내부 기억장치

기억소자

기억소자란?

반도체 기억장치의 기본 요소
- 기억소자 (Memory Cell)
- 기억소자는 1bit를 저장한다.

기억소자의 동작

선택 단자
- 읽기 또는 쓰기 동작을 할 기억 소자를 선택할 때 사용된다.
제어 단자
- 수행할 동작이 읽기인지 또는 쓰기인지를 결정할 때 사용된다.
Data in
- 쓰기 동작의 경우, 기억 소자의 상태를 1, 0으로 세트할 전기 신호가 들어오는 통로이다.
Sense
- 그 단자가 소자의 상태를 출력하는데 사용한다.
쓰기 동작
읽기 동작

RAM

RAM이란?

기억장치의 각 단어(word)들은 선으로 연결된 주소지정 회로를 통하여 액세스된다.
- 선으로 연결된 주소지정 회로 = Address Bus
데이터 읽기 및 쓰기가 가능하다.
휘발성
- 전원 공급이 끊기면 데이터가 날라간다.
임시 기억장치로 사용될 수 있다.
RAM의 종류
- 동적 RAM (DRAM)
- 정적 RAM (SRAM)

DRAM

DRAM의 특징
- 커패시터(capacitor)에 전하를 충전하는 방식으로 데이터를 저장한다.
  - 커패시터에 전하가 존재하는 지의 여부에 따라 2진수(1과 0)이 구분된다.
- 데이터의 저장 상태를 유지하기 위해서 주기적으로 재충전이 필요하다.
  - 따라서, 재충전 회로가 필요하다.
- DRAM은 아날로그 장치이다.
  - 커패시터는 일정 범위 내의 어떠한 전하값도 저장할 수 있다.
  - 단지, 특정 기준을 중심으로 1과 0을 나눈다.
- 가격이 저렴하고 대용량 기억장치를 구성할 수 있다.
  - 따라서, 주기억장치로 사용된다.
  - 동적 기억소자가 정적 기억소자보다 더 간단하고 더 작다.

DRAM 재충전 동작
- 만약 재충전이 없다면?
  - 1을 Write하여 저장해도, 시간이 지나면 0으로 바뀌게 된다.

DRAM 동작 방식
- 주소선
  - 이 기억소자로부터 비트 값이 읽혀지거나 쓰여질 때 활성화된다.
- 트랜지스터
  - 스위치 역할을 한다.
  - 전압이 주소선에 가해지면, 닫힌다. (전류가 흐른다.)
  - 그렇지 않으면 열린다. (전류가 흐르지 못한다.)
- Write 연산
  - 전압이 비트 선에 가해진다.
    - 1 = 전압 High
    - 0 = 전압 Low
  - 주소 선으로 신호가 들어오면, 그 때 전하가 커패시터로 전송된다.
- Read 연산
  - 주소선이 선택되면 트랜지스터가 켜진다.
  - 커패시터에 저장된 전하가 비트 라인을 통해서 감지 증폭기로 보내진다.
  - 읽기 후 커패시터 전하를 복원해야 한다.

SRAM

SRAM의 특징
- 플립-플롭 논리 게이트를 이용한다.
- SRAM은 디지털 장치이다.
- 재충전이 필요없다. (커퍼시터를 사용하지 않는다.)
  - 전력이 공급되는 동안, 재충전없이 데이터를 계속 유지한다.
- 비트당 크기가 크고 복잡하다.
- 캐시 기억장치로 사용된다.

SRAM 동작 방식
- 1인 상태
  - $O(kn)$ = High
  - $O(kn)$ = Low
  - $O(kn)$ , $O(kn)$ = Off
  - $O(kn)$ , $O(kn)$ = On
- 0인 상태
  - $O(kn)$ = High
  - $O(kn)$ = Low
  - $O(kn)$ , $O(kn)$ = Off
  - $O(kn)$ , $O(kn)$ = On

DRAM vs SRAM

DRAM과 SRAM은 모두 휘발성이다.
- 비트값을 유지하기 위해서는 기억소자로 전력이 계속 공급되어야 한다.
DRAM의 기억소자
- 더 간단하고, 더 작다.
- 밀도가 높다. (단위 면적당 소자수가 더 많다.)
- 더 싸다.
- 재충전 회로가 필요하다.
- 대용량 기억장치에 주로 사용된다.
SRAM의 기억소자
- 더 빠르다.
- 더 복잡하다.
- 캐시 기억장치로 사용된다.

ROM

ROM이란?

비휘발성을 갖는다.
- 데이터를 기억장치에 유지하기 위한 전원 장치가 필요없다.
ROM의 내용을 읽기는 가능하지만, 쓰기는 불가능하다.
- Read Only Memory
데이터나 프로그램이 영구 저장되어 있어 액세스 시간이 짧다.
- 보조기억장치로부터 옮겨올 필요가 없기 때문이다.
ROM 활용
- 시스템 초기화 및 진단 프로그램 (BIOS)
- (CPU)제어 유닛의 마이크로 프로그래밍
- 빈번히 사용되는 라이브러리 서브루틴
단점
- 데이터를 삽입하는 과정에서 비교적 높은 고정 비용이 든다.
- 하나의 비트라도 잘못되면 모든 ROM을 버려야 한다.

반도체 기억장치 유형

유형

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Read-only Memory
- 공장에서 Write된 상태로 나온다.
Programmable ROM
- 빈 ROM
- 전용 장치로 Write 할 수 있다.
- 역시 한번 Write된 내용은 변경할 수 없다.
Erasable PROM
- UV light 를 이용하여 지울 수 있다.
Electrically Erasable PROM
- 전기적으로 지울 수 있다.
Flash Memory
- USB, SSD 등

기억장치 모듈 설계

전형적인 16Mbit DRAM 설계 (4M*4)

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메모리 읽기 동작의 타이밍도: 비동기식

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CPU 주소 중에서 절반만(11비트) DRAM 칩의 주소 입력으로 들어온다.
- ‘행 선택 후 열 선택’ 방식으로 사용하므로
“메모리 읽기/쓰기를 위한 주소 발행” 및 “RAS/CAS 신호 발생”은 기억장치 제어기가 담당한다.
- 기억장치 제어기: “North Bridge 칩셋” or “CPU 내부”로 구현

SDRAM

SDRAM이란?

SDRAM은 클록 신호와 동기화되어 대기 상태 없이 데이터 교환이 가능하다.
- 프로세서는 명령어와 주소를 발송하고, SDRAM이 그 요구를 처리하는 동안 프로세서는 다른 업무를 수행한다.
- 전통적인 DRAM의 동작 방식 (SDRAM과 비교해보자.)
  - 프로세서는 주소와 제어 신호를 기억장치로 보내어 R/W 데이터를 지정한다.
  - 액세스 시간만큼 지연 후 DRAM에 R/W를 수행한다.
SDRAM은 온-칩 병렬성의 기회를 높여주는 이중-뱅크 구조를 가지고 있다.

이후에 다시 상세히 설명한다.
SDRAM은 버스트 모드를 사용한다.
- 한 번의 액세스 동작 시, 여러 바이트들을 연속적으로 전송한다.
- 일련의 데이터 비트들이 첫 번째 비트가 액세스된 후에 클록에 맞춰 출력된다.
- 즉, 한번 액세스하면 한 개의 바이트를 전송하는 것이 아니라, 뒤에 이어지는 바이트를 연속적으로 클록에 맞춰 전송한다.

버스트 읽기 동작 타이밍도: 동기식

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한 번의 액세스로 데이터 4개를 가져왔다.
- 버스트길이 = 4

DDR SDRAM

DDR이란?
- Double Data Rate
DDR에서 속도를 높이는 방법의 종류
- 데이터를 클록 사이클당 2번씩 보내는 방법
- 버스 상에서 더 높은 클록율을 사용하는 방법
- 선인출 버퍼를 사용하는 방법

데이터를 클록 사이클당 2번씩 보내는 방법
- 클록의 상승/하강 엣지마다 데이터를 보내는 방법이다.
- 원리

버스 상에서 더 높은 클록율을 사용하는 방법
- 클록율을 증가시켜서 SDRAM의 속도를 향상시킨다.
- 원리

선인출 버퍼를 사용하는 방법
- DDR 세대에 따른 선인출 버퍼의 변화
- 데이터를 미리 꺼내둘 수 있는 버퍼의 크기가 클수록 성능상의 이점이 있다.

기억장치 채널

기억장치 채널이란?

주기억장치와 CPU 캐시 간의 데이터 전달 통로이다.
형태와 원리

메모리 뱅크에 대해서는 아래에서 계속 설명한다.

기억장치 뱅크

기억장치 뱅크란?
- 기억장치를 분할해, 독립적으로 액세스할 수 있도록 구성한 논리적인 단위이다.
- 일반적으로 하나의 메모리 슬롯이라고 생각하면 된다.

기억장치 인터리빙(Memory Interleaving)
- 각 뱅크는 기억장치 읽기/쓰기를 독립적으로 서비스할 수 있다.
- K개의 뱅크를 가진 시스템은 K개의 요구를 동시에 서비스할 수 있으므로, 기억장치 쓰기/읽기 속도를 K배만큼 증가시킬 수 있다.
- “기억장치의 연속적인 단어들”이 서로 다른 뱅크에 저장되어 있다면, 기억장치의 블록 전송은 속도가 높아진다.

기억장치 랭크

기억장치 랭크란?
- 데이터 입출력 폭이 64비트가 되도록 구성한 기억장치 모듈이다.
  - 64비트: 메모리 산업표준그룹에서 제정된 표준 기억장치 랭크
- 다수의 기억장치 칩들을 병렬로 구성하여 하나의 랭크를 만든다.
  - x4 조직의 SDRAM 사용시(4비트) ⇒ 16개의 칩 병렬 접속
  - x8 조직의 SDRAM 사용시(8비트) ⇒ 8개의 칩 병렬 접속

기억장치 랭크 시각화
- SDRAM 모듈: SDRAM 칩이 모여있는 모듈
- SDRAM 칩: 실제 메모리 역할을 하는 칩

SDRAM 모듈의 종류
- SIMM (Single In-line Memory Module)
  - 단면 모듈
- DIMM (Double In-line Memory Module)
  - 양면 모듈

단면 모듈

1Rx8
- x8 조직의 SDRAM 8개를 병렬접속하여 하나의 랭크를 구성한다.

양면 모듈

2Rx8
- x8 조직의 SDRAM들을 각 면에 8개씩 병렬접속하여 두 개의 랭크로 구성된 기억장치 모듈
여러 종류의 모듈들

플래시 메모리

플래시 메모리란?

플래시 메모리는 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 기억장치이다.
플래시 메모리는 내부 및 외부 기억장치로 사용할 수 있다.

플래시 메모리의 특징
- 작고, 가볍고, 기계적인 충격에 강하다.
- 기록 횟수에 제한이 있으며, 블록을 지운 뒤에 쓸 수 있다.

플래시 메모리 종류
- NOR형
- NAND형

플래시 메모리 동작
- 부동 게이트 (Floating Gate)
  - 부동 게이트를 통해, 정보를 저장한다.
- 기호
- 플래시 메모리의 내부 구조

플래시 메모리의 동작 원리

플래시 메모리의 메모리 셀
쓰기 동작
- 제어 게이트로 고전압을 인가하면, N 채널의 전자가 부동 게이트로 유입된다.
- 부동 게이트에 전자가 충분히 존재하는 상태 ⇒ ‘0’ 을 나타낸다.
삭제 동작
- p 층에 고전압을 인가하면 부동 게이트에 갇힌 전자가 p 채널로 빠져나온다.
읽기 동작
- 드레인 및 게이트에 전압을 인가하면 읽는다.

NOR 형

메모리 셀 배열이 트랜지스터들의 병렬로 접속된다.
- 셀 단위로 액세스가 가능하다.
바이트/워드 단위로 읽기와 쓰기가 가능하다.
- NAND 형에 비해서 읽기 속도가 빠르다.
덮어쓰기/지우기는 NAND 형에 비해서 속도가 느리다.
- 왜냐하면 랜덤 액세스가 불가능하기 때문이다.
낮은 저장 밀도를 갖는다.
휴대 전화 운영체제, 윈도우의 BIOS 프로그램을 저장하는데 사용된다.

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NAND 형

메모리 셀 배열이 트랜지스터들의 직렬로 접속된다.
- 메모리 셀 단위 액세스가 불가능하다.
블록들로 구성되며, 각 블록은 페이지들(2KB, 4KB 등)로 구성된다.
읽기/쓰기는 페이지 단위로, 삭제는 블록 단위로 이루어진다.
NOR 형보다 읽기 속도는 느리지만, 쓰기 속도는 더 빠르다.
NOR 형보다 셀당 면적이 작아서, 대용량 저장장치에 유리하다.
SSD, USB 플래시 드라이브, 메모리 카드에 사용된다.

SLC, MLC, TLC

SLC, MLC, TLC 는 부동 게이트로 들어가는 전자들의 수를 조정하여 각 셀에 저장되는 상태의 수를 증가시킨 것이다.
- 즉, 제어 게이트의 전압을 세부적으로 구분한 것이다.
SLC
- Single-Level Cell
- 두 가지 상태를 가짐으로써 한 비트를 저장하는 셀이다.
MLC
- Multi-Level Cell
- 셀의 상태를 4가지로 구분할 수 있다.
- 00, 01, 10, 11
- 메모리 셀 당 2비트씩 저장된다.
TLC
- Triple-Level Cell
- 셀의 상태를 8가지로 구분할 수 있다.
- 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111
- 메모리 셀당 3비트씩 저장된다.
MLC과 TLC의 문제점
- 전자 수 조정을 위한 세밀한 작업이 필요하다.
  - 전자의 개수를 통해, 셀의 상태를 구분하므로
- 데이터 구분의 어려움으로 인한 액세스 속도 저하
- 오류 발생 빈도 증가
- 수명 단축

성결대학교 컴퓨터 공학과 최정열 교수님 (2021)
William Stalling, 『컴퓨터시스템구조론(10판)』

본 게시글은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.