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메모리 계층 구조와 메모리 소자

by sj.gongdori 2022. 11. 24.

메모리 계층 구조


 대부분의 전자 제품의 하드웨어 구성은 컴퓨터의 구성 요소를 베이스로 발전하였다. 컴퓨터의 하드웨어적 구성은 사람의 기능적 역할과 비슷한 구석이 있다. 사람의 눈이나 귀에 해당하는 입력장치, 손이나 입에 해당하는 출력장치가 있다. 그리고 컴퓨터의 핵심적인 하드웨어는 사람의 뇌와 역할 적으로 비슷하다. 데이터를 활용하여 계산이나 데이터 가공을 하는 영상장치인 CPU(Central Processing Unit), 그리고 사람의 기억들처럼 활용하는 데이터를 저장하기 위한 목적의 기억장치인 메모리가 있다.

 

 하드웨어적으로 CPU와 메모리는 떨어져 있어 데이터를 주고받게 되어있다. CPU는 메모리에 비해 상대적으로 빠르다. 그 때문에 한 종류의 메모리로 하드웨어를 구성하게 되면 상대적으로 CPU와 데이터를 주고받는 속도가 느리거나 필요한 데이터를 모두 저장하기에 용량이 부족하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해서 메모리는 계층적으로 설계되어 있다. CPU의 내부에 존재하는 레지스터, 캐시 메모리와 CPU 외에 있는 주기억 장치가 있다. 레지스터와 캐시 메모리는 매우 빠른 속도를 자랑하지만 크기 대비 작은 용량을 가진다. 레지스터의 경우 현재 연산 중인 데이터를 저장하고, 캐시 메모리의 경우 자주 사용하는 데이터의 주기억장치 위치를 저장해 데이터에 접근하는 속도를 줄여준다.

 

 주기억 장치는 레지스터, 캐시 메모리에 비해 상대적으로 속도는 느리지만 용량은 커진다. 주기억 장치는 크게 1차 메모리로 활용되는 RAM(Random Access Memory)2차 메모리로 활용하는 ROM(Read Only Memory)으로 구성되어있다. RAM은 데이터의 저장 위치에 상관없이 접근하는 데 걸리는 시간이 동일하며 2차 메모리 대비 속도가 빠르다. 자유롭게 읽고 쓰는 것이 가능하다. 반면에 ROM은 RAM 대비 느린 속도를 가지지만 상대적으로 큰 용량을 가지며, 가장 중요한 건 전력이 없어도 데이터가 지워지지 않는 비휘발성 메모리이다.

메모리 소자와 메모리 계층 구조


 메모리의 구조를 알아봤으니 메모리의 소자들에 대해서 알아보자. 제일 빠른 속도를 자랑하는 SRAM(Static Random Access Memory)과 있다. SRAM은 6개의 트랜지스터로 프립프롭 구조 인버터 두 개를 형성한 형태이다. SRAM의 가장 큰 장점은 속도다. 다른 메모리 소자와 비교할 때 저장하기 위한 구조가 트랜지스터 외에는 없어 데이터를 저장하고 쓰는 속도가 트랜지스터 속도 수준으로 유지할 수 있다. 그러나 SRAM의 경우 정보를 유지하기 위해서는 지속해서 전력을 소모해야 하는 단점이 있고 6개의 트랜지스터를 쓰는 만큼 다른 소자들 대비 큰 면적을 차지한다. 이런 이유에서 SRAM은 CPU 내부의 레지스터, 캐시메모리로 사용되는 고성능 고전력 메모리 소자이다.

 

 다음으로는 메모리에서 가장 유명한 DRAM(Dynamic Random Access Memory)에 대해서 알아보자. DRAM은 하나의 트랜지스터와 Capacitor로 구성되어있다. 정보를 저장하기 위해서 Capacitor에 전자를 넣거나 빼는 방식으로 저장한다. DRAM은 Capacitor에 저장해둔 전자가 시간이 지남에 따라 빠져나가는 특성을 커버하기 위해서 주기적으로 전력을 공급하여 Refresh를 해주어야 저장된 데이터가 유지된다. Capacitor를 통해서 데이터를 넣고 빼기 때문에 트랜지스터만 사용하는 SRAM에 비해서 상대적으로 속도가 느리지만 트랜지스터와 Capacitor 한 개로 이루어진 단순한 구조로 좁은 면적에 더 큰 용량을 저장할 수 있다. 이런 사유로 DRAM은 주기억 장치의 1차 메모리로 활용된다.

 

 마지막으로 2차 메모리로 활용되는 Flash 메모리다. Flash 메모리는 트랜지스터 한 개의 구조에서 Gate에 강한 전압으로 Oxide 영역에 전자를 주입하여 데이터를 저장한다. Oxide에 주입된 전자는 트랜지스터에 전류를 흐렸을 때 전류의 양에서 차이가 나고 이를 통해서 0과 1을 구분한다. 트랜지스터 한 개로 이루어져 더 좁은 면적에 많은 정보를 저장할 수 있다. 그러나 Oxide 영역에 직접 전자를 주입하는 방식으로 데이터를 저장하기 때문에 상대적으로 데이터를 지울 때 속도가 매우 느리다. 그러나 이는 전력을 공급하지 않아도 데이터를 유지할 수 있어 Flash 메모리는 비휘발성이라는 장점을 가진다. 이런 비휘발적인 특성과 상대적으로 느린 속도 그리고 트랜지스터 한 개로 구성되어 좁은 면적에 큰 용량을 저장할 수 있는 Flash 메모리는 주기억 장치의 2차 메모리로 활용되며, 최근 가격의 하락으로 보조기억장치로도 활용된다.

 

 전자 제품의 하드웨어적인 구성에서 CPU와 메모리의 속도 차이를 커버하기 위해 메모리는 계층 구조읭 형태로 이루어지며, 각각의 메모리 계층의 특성에 맞게 반도체 소자가 활용되고 있다. 이후에는 반도체의 소자와 반도체 시장에 대해서 이야기하겠다.

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