Memory 반도체란 (ROM, RAM, 차이점, 종류)

Memory

 

메모리란 무엇을 말하는 것일까?

먼저 메모리란, 데이터를 저장, 유지하기 위한 전기적 혹은 자기적 기억장치를 말한다.

 

그렇다면 하드디스크(HDD)는 메모리일까? 

 

어떻게 보면 맞지만, 반도체 업계에서는 아니다. 반도체 업계에서는 반도체를 이용한 RAM (Random Access Memory)과 ROM (Read Only Memory)를 말한다. 이런 RAM, ROM은 주기억장치라고 말하고 하드디스크(HDD)와 같은 애들은 보조기억장치라고 말한다. 말 그대로 보조하는 역할을 수행한다. 

 

왼쪽 : 보조기억장치 / 오른쪽 : 주기억장치 중 NAND Flash Memory

 

자 이제 우리는 메모리가 RAM과 ROM에 이라는 것을 알았다. 조금 다르게 말하면 메모리는 Buffer Memory와 Storage Memory로 나눠 부를 수도 있다.

 

Buffer Memory는 성능의 차이가 있는 부분을 완충해 주는 역할을 한다. 알다시피  속도가 겁나 빠른 CPU와 속도가 겁나 느린 SSD의 속도 성능의 차이를 줄여주는 메모리를 Buffer Memory라고 부른다. 맞다. RAM이 Buffer Memory다.

 

Storage Memory는 뜻 그대로 데이터를 저장하는 메모리다. 맞다. ROM이다. 

 

 

 ROM (Read Only Memory)

 

가장 큰 특징은 Non-Volatile Memory다. 비휘발성 메모리라는 의미인데 뜻 그대로, 사라지지 않는 메모리다. 전원이 없어도 저장된 데이터(전자)를 잃지 않는다. 거의 영구적이라고 봐도 무방할 정도로 오래 저장할 수 있다. 

 

그리고 용량이 엄청 큰데 너무 크다 보니 내가 필요한 정보를 찾는데 시간이 오래 걸린다. 즉, 데이터의 접근 속도가 느리다. 하지만 비용은 싸고 용량이 엄청 크기 때문에 꼭 필요로 하는 요소이다.

 

ROM의 종류를 변천사로 보며 조금 더 자세히 이해해 보자.

 

 

최초의 ROM은 Mask-ROM이라고 해서, 이미 기억을 다 시킨 상태로 나오는 것이다. 다시 말해 Write를 시켜놓고, Read만 하는 것이다. 예를 들면 '안녕'을 Write 하고, 인형에 집어넣고 버튼을 누르면 '안녕'이 반복되는 것처럼 말이다. 

 

근데 이게 반도체의 양산 시간은 TAT (Turn Around Time)이라고 해서 90~100일 정도 걸린다. 칩 하나를 제조하는데 3개월이 넘게 걸리니 시장에 빠르게 대응하기가 어려웠다. 내가 지금 인기 있는 유행어를 반복하는 Chip을 Write 해서 생산했더니 3개월 후에는 유행어가 사라졌을 수도 있으니 문제가 있었다.

 

그래서 양산이 끝난 뒤에(Fab-Out) 한 번 더 Write 할 수 있는 OTR-ROM (One Time Programmable)이 나왔다. OTP-ROM이 생소할 수 있는데 PROM (Programmable ROM)이라고 볼 수 있다. 이렇게 되니, 시장대응에도 쉽고 용이했다.

 

그런데 한 번만 Write 하는 게 아니라 계속 지우고 쓸 수 있는 ROM이 필요했다. 그래서 나온 게 EPROM (Erase Programmable ROM)이다. 자외선을 쏴주면 데이터가 지워지고 다시 쓸 수 있게 됐다. 그런데 자외선을 쏴주는 장치가 필요하다 보니 가격이 감당이 안 됐다. Cost 측면에서 문제가 생겼다. 자외선이 아닌 전기적으로 지웠다 썼다 할 수 있는 게 필요해졌다.

 

이렇게 EEPROM (Electrically Erase Programmable ROM)이 탄생됐다. 이게 지금까지 쓰이는데 *DIMM의 정보를 저장하는 **SPD가 EEPROM을 쓴다. 또 NAND Flash도 EEPROM의 하나 중 하나다. Byte 단위로 썼다 지웠다 하는 게 특징이다.

 

(*DIMM : Dual In-Line Memory Module의 약자로 PCB 위에 단품 메모리를 부착하여 만든 Module이다.  우리 컴퓨터에 들어가는 DRAM이 DIMM에 붙어있다. 양면에 Pin이 존재한다.)

(**SPD : Serial Presence Detect의 약자로, 휘발성 메모리인 DIMM의 정보를 저장하기 위해 비휘발성인 SPD에 DIMM의 정보를 저장한다.)

 

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현재 ROM의 대표적인 친구는 NAND Flash이다. Read Only라고 했지만, Write도 한다. 하지만 대부분 Read만 하고 Write가 너무 느리기 때문에 ROM으로 분류했다. 

 

실제로 Verify Write라고 해서 데이터를 Write 할 때 제대로 써졌는지 확인하고 제대로 Write가 안 됐다면 썼다 지웠다는 반복하는 동작을 한다. 안 그래도 느린데 이러니 속도가 엄청 느리다.

 

 NAND Flash는 현재 산업이 많이 뜰 것으로 전망되고, 3D로 적재하여 용량을 엄청나게 늘리고 있다.

다음으로는 RAM이다. 

 

 

RAM (Random Access Memory)

 

위에서 말했던 것처럼 Buffer Memory는 두 사이의 간극을 채우는 완충제 ( Buffer )라고 했는데 ROM이 워낙 느리니 CPU와의 간극을 채우기 위해 사용된다. 

 

Memory Hierarchy를 먼저 알면 좋은데, 우리나라 말로는 메모리 계층구조이다. 아래 그림을 보면 위로 올라갈수록 용량은 줄어들지만 속도가 엄청 빠르다. 아래로 내려갈수록 용량은 엄청 늘어나지만 속도는 상대적으로 느리다. 비용도 올라갈수록 비싸고 내려갈수록 싸다.

https://www.scaler.com/topics/memory-hierarchy/

 

RAM의 특징은 ROM보다 용량은 훨씬 적다. 용량이 적으니 내가 필요로 하는 정보를 더 빨리 찾을 수 있다. 즉, 속도가 빠르다. 그러니 ROM보다 더 비싸다. 

 

무엇보다 중요한 특징은 ROM은 Non-Volatile Memory라고 전원이 없어도 가지고 있는 데이터를 가지고 있지만, RAM은 전원이 없으면 가지고 있던 정보가 다 사라지는 Volatile Memory이다. 휘발성이라는 뜻으로 전원이 없으면 정보들이 날아간다. 

 

처음에 ROM보다 빠르게 동작하는 게 뭐 없을까? 해서 나온 게 SRAM (Static RAM)이다. SRAM은 현재 Cache Memory로 많이 사용되고 있다. 왜냐면 속도가 겁나 빠르게 때문이다. 하지만 Transister가 6개가 필요하기 때문에 사이즈도 좀 크고 무엇보다 비싸다. 그러니 메인 메모리를 SRAM으로 만들기엔 제약이 있었다. 

 

그래서 6개의 소자가 아니라 4개, 3개만 사용해서 만들기도 했다. 그러다가 1968년 Robert H. Dennard라는 사람이 현재의 DRAM구조인 1-Transister, 1-Capacitor를 제안했다. 이게 지금까지도 메인 메모리인 DRAM의 구조로 쭉 사용되고 있다.

 

+ 요즘은 NAND Flash와 DRAM 사이에도 너무 속도 차이가 심해서 중간 단계를 개발하려고 하고 있다. 속도 차이가 얼마나 심하냐면, DRAM은 마하로 달리는 제트기라고 하면 NAND는 거북이다. 

 

메모리의 개요는 이 정도로 알면 좋을 것 같다. 다음엔 메모리 중에서 메인 메모리인 DRAM에 대해 자세히 알아보자.