낸드 플래시 메모리의 역사와 진화

낸드 플래시 메모리란?

낸드 플래시 메모리란? 낸드플래시 메모리는 비휘발성 스토리지 기술의 일종으로 데이터 보존에 전력을 필요로 하지 않는다.낸드플래시 개발의 중요한 목표는 플래시 메모리가 하드 디스크와 같은 자기 저장 장치와 경쟁할 수 있도록 비트당 비용을 줄이고 최대 칩 용량을 늘리는 것이었습니다. 낸드플래시는 대용량 파일을 자주 업로드하고 교체하는 기기 시장을 개척했습니다. MP3 플레이어, 디지털 카메라, USB 플래시 드라이브는 낸드 기술을 사용한다. 낸드 플래시는 데이터를 블록으로 저장하고 전기회로에 의존해 데이터를 저장합니다. 낸드 플래시 메모리에서 전원이 차단되면 금속 산화물 반도체가 메모리 셀에 추가 전하를 공급하여 데이터를 유지합니다. 일반적으로 사용되는 금속 산화물 반도체는 플로팅 게이트 트랜지스터입니다. FGT는 NAND 로직 게이트와 유사하게 구성되어 있습니다. 낸드 메모리 셀은 제어 게이트와 플로팅 게이트의 두 가지 타입으로 만들어집니다. 두 게이트 모두 데이터 흐름을 제어하는 데 도움이 됩니다. 하나의 셀을 프로그래밍하려면 전압 전하가 컨트롤 게이트로 전송됩니다. 다음으로 낸드 플래시 메모리 동작에 대해서 알아보겠습니다. 플래시 메모리는 EEPROM 칩의 특수한 타입입니다. 플래시 회로는 열과 행의 그리드를 만듭니다. 그리드의 각 교차점에는 얇은 산화층에 의해 분리된 두 개의 트랜지스터가 있습니다. 하나는 플로팅 게이트이고 다른 하나는 컨트롤 게이트입니다. 제어 게이트는 플로팅 게이트를 그리드의 해당 행에 연결합니다. 컨트롤 게이트가 이 링크를 제공하는 한 메모리 셀의 디지털 값은 1이며, 이는 비트가 지워짐을 의미합니다. 셀을 디지털 값 0으로 변경하려면 비트를 효과적으로 프로그래밍하기 위해서 Fowler Nordheim 터널링, 즉 단순히 터널링이라고 불리는 프로세스가 실행되어야 합니다. 터널링은 전자가 부유 게이트에 배치되는 방식을 변화시킵니다. 신호전압은 그리드의 각 컬럼라인을 따라 전송되며 플로팅게이트에 들어가 플로팅게이트상의 전하를 접지로 드레인합니다. 이 변화는 전자가 산화층을 가로질러 밀리게 하고 산화층의 전하를 변화시켜 플로팅 게이트와 컨트롤 게이트 사이에 장벽을 만듭니다. 이 변경으로 인해 전하가 특정 임계값 전압 아래로 떨어지면 셀 값은 디지털 0이 됩니다. 플래시 셀은 터널링을 정지하고 플로팅 게이트로 전하를 반환하는 고전압 전하를 인가함으로써 소거할 수 있습니다. 이 프로세스에는 액티브 제어 회로에 의해 공급되는 전압이 필요합니다. 그러나 플래시 디바이스를 구성하는 셀은 칩에 대한 외부 전원이 차단되면 충전 또는 방전된 상태를 무기한 유지합니다. 낸드플래시 메모리의 비휘발성이 그것입니다. 플래시 셀에서 발생하는 충전 및 터널링 프로세스는 트랜지스터에 파괴적이며 셀이 고장나기 전에 한정된 횟수만 프로그래밍 및 소거할 수 있습니다. 메모리 마모 또는 그냥 마모라고 불리는 플래시 개념입니다. 그렇다면 본격적으로 낸드 플래시 메모리의 역사와 진화에 대해서 알아보겠습니다. 플래시 메모리는 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 개발에 뿌리를 두고 있습니다. MOSFET 기술은 1959년에 개발되었고 플로팅 게이트 MOSFET의 개발은 1967년에 이루어졌습니다. 이러한 초기 트랜지스터 개발자들은 외부 전원 없이도 소자가 상태를 유지할 수 있다는 것을 깨닫고 비휘발성 및 재프로그래밍 가능한 프로그래머블 읽기 전용 메모리 칩을 위한 플로팅 게이트 메모리 셀로서 사용할 것을 제안했습니다. 이것은 기존 ROM 칩에 비해 유연성에 잠재적인 이점입니다. 이러한 트랜지스터는 1970년대까지 소거 가능한 PROM 및 EEPROM 디바이스의 기반을 형성했지만 그 사용은 제한적이었습니다. 도시바 디자이너는 플래시 메모리 셀 그룹을 블록 또는 그룹으로 재설계하고 전체 블록을 빠르게 지우는 데 사용되는 회로를 추가한 최초의 기업입니다. 이 빠른 삭제는 순식간에 이루어지며 이름은 그대로 유지된다고 합니다.NOR 플래시는 1984년에 제안되었고 낸드 플래시는 1987년에 제안되었습니다. 도시바는 1987년에 최초의 낸드 플래시 장치 중 일부를 제조했고 인텔은 1988년에 NOR 플래시 장치를 제조했습니다. 스마트미디어와 같은 NAND 기반의 이동식 메모리 카드 장치는 1990년대 중반에 등장했으며 멀티미디어 카드와 기타 폼 팩터를 포함한 여러 가지 변형을 수반했습니다. 미니 SD나 마이크로 SD등의 리무버블 카드는 진화해, 소형 폼 팩터로 뛰어난 퍼포먼스를 실현했습니다. 낸드 플래시 메모리 밀도와 성능, 신뢰성은 2000년대와 2010년대에 걸쳐 약진해 셀당 2비트를 제공하는 멀티레벨셀, 셀당 3비트를 저장하는 트리플레벨셀, 셀당 4비트를 저장하는 쿼드레벨셀 등 새로운 셀 설계 기술을 활용했습니다. 메모리 셀 기술이 더욱 발전함에 따라 메모리 셀의 층을 층으로 쌓아올려 더 큰 플래시 스토리지 용량을 제공할 수 있습니다. 다음으로 낸드 플래시 스토리지 유형에 대해서 알아보겠습니다. 일반적인 낸드 플래시 스토리지 유형에는 SLC, MLC, TLC, QLC 및 3D NAND가 있습니다.각 유형을 구분하는 것은 셀당 비트 수입니다. 각 셀에 더 많은 비트가 저장될수록 낸드 플래시 스토리지의 비용은 낮아집니다. 먼저 SLC입니다. 이것은 셀당 1비트를 저장합니다. SLC는 내구성이 가장 높지만 낸드플래시 저장장치 중 가장 비싼 유형이다. 그리고 MLC입니다. 이건 셀당 2비트를 저장합니다. 소거와 기입 사이클이 2배 이상 발생하기 때문에 MLC는 SLC에 비해 내구성이 떨어집니다. 하지만 그것은 덜 비쌉니다. 많은 PC가 MLC를 사용합니다. 다음으로 TLC입니다. TLC는 셀마다 3비트를 저장합니다. 가격은 저렴하지만 성능은 낮기 때문에 많은 소비자 수준의 제품이 이를 사용합니다. 그리고 QLC는 셀마다 4비트를 저장합니다.QLC는 내구성이 훨씬 낮고 일반적으로 비용이 저렴합니다. 마지막으로 3D 낸드입니다. 평면 NAND에는 메모리 셀이 한 층만 있는 반면에 3D 낸드에는 셀이 서로 겹쳐 쌓입니다. 삼성은 3D 낸드를 수직 낸드 또는 V낸드라고 부릅니다. 데이터 스토리지와 휴대용 장치에 대한 끊임없는 수요는 낸드 플래시 칩의 부족을 야기했습니다. 낸드 플래시 부족은 2016년에 시작되어 2021년까지 지속되고 있습니다. 이러한 부족은 부분적으로 수요의 결과이기도 하지만, 공급업체들이 2D 또는 평면 NAND를 제조하던 것에서 훨씬 더 밀도가 높은 3D NAND 기술로 전환하고 있기 때문이기도 합니다. 3D 낸드 칩을 만드는 것은 더 복잡한 공정입니다. 오늘날 솔리드 스테이트 드라이브와 스마트폰은 낸드 플래시 시장의 주요 원동력입니다. 낸드 플래시 메모리 시장은 2020년까지 460억 달러 이상에 달했고 2026년에는 850억 달러 이상에 이를 것으로 예상됩니다. 하지만 낸드 플래시 메모리의 한계와 과제도 역시 존재하는데요. 플래시 메모리 기술은 카메라의 비휘발성 메모리 카드부터 엔터프라이즈급 SSD에 이르기까지 현대 전자 장치에 엄청난 이점을 제공했습니다. 그러나 낸드 플래시와 같은 플래시 기술은 마모, 소거, 크로스 크리스털을 포함한 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 몇 가지 주요 제한과 과제를 제시합니다. 플래시 메모리에는 한정된 수의 프로그램 및 삭제 사이클이 있습니다. 일부 NAND 플래시 칩의 경우 10만 프로그램 및 삭제 사이클 이상의 등급이 매겨지지만 대부분의 기본 플래시 제품은 스토리지 셀 무결성 장애가 발생하기 전에 10만 프로그램 및 삭제 사이클의 등급이 매겨집니다. 일반적으로 마모 레벨링이라고 하는 쓰기 작업을 전체 플래시 장치에 분산하여 마모를 완화합니다. 쓰기 검증 및 재매핑 기술을 사용하여 불량 블록 관리를 지원할 수도 있습니다. 여기서 읽기 주기는 제한되지 않습니다. 플래시 메모리는 한 번에 바이트 또는 워드를 쓸 수 있지만 플래시 메모리는 블록 전체에서 삭제해야 합니다.블록이 지워지면 모든 비트가 1로 설정됩니다. 비트가 0으로 변경되면 해당 블록 전체를 지우고 다시 1로 변경해야 합니다. 새로운 기입이 이루어지기 전에 블록을 소거하는 데 한정된 시간이 걸리기 때문에 다이내믹 RAM 등 다른 형태의 휘발성 메모리에 비해 플래시 메모리의 전체적인 퍼포먼스가 제한됩니다. 소거도 메모리 마모 문제의 일부입니다. 낸드 플래시 메모리를 읽으면 시간이 지남에 따라 주변 메모리 셀이 변경될 수 있습니다. 읽기 방해라는 현상입니다. 실제로 약간의 변화를 일으키려면 수십만 개의 읽기가 필요할 수 있습니다. 읽기 장애 임계값에 도달하기 전에 블록이 삭제되고 다시 프로그래밍될 가능성이 훨씬 높습니다. 단, 플래시 회로는 읽기 방해 이벤트가 발생하기 전에 읽기 사이클을 카운트하고 개입하여 블록을 복사할 수 있습니다. X선과 같은 고에너지 입자는 플래시 메모리 셀 배열에서 0을 1로 바꿀 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하는 데 도움이 되는 X선 내성 메모리 장치를 사용할 수 있습니다. 이러한 낸드 플래시 메모리의 미래에 대해서 알아보자면 낸드 플래시 메모리는 현대 모바일 전자기기의 필수 구성요소가 되었습니다. 이러한 장치가 확산하고 더 많은 특징과 기능을 제공하기 위해 노력함에 따라 늘어나는 코드와 데이터 스토리지 요구를 처리하기 위해 점점 더 많은 양의 낸드 플래시 메모리가 요구될 것입니다. 낸드 플래시 메모리의 설계와 진화의 주된 목표는 더 작고 더 낮은 칩에 더 많은 비트를 넣는 밀도입니다. 최근 몇 년간 SK하이닉스의 128단 4D 낸드가 개발되고 있습니다. 이를 통해 스마트폰에 이상적인 칩 패키지 두께 1mm의 실용적인 1TB NAND 스토리지 장치를 효과적으로 생산할 수 있습니다. 마찬가지로 삼성은 100개 이상의 레이어로 구성된 V 낸드 장치를 생산하여 낮은 레이텐시와 낮은 전력 소비로 더 나은 메모리 성능을 제공합니다. 더 큰 용량과 더 뛰어난 성능을 지향하는 이러한 근본적인 추진력이 낸드 장치의 미래를 결정지을 것입니다. 제조사들은 이미 192단 3D 낸드를 개발하고 있고 256단 낸드 디바이스도 출시되고 있습니다. 제조업체들은 혁신적인 플래시 회로 설계와 함께 지속적으로 개선되는 반도체 재료 및 플래시 웨이퍼를 생산하는 제조 기술을 통해 이러한 목표를 달성할 것입니다. 이와 동시에 플래시 제조업체들은 향후 낸드 장치의 마모 수명을 연장하고 읽기 방해와 같은 비트 오류의 가능성을 줄임으로써 낸드 장치의 신뢰성을 향상시키려 할 것입니다. 지금까지 낸드 플래시 메모리의 역사와 진화에 대해서 자세히 살펴봤습니다.