비휘발성 메모리

정의와 소자 3종

비휘발성 메모리는 전원이 차단되어도 저장 데이터가 유지되는 기억소자이다.

대표적인 차세대 소자는 FeRAM, STT-MRAM, PRAM이다.

이 세 가지를 저장 원리 중심으로 나누어 살펴보자.

DRAM과 플래시 사이

DRAM은 빠르지만 전원이 꺼지면 데이터가 사라지고 주기적인 갱신이 필요하다.

플래시는 비휘발성이지만 쓰기 속도와 내구성이 DRAM보다 낮다.

SCM은 DRAM처럼 빠르면서 플래시처럼 데이터를 보존하는 것을 목표로 한다.

플래시의 한계

플래시는 플로팅 게이트에 전자를 가두는 방식이다.

셀 크기가 줄수록 누설 전류와 간섭이 커져 한계가 드러난다.

그래서 차세대 소자는 전하 대신 분극, 자화, 결정 상태를 이용한다.

세 소자의 저장 원리

FeRAM은 강유전체의 잔류 분극 방향으로 0과 1을 구분한다.

STT-MRAM은 MTJ에 전류를 직접 흘려 자유층의 자화 방향을 바꾼다.

PRAM은 칼코제나이드 물질의 결정질과 비정질 저항 차를 이용한다.

세 소자 모두 하나의 소자와 선택 트랜지스터로 이루어진 단순한 셀 구조다.

쓰기 에너지 계산

쓰기 에너지는 전압, 전류, 시간을 곱해 구한다.

예를 들어 전압 1.0 V, 전류 100 μA, 시간 10 ns라 하자.

그러면 한 비트의 쓰기 에너지는 1 pJ이 된다.

같은 식에서 전류가 큰 소자는 쓰기 에너지가 커진다.

비교와 한계

세 소자는 모두 비휘발성이지만 쓰기 전류, 속도, 내구성, 집적도가 서로 다르다.

FeRAM은 구조가 DRAM과 비슷해 저전력, 고속 쓰기에 강하지만 집적도가 낮다.

STT-MRAM은 내구성과 고속성이 강하고 쓰기 전류 밀도를 낮추는 것이 과제다.

PRAM은 고집적과 다중 레벨 셀이 강점이나 쓰기 전력과 내구성이 약점이다.

정리

이번 장에서는 비휘발성 메모리의 원리와 한계를 정리했다.

플래시를 완전히 대체하기보다 메모리와 저장장치 사이의 계층을 보완하는 방향으로 논의된다.

시험에서는 원리 구분과 한계 제시에 점수가 가장 많이 배정된다.