서는 모든 주 메모리(최소 8KB, 최대 32KB)가 배터리 백업 SRAM이다. 1990년대에는 세가 제네시스와 같은 콘솔용 비디오 게임 소프트웨어 카트리지에 저장된 게임, 최고 점수 등을 유지하기 위해 배터리 백업 RAM이 포함되었다. 일부 아케이드 비디오 게임 캐비닛에는 즉석 게임 소프트웨어 암호 해독을 위한 키를 포함하는 배터리 백업 RAM이 포함된 CPU 모듈이 있었다. 훨씬 더 큰 배터리 백업 메모리는 새로운 NVRAM 장치가 아직 따라잡지 못한 성능 수준이 필요한 고속 데이터베이스의 캐시로 오늘날에도 사용되고 있다.

2. 1. 플래시 메모리의 등장과 한계

플래시 메모리는 현재 NV-RAM과 EEPROM 메모리 중 가장 널리 알려진 형태이다.[1] 플래시 메모리는 EEPROM을 기반으로 하며, 내부 배선을 단순화하여 메모리를 블록 단위로만 쓸 수 있도록 만들어 더 높은 밀도를 가능하게 한다.[1] 메모리 저장 밀도는 컴퓨터 메모리 시스템 비용의 주요 결정 요인이기 때문에, 플래시는 현재 가장 저렴한 솔리드 스테이트 메모리 장치 중 하나로 발전했다.[1]

하지만 플래시 메모리는 몇 가지 단점을 가지고 있다.[1] 우선, 많은 컴퓨터가 자동으로 처리할 수 있는 것보다 더 큰 블록 단위로 데이터를 기록해야 한다.[1] 또한, 쓰기-지우기 사이클 횟수에 제한이 있어 수명이 비교적 짧다.[1] 2010년 기준으로 대부분의 소비자용 플래시 제품은 약 100,000번의 재작성 후 메모리 성능이 저하될 수 있다.[1] 게다가 플래시는 기존 RAM의 응답 속도와 임의 주소 지정 기능을 따라잡지 못하는 성능상의 제약도 존재한다.[1]

2000년대부터 플래시 메모리의 수요가 지속적으로 증가하면서, 제조업체들은 최신 제조 시스템을 사용하여 밀도를 최대한 높이고 있다.[1] 제조 공정의 한계에 도달했지만, 새로운 "멀티 비트" 기술을 통해 기존 선폭에서도 밀도를 두 배 또는 네 배로 높일 수 있을 것으로 보인다.[1]

3. 플로팅 게이트 MOSFET

플로팅 게이트 MOSFET 트랜지스터는 EPROM, EEPROM, 플래시 메모리와 같은 비휘발성 램 기술 발전의 기반이다. EPROM은 고품질 절연체로 보호되는 트랜지스터 그리드로 구성되며, '게이트' 단자를 통해 높은 전압을 가하면 전자가 절연체 반대편에 갇혀 트랜지스터가 영구적으로 켜지는(1) 방식으로 데이터를 저장한다.[11]

EPROM은 자외선(UV)을 가하여 초기 상태(0 또는 1)로 재설정할 수 있다. UV 광자는 절연체를 통해 전자를 밀어내어 베이스를 접지 상태로 되돌리고, 이 과정을 통해 EPROM을 다시 쓸 수 있게 된다.[11]

EEPROM은 EPROM의 개선된 형태로, UV 대신 전기를 사용하여 데이터를 재설정할 수 있어 편리하다. 비트는 트랜지스터의 '소스' 및 '드레인' 단자를 통해 높은 전력을 가하여 재설정되는데, 이 과정에서 절연체를 통해 전자가 흡수되어 접지 상태로 돌아간다. 그러나 이 과정은 칩을 기계적으로 손상시켜 EEPROM 기반 메모리 시스템은 쓰기 수명이 짧으며, 특정 비트에 대해 약 105번의 쓰기 횟수를 가진다.[12]

4. 상용화된 대안 기술

플래시 메모리와 EEPROM은 제한적인 기록 사이클, 높은 전력 소비, 느린 기록 속도 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 여러 가지 새로운 메모리 장치가 제안되었다. F-RAM, MRAM, PRAM 등이 대표적인 차세대 NVRAM 기술로, 각각 다른 방식과 장점을 가지고 있다.

4. 1. F-RAM (강유전체 램)

F-RAM은 DRAM과 유사한 구조의 램이지만, DRAM과 같은 유전체 층 대신 지르콘산 티탄산 납(Lead zirconate titanate|지르코네이트 티탄산염영어) (일반적으로 PZT라고 함)이라는 얇은 강유전체 필름을 포함한다. PZT의 Zr/Ti 원자는 전기장 내에서 극성이 변하여 바이너리 스위치를 생성한다. RAM 장치와 달리 F-RAM은 PZT 결정이 극성을 유지하기 때문에 전원이 꺼지거나 중단될 때 데이터 메모리를 유지한다. 이러한 결정 구조와 그 영향으로 F-RAM은 매우 높은 내구성(3.3V 장치의 경우 1016 회 이상의 액세스 사이클), 초저전력 소비(F-RAM은 다른 비휘발성 메모리와 같은 차지 펌프가 필요하지 않음), 단일 사이클 쓰기 속도 및 감마선 내성을 포함하여 다른 비휘발성 메모리 옵션과 뚜렷한 특성을 제공한다.[5] 램트론 인터내셔널(Ramtron International)은 강유전체 램 (F-RAM)을 개발, 생산 및 라이선스했으며, F-RAM 기술을 라이선스하고 생산한 다른 회사로는 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments), 로옴(Rohm), 후지쯔(Fujitsu) 등이 있다.

4. 2. MRAM (자기저항 램)

MRAM은 자기 저항 효과를 이용하여 데이터를 저장한다. Everspin Technologies는 1세대 MRAM (교차점 필드 유도 쓰기 방식)을 생산하였다.[6] 2세대 MRAM 기술로는 열 보조 스위칭(TAS)[7], 스핀 토크(STT) 등이 개발 중이다. STT는 Crocus, 하이닉스, IBM 등 여러 회사에서 연구하고 있다.[8] STT-MRAM은 고집적화에 유리하지만, 플래시 메모리와의 경쟁에서 어려움을 겪고 있다.

4. 3. PRAM (상변화 램)

위상 변화 메모리(PRAM)는 실험적인 개발 단계를 넘어선 솔리드 스테이트 기술이다. PRAM은 쓰기 가능한 CD와 DVD와 동일한 저장 방식을 기반으로 하지만, 광학적 특성의 변화가 아닌 전기 저항의 변화에 따라 데이터를 읽는다. 한동안 주목받지 못했던 PRAM은 2006년 삼성전자가 512Mbit 제품을 출시하면서 MRAM 또는 FeRAM보다 훨씬 더 높은 용량을 제공하며 주목받았다.[9] 이러한 부품의 면적 밀도는 최신 플래시 장치보다 훨씬 더 높은 것으로 보이지만, 전체 저장 용량이 낮은 이유는 멀티비트 인코딩이 없기 때문이다. 이 발표에 이어 인텔과 ST마이크로일렉트로닉스는 2006년 10월 인텔 개발자 포럼에서 자체 PRAM 장치를 시연했다.

인텔과 마이크론 테크놀로지는 3D XPoint(Optane 및 QuantX) PRAM 장치를 판매하기 위한 합작 투자를 했으나, 2022년 7월에 중단되었다.[9][10]

ST마이크로일렉트로닉스는 자동차 응용 분야에 사용되는 위상 변화 메모리 장치를 제조한다.

5. 연구 중인 대안 기술

IBM에서 개발한 밀리피드 메모리와 강유전체 FET를 이용한 메모리(FeFET 메모리) 등은 현재 활발하게 연구 중인 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM) 기술이다.

5. 1. 밀리피드 메모리

IBM에서 개발한 밀리피드 메모리는 나노 기술을 사용하여 천공 카드의 면적 밀도를 크게 증가시킨 것이다. 2003년 초에 출시할 계획이었지만 예상치 못한 개발 문제로 인해 2005년까지 지연되었고, 이 시점에는 더 이상 플래시 메모리와 경쟁력이 없었다. 이론적으로 이 기술은 1Tbit/in2 (155Gbit/cm2) 수준의 저장 밀도를 제공하며, 현재 사용 중인 최고의 하드 디스크 드라이브 기술(수직 자기 기록은 2011년 12월 현재 636Gbit/in2 (98.6Gbit/cm2)를 제공)보다 높다. 하지만 미래의 열 보조 자기 기록 및 패턴 미디어를 결합하면 10Tbit/in2 (1.55Tbit/cm2)의 밀도를 지원할 수 있다. 그러나 이처럼 큰 메모리의 느린 읽기 및 쓰기 시간으로 인해 이 기술은 고속 RAM과 같은 용도가 아닌 하드 드라이브 대체에 제한되는 것으로 보이며, 플래시 메모리도 매우 큰 범위에서 마찬가지이다.[1]

5. 2. FeFET 메모리

FeFET 메모리는 강유전체 FET를 이용한 메모리이다.[1] HKMG(high-k 금속 게이트) 공정을 사용하여 기존 FET와 동일한 크기로 축소 가능하며, 고집적화에 유리하다.[1] 2017년에는 22nm 공정에서 32Mbit FeFET 메모리가 시연되었다.[1]

참조

[1] 간행물 JEDEC DDR5 & NVDIMM-P Standards Under Development https://www.jedec.or[...] JEDEC 2017-03-30
[2] 간행물 JEDEC to Hold Workshops for DDR5, LPDDR5 & NVDIMM-P Standards https://www.jedec.or[...] JEDEC 2019-09-05
[3] 간행물 JEDEC Publishes DDR4 NVDIMM-P Bus Protocol Standard https://www.jedec.or[...] JEDEC 2021-02-17
[4] 웹사이트 X4C105 NOVRAM Features and Applications http://www.intersil.[...] 2005-04-21
[5] 웹사이트 F-RAM Memory Technology http://www.ramtron.c[...] 2012-06-08
[6] 웹사이트 Technology http://www.everspin.[...]
[7] 웹사이트 The Emergence of Practical MRAM http://www.crocus-te[...] 2009-07-20
[8] 웹사이트 Tower invests in Crocus, tips MRAM foundry deal https://www.eetimes.[...] 2020-01-09
[9] 뉴스 Why Intel killed its Optane memory business https://www.theregis[...] Situation Publishing 2022-07-29
[10] 웹사이트 HOW 3D XPOINT PHASE-CHANGE MEMORY WORKS https://pcper.com/20[...] 2017-06-02
[11] 뉴스 Hitachi GST Ships One Terabyte Per Platter Hard Drives http://www.hitachigs[...] Hitachi Global Storage Technologies 2011-08-03
[12] 웹사이트 New hard drive write method packs in one terabit per inch https://arstechnica.[...] 2011-05-07
[13] 간행물 JEDEC DDR5 & NVDIMM-P Standards Under Development https://www.jedec.or[...] JEDEC 2017-03-30
[14] 간행물 JEDEC to Hold Workshops for DDR5, LPDDR5 & NVDIMM-P Standards https://www.jedec.or[...] JEDEC 2019-09-05
[15] 간행물 JEDEC Publishes DDR4 NVDIMM-P Bus Protocol Standard https://www.jedec.or[...] JEDEC 2021-02-17


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