[e돋보기] 낸드플래시

[양태훈기자] 낸드플래시는 셀이 직렬로 배열돼 있는 플래시 메모리의 한 종류다. 플래시 메모리는 전기적인 방법으로 정보를 자유롭게 입출력해 전력소모가 적고 고속프로그래밍이 가능한 것이 특징이다.

D램은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 셀이 구성되지만, 플래시 메모리는 트랜지스터 1개로 하나의 셀을 구성한다.

플래시 메모리는 반도체 칩 내부의 전자회로 형태에 따라 직렬로 연결된 낸드플래시와 병렬로 연결된 노어플래시와 구분된다.

낸드플래시는 저장단위인 셀을 수직으로 배열하는 구조를 취하고 있다. 이는 좁은 면적에 더 많은 셀을 만들 수 있어 대용량화에 유리한 장점을 지닌다.

또 데이터를 순차적으로 찾아 읽기 때문에 노어플래시 대비 읽기 속도는 느리지만, 별도의 셀 주소를 기억할 필요가 없어 상대적으로 훨씬 더 빠른 속도를 제공한다.

낸드플래시의 메모리 셀은 플로팅 게이트(FG) 위에 전자를 채우고 이를 비우는 방법으로 데이터를 기록·지우는 식으로 구동된다.

플로팅 게이트는 절연체(전자가 흐르는 물질)인 산화막이 둘러싸고 있는 구조로 이뤄져 있는데, 기본적으로 전자는 컨트롤 게이트에 전압이 가해지기 전까지 이동하지 못하는 상태를 유지한다.

컨트롤 게이트에 전압이 가해지면 자기장이 발생하면서 전자가 플로팅 게이트로 이동(터널 효과), 이후 전압이 사라지면 플로팅 게이트에 전자가 갇히면서 데이터를 쓰는 작업을 하게 된다.

반대로 지우기 작업은 플로팅 게이트에 채워진 전자를 비우는 방식으로 이뤄진다.

읽기 작업은 컨트롤 게이트에 터널 효과가 발생하지 않을 만큼 약한 전압을 걸어 이때 발생하는 전자의 양 차이를 통해 셀에 기록된 데이터를 파악하는 식이다.

낸드플래시는 종류별로 컨트롤러(쓰기·읽기·재활용 등의 작업 관리 및 사용자가 원하는 데이터를 처리하는 역할)가 하나의 패키지로 구성돼 스마트폰이나 태블릿PC의 내장 스토리지(저장장치)로 사용되는 'eMMC(embedded Multi Media Card)'와 하드 디스크 드라이브(HDD) 대비 높은 내구성과 빠른 속도를 제공해 노트북, 울트라북, 서버 등에 활용되고 있는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)로 나뉜다.

최근 업계에서는 HDD의 시스템 성능 향상이 한계에 부딪힘에 따라 SSD가 대체 제품으로 각광받고 있다.

이는 SSD가 PC 및 데이터센터에 사용될 경우, HDD 대비 고성능·저전력·저소음화를 강점으로 여러가지 이점을 제공하기 때문이다.

시장조사업체 가트너에 따르면 SSD는 오는 2019년 전체 PC 시장의 48%를 차지할 전망이다.

증권업계에서는 과거 SSD가 HDD 대비 높은 가격으로 시장성장이 제한적이었지만 최근 SSD의 가격이 HDD와 비슷한 수준으로 보급화됨에 따라 가격경쟁력이 높아졌고, 특히 올해 4분기부터는 HDD보다 가격이 낮아질 것으로 예상하고 있다.

특히, 데이터센터 시장에서 SSD는 HDD 대비 운용비용을 줄일 수 있는 이점을 제공해 앞으로 SSD가 HDD를 빠르게 대체할 것으로 예측된다.

HDD는 지난 수십년 동안 PC 및 서버 시장에서 주된 스토리지로 활용돼 왔다.

HDD의 평균 용량은 지난 1998년 49기가바이트(GB)에서 지난해 940GB로 크게 증가했지만 적용기술은 크게 변하지 않았다.

HDD는 저장공간인 디스크와 디스크를 움직이는 디스크 모터, 디스크 위에서 움직이는 헤드, 헤드와 엑추에이터를 연결하는 엑추에이터 암으로 구성돼 있다.

작동방식은 디스크 모터가 회전하면, 디스크가 움직이면서 이에 따라 헤드가 움직이면서 데이터의 읽기 및 쓰기 동작을 반복하는 식으로 구동된다.

HDD는 모터의 회전을 이용하기 때문에 속도 향상에 태생적인 한계를 가지고 있으며, 외부 충격 시 헤드의 비정상적인 움직임에 따라 데이터 손실이 발생하는 구조적인 문제점을 지닌다.

SSD가 HDD를 대체할 수 있는 스토리지로 각광받는 것은 시스템의 성능을 좌우하는 주요 부품인 중앙처리장치(CPU)와 메모리 반도체인 D램의 성능이 급속도로 발전한 반면 HDD는 제한적인 성능 개선만이 이뤄졌기 때문이다.

즉, 모터의 회전으로 데이터를 처리하는 HDD가 더이상 미세 회로 사이의 전자의 움직임으로 데이터를 처리하는 반도체의 성능을 따라잡기 힘든 상황이 된 것.

반면, SSD는 낸드플래시를 사용, 수명과 내구성을 보완하기 위해 낸드 컨트롤러와 캐쉬 메모리인 D램 반도체로 구성돼 HDD 대비 데이터처리 속도가 빠르고, 전력소모가 적으며, 소음이 발생하지 않는 장점을 제공한다.

또 외부 충격에 따른 데이터 손실 가능성도 HDD 대비 크게 떨어진다.

소비전력 역시 SSD는 HDD 대비 휴면상태에서 90%, 동작상태에서 74% 정도 적게 전력을 소모, 소음도 HDD가 평균 36.7데시벨(dB)을 기록한다면 SSD는 26.6dB로 큰 차이가 난다.

특히, 최근 삼성전자와 SK하이닉스 등이 트리블레벨셀(TLC) 및 3차원(3D) 적층기술을 개발, 이를 상용제품에 적용함에 따라 SSD의 가격은 HDD보다 빠르게 떨어지고 있다.

TLC란 선폭의 미세화 없이 컨트롤러를 통해 셀당 저장할 수 있는 데이터량을 증가시키는 기술을 말한다. 싱글레벨셀(SLC) 방식은 하나의 셀에 1비트(bit)를, 멀티레벨셀(MLC) 방식은 하나의 셀에 2비트를, TLC는 하나에 셀에 3비트를 저장할 수 있다.

동일한 면적(셀)을 등분해 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 만큼 단위 용량당 가격을 낮출 수 있다는 장점을 제공한다.

3차원 적층구조는 미세공정 한계로 고용량 낸드플래시 구현이 어려워지면서 기존의 수평구조인 2차원(2D)에서 셀을 수직으로 수직(3차원)으로 쌓아 저장용량을 높이는 방식이다.

예컨대 단층 주택 지역을 아파트 단지로 개발해 가구수를 늘리는 것과 같은 원리로, 3차원 낸드플래시는 기존 2차원 구조대비 동일한 면적에서 더 많은 셀을 저장할 수 있다.