반도체 기억장치

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

항목

특성

메모리계층구조

가격대비 시스템의 성능을 향상시키기 위해 CPU와 DISK사이에 다양한 계층의 기억장치들을 포함

휘발성 메모리

전원이 공급되어야만 데이터를 유지하며 일반적으로 읽기/쓰기 모두 가능한 RAM(Random Access Memory)를 의미

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

구분(volatile)

구성요소

설명

내부기억장치

(휘발성)

CPU레지스터

(L0)

- 계층 구조에서 최상위 계층의 기억장치로 가장 빠르고 가장 용량이 적으며 비트당 가격이 가장 높은 기억장치

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

주기억장치

(L3)

[DRAM]

대부분 반도체 기억장치들의 칩들로 구성되며 액세스 시간은 대략 수 백ns정도로 레지스터 액세스 시간 보다 긴 기억장치

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

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

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

종류

특성

DRAM

(Dynamic)

- 초고속 데이터 전송용 메모리로서 기억 밀도가 높고 가격이 저렴

- 저장내용을 주기적으로 재생하지 않으며 사라지는 약점존재

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

종류

특성

Masked ROM

- 특정 내용을 생산 공장에서부터 ROM에 기억시켜 출하하  는 것으로 사용자가 임의적으로 기억시킬 수 없음

- 메모리 중 비트당 단가가 가장 저렴

PROM

- Programmable, Non-erasable

- 생산 공장 출하 시 기억된 것이 아무것도 없으며, PROM Writer를 사용하여 사용자가 한번 기억(Write)이 가능함

EPROM

- Erasable, Programmable

- 자외선을 사용하여 기억된 내용을 임의적으로 소거시킨 후 전기적인 방법으로 다시 기억시킬 수 있음

EEPROM

- Electrically Erasable

- 전기적 방법으로 정보를 소거, 저장 연속 진행

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

구분

DDR

DDR2

DDR3

유효클럭수

(속도)

266(PC2100)

333(PC2700)

400(PC3200)

533(PC4200)

667(PC5300)

800(PC6400)

1066(PC8500)

1333(PC10600)

1600(PC12800)

전압

2.5V

1.8V

1.5V

핀수

184

240

240

패키지타입

66-Pin TSOP2

60/84-Ball FBGA

78 Ball FBGA

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

구분

DDR

DDR2

유효클럭수

(속도)

266(PC2100)

333(PC2700)

400(PC3200)

533(PC4200)

667(PC5300)

800(PC6400)

전압

2.5V

1.8V

핀수

184

 

240

 

타입

BGA타입 메모리

 

TSOP타입 메모리

 

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

특징

설명

전력소모 적음

기계 구동부 없이 데이터를 읽고 쓸 때에만 전력을 사용하기 때문에 적은 전력으로 동작이 가능

작은 크기

휴대용 기기의 저장장치로 애용

속도가 빠름

램이나 하드디스크보다는 느리지만 노트북 하드디스크로 사용될 만큼 기술진화가 빠르게 진행되고 있음

안정성 우수

메모리 반도체 덩어리로 구성되어 있어 웬만한 충격으로는 데이터가 손상되지 않음

호환성과 편의성

디지털 카메라, PDA 노트북에 쉽게 연결하여 사용가능

 

 

Ⅶ. Flash Memory의 셀 구조와 구분
    가. Flash Memory의 셀 구조

 

- 산화물 층으로 절연된 Floating

Gate에 전자를 투입시켜

반영구적으로 저장

- Floating Gate에는 1바이트 데이터

저장

 

 

    나. 회로구조에 따른 Flash Memory의 구분

구분

NOR

NAND

Cell 연결구조

병렬연결

직렬연결

Read Access Method

Random Access

Sequential Access

정보임의추출속도

빠름

느림

집적도

낮음

높음

사용기기

휴대전화, 가전제품

MP3, USB 메모리

주요응용

코드 저장

데이터 저장

특징

기억주소를 빠른 시간 내 임의 엑세스

데이터를 쓰고 지우는 시간이 빠른 대신 block address 단위로 엑세스 하여 데이터 저장매체로 적합

주요생산

Intel, AMD

삼성전자, 하이닉스, 도시바

 

 

Ⅷ. 메모리 소자의 비교

구분

FRAM

DRAM

SRAM

Flash Memory

셀 구성

트랜지스터

1개

커패시터1개

트랜지스터1개

커패시터1개

트랜지스터

6개

트랜지스터

1개

정보저장

방법

강유전체의 분극현상

커패시터에 저장되는 전하의 유무

4개의 트랜지스터로 구성된 래치회로 전압

부유 게이트에 주입된 전자의 유무

데이터

휘발성 여부

비 휘발성

휘발성

휘발성

비 휘발성

집적도

중간

높음

낮음

높음

동작속도

빠름

빠름

가장 빠름

느림

(쓰기동작)

전력소모

적음

큼 (Refresh동작 필요)

적음

적음

(읽기동작)

데이터 액세스방법

랜덤 액세스

랜덤 액세스

랜덤 액세스

랜덤 액세스 불가능

 

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