메모리는 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 나눌 수 있습니다. 휘발성 메모리는 전원이 들어와 있는 동안에만 정보가 기억되고 전원이 나가면 정보가 지워지는 제품으로, 시스템의 주기억 장치로 사용됩니다. 비휘발성 메모리는 전원이 나가도 기억이 저장된 제품으로, 주로 보조 기억 장치 또는 정보 저장 장치로 사용됩니다.


RAM(Random Access Memory, 랜덤 액세스 메모리)는 휘발성 메모리로 임의(任意)의 영역에 접근하여 읽고 쓰기가 가능한(사용자가 메모리에 읽고 쓰기를 한다는 의미가 아니고 시스템이 메모리에 읽고 쓰기를 한다는 의미이므로 혼동하지 마세요) 주기억(主記憶) 장치입니다. 랜덤 액세스(임의 접근)라는 말이 좀 어렵지요? 하드 디스크를 생각해 봅시다. 하드디스크에는 디스크 형태의 원반에 자기(磁氣) 정보가 기록되어 있으며, 정보가 기록된 위치로 헤드가 찾아가 자기정보를 읽습니다. 정보를 읽기 위해서 헤드가 움직여야 하므로 시간이 좀 걸리겠군요. 또한, 정보가 어느 위치에 있느냐에 따라서 헤드가 움직이는 거리가 달라지므로, 정보에 접근하는 시간이 다를 수 있습니다.


RAM(아래 오른쪽 그림에 똑같은 그림이 가로로 4줄, 세로로 4줄이 있어 총 16개의 정보 저장소가 보이는군요)에는 정보의 위치가 가로와 세로의 좌표로 주어지며 해당 위치의 값을 읽는데, 물리적으로 센서가 이동하여 읽는 것이 아니고 해당 좌표의 값이 즉시로 읽히는 것이므로 정보의 위치가 어디에 있든지 값을 읽는데 시간의 차이가 날 수 없습니다. 이런 의미에서 랜덤 액세스(어느 위치에 접근하든지 동일한 시간이 걸림)라는 용어를 사용하는 것입니다.


▲ Hard disk vs RAM

사진출처 : (좌)http://goo.gl/jb0fgg (우)http://goo.gl/SDBxxr


RAM은 DRAM(Dynamic RAM, 디램)SRAM(Static RAM, 에스램)으로 나뉩니다. 디램은 전원이 들어와 있는 동안에도 저장된 정보가 사라지지 않게 하도록 일정 시간마다 재생(refresh)를 해 줘야 하는 램이고, 에스램은 전원이 공급되는 동안에는 재생이 필요 없이 데이터가 유지되는 램입니다.


디램은 트랜지스터 하나와 커패시터 하나로 구성된 간단한 구조로 되어 있습니다. 트랜지스터는 정보를 쓰고 읽는 접근 용도로 사용되고 커패시터에 전하를 충전함으로써 정보가 저장됩니다. 커패시터에 저장된 전하는 시간이 지남에 따라 자연 방전이 되므로, 완전한 방전이 이루어지기 전에 계속해서 충전해야 정보가 유지되며 이를 재생(refresh)이라고 부릅니다. 얼마나 자주 재생해야 하는지에 따라 메모리의 성능이 다르겠지요.


디램은 구조가 간단해서 집적도에 유리하며 공정비용이 저렴해 컴퓨터의 저비용 고용량의 주기억 장치로서 많이 사용됩니다. 요즘 스마트폰에 사용되는 모바일용 디램은 소모전력을 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있으며, LPDDR1, LPDDR2, LPDDR3, LPDDR4 등의 이름으로 출시되는데 앞의 LP는 low power(저전력)라는 의미입니다.


▲ DRAM

사진출처 : http://goo.gl/jXf6M0


에스램은 두 쌍의 플립플롭 인버터(4개의 트랜지스터)에 정보가 저장됩니다. 디램과는 달리 커패시터에 정보를 저장하는 것이 아니므로 저장된 정보가 시간에 따라 자연 방전으로 사라지거나 하지 않고 두 쌍의 인버터가 0과 1의 값을 안정된 상태로 유지하기 때문에 재생이라는 것을 해 줄 필요가 없습니다. 두 개의 접근 트랜지스터가 읽기와 쓰기 기능을 수행하므로 하나의 비트를 저장하기 위해 일반적으로 6개의 트랜지스터를 필요로 합니다.


디램은 커패시터에 비트가 저장되기 위해 충전시간이 필요하지만, 에스램은 충전할 필요가 없으므로 디램보다 훨씬 빠른 입출력이 가능합니다. 이런 장점 때문에 에스램은 CPU 내부의 파이프라인, 프로세서 레지스터, CPU 캐시 등 속도를 중요시하는 메모리로 주로 사용됩니다(물론 CPU 외부에 사용되기도 합니다). 하지만 에스램은 디램보다 면적을 많이 차지하고 고비용이므로 컴퓨터의 주기억 장치와 같이 고용량의 저비용 메모리로써는 적당하지 않습니다.


▲ SRAM

사진출처 : http://goo.gl/jXf6M0

 

비휘발성 메모리는 전원이 나가도 정보가 지워지지 않고 유지되는 장점이 있어 정보의 영구 저장용도로 사용될 수 있지만, 램과 비교하면 정보 접근 속도가 늦어 주기억 장치로 사용되기는 어렵고 보조 기억 장치로 주로 사용됩니다. ROM(Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크 등의 자기 기록 장치 등이 있습니다.


하드디스크는 반도체 제품이 아니므로 ROM과 flash memory에 대해서만 살펴보기로 하겠습니다. ROM은 말 그대로 ‘읽기만 가능한 메모리’로 mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM 등의 종류가 있습니다. Mask ROM은 메모리를 제조할 당시에 포토마스크 공정을 이용하여 패터닝 하여 정보를 새겨 넣는 것으로, 정보 변경이 불가능하고 오직 읽기만 할 수 있어 화면상에 나타내는 문자의 글꼴 등 변경을 할 필요가 없는 용도로 주로 사용합니다(문서 상의 다양한 글꼴은 메모리에서 지원하는 것이 아니고 소프트웨어적으로 지원합니다. 여기서 언급한 글꼴은 컴퓨터 등의 화면에 기본적으로 적용되는 글꼴을 말하는 것입니다).


PROM(Programmable ROM)은 1회에 한해 새로운 내용을 기록할 수 있는 롬을 말하며, 일단 기록된 내용은 변경할 수 없습니다. 메모리의 모든 비트는 퓨즈로 연결되어 있어서 처음 내용을 기록할 때 필요한 부분의 퓨즈를 끊어버리는 방법으로 0과 1의 데이터를 기록하기 때문에 그 후에는 내용 변경이 불가능한 것입니다. 아래 그림에 보면 검은색 연결선(퓨즈)이 보이는데, 어떤 것은 연결되어 있고 어떤 것은 끊어져 있지요. 주로 비디오게임기나 전자사전에 많이 사용됩니다.


▲ PROM

사진출처 : http://goo.gl/UqLNFR


EPROM(Erasable PROM)은 필요에 따라 내용을 변경할 수 있는 것으로, 기존의 내용을 지우고(자외선을 쐬어서 내용을 지울 수 있는 UVEPROM과 높은 전압을 걸어서 내용을 지우는 EEPROM으로 나뉩니다) 고전압으로 전자(절연체의 에너지 장벽을 넘을 수 있을 만큼의 에너지를 갖는 전자로 hot electron이라고 부릅니다)를 부동 게이트(floating gate, 아래 그림에 빨간색으로 표시되어 있습니다)에 주입해 기록하는데, 부동 게이트는 절연이 되어 있으므로 전원을 제거해도 부동 게이트에 있는 전자는 빠져나가지 못하고 계속 남아 있어 정보가 유지되는 것입니다. 부동 게이트에 전자가 있는 경우와 없는 경우에는 MOS가 작동하는 문턱전압이 서로 다릅니다. 이렇게 문턱 전압이 달라지는 것으로 부동 게이트에 전자가 있는 것과 없는 것을 구분하여 0과 1을 인식하게 됩니다. 반복해서 내용을 지우고 쓸 때 고전압을 사용하여 hot electron이 절연층을 손상하므로 그 회수에 제한이 있습니다.


▲ EPROM

사진출처 : http://goo.gl/dNK6lA


디지털 문화가 발전하면서 MP3, 디지털카메라, 휴대용 전화기 등 휴대용 기기가 등장했고, 하드디스크보다 크기가 작고 휴대가 편리한 반도체 저장 장치의 요구가 생겨났습니다. 램은 전원이 나가면 정보가 지워져 영구저장 장치로 사용할 수 없고, ROM은 일부 정보의 변경이 가능한 메모리의 경우에도(EPROM) 정보의 변경 횟수에 제한이 있어 하드디스크처럼 반복적으로 정보를 쓰고 지울 수 있는 새로운 형태의 메모리가 필요하게 되었습니다.


플래시 메모리는 EEPROM으로부터 발전된 형태로, 역시 부동 게이트에 전자를 주입하는 방법으로 정보를 저장합니다. CG(컨트롤 게이트)에 전압을 걸어서 터널링 현상(고전역학에서는 에너지 장벽이 있는 경우 에너지 장벽 이상의 에너지를 가해주지 않으면 절대로 장벽을 넘을 수 없습니다. 즉, 전자가 부동 게이트로 넘어오기 위해서는 절연체의 에너지장벽보다 높은 전압을 걸어줘야 합니다. 하지만 절연체의 두께가 아주 얇아지면 고전역학에서 설명할 수 없는 현상이 일어나는데, 절연체의 에너지 장벽보다 낮은 전압만으로도 전자가 부동 게이트로 넘어갈 수 있습니다. 이 현상은 에너지 장벽을 넘어가는 것이 아니라 뚫고 지나간다는 의미로 터널링 현상이라고 부르며 양자역학에 의해 설명이 됩니다)에 의해 전자가 부동 게이트로 들어오거나 나가게 하는 방법으로 데이터를 쓰거나 지웁니다. 플래시 메모리에서는 hot electron을 사용하지 않고 터널링 전자를 사용하므로(터널링 전자가 hot electron보다 에너지가 작습니다) 절연층의 손상이 EEPROM에 비해서 작습니다. 따라서 EEPROM에 비해 많은 횟수의 내용 변경이 가능합니다. 하지만 터널링 전자도 절연층의 손상을 조금씩 초래하기 때문에 하드디스크에 비교하면 데이터의 쓰기와 지우기에 제한이 있습니다. 플래시 메모리는 휴대용 전자기기의 메모리나 USB 메모리에 사용되고 있으며, 요즘은 하드디스크를 대체한 SSD(Solid State Drive)가 노트북 컴퓨터에 많이 장착되고 있습니다. SSD가 하드디스크와 비교하면 아직은 값도 비싸고 용량도 적지만 읽고 쓰기가 빠르고(SSD도 RAM과 마찬가지로 데이터를 읽을 때 센서의 물리적 이동이 없이 데이터 위치의 좌표에 의해 즉시로 읽어지기 때문에 빠르겠지요) 조용합니다(구동 모터가 필요 없기 때문입니다).


▲ Flash memory

사진출처 : http://goo.gl/J5sFDq


이번 호에서는 비메모리와 메모리의 반도체 제품들을 살펴보았습니다. 다음 호에서는 이러한 반도체 제품들을 제조하는 공정에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.




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현대의 전자문명을 가능하게 한 반도체 혁명은 백 년도 채 되지 못하여 눈부신 이론적, 기술적 발전을 이루었고 수많은 응용분야에 셀 수 없이 많은 제품을 쏟아내고 있습니다. 실로 모래 알갱이로부터 별별 기능을 갖는 반도체 제품으로의 대변신을 보면 현대를 가리켜 일컬은 규석기(硅石基) 시대라는 별명이 공언이 아닌 것 같습니다. 이러한 발전을 이루는데 수많은 사람의 창의적 아이디어, 불가능에 가까운 도전과제에 대한 연구와 개발 노력이 있었음은 당연하겠지요.


우리는 그동안 그 과정들을 살펴보면서 하나의 반도체 제품이 탄생하기까지, 과학적 원리와 천재적인 응용 아이디어들을 익혀왔습니다. 수많은 고객의 제품을 패키징해 오면서 이 웨이퍼들이 최종적으로 어디에 쓰일까 궁금했었을 것입니다. 우리 문명 어느 한구석에도 미치지 않는 곳이 없을 만큼 다양한 제품들을 모두 이해하기는 쉽지 않을 것입니다. 하지만 우리가 접할 수 있는 제품들을 아래와 같이 간단히 정리해 보았습니다. 지난 9개월 동안 본 고에서는 아래 그림에서 소재, 제품 형태, 그리고 신호 형태까지 다루어왔고, 이번 호에서는 가장 오른쪽의 제품 자체에 대해서 다루고자 합니다.


▲ 반도체 제품 ⓒ백종식


반도체를 형성하는 소재로는 가장 널리 사용되고 있는 규소(실리콘) 이외에도 게르마늄, 갈륨비소 등 상당히 많으며 각각의 소재의 특성에 맞도록 최종 제품들이 설계되어 제작됩니다. 반도체는 집적도의 여부에 따라서 집적회로(IC)와 단품으로 구분하는데, 단품에는 회로의 전기저항을 조절해주는 저항기(MP3의 소리를 크게 또는 작게 줄여주는 볼륨이 있지요? 저항기가 주로 여기에 사용된다고 이해하면 됩니다. ‘볼륨을 줄인다’는 것은 ‘저항을 높인다’는 의미로, 입력되는 신호 일부를 줄여 출력되는 신호가 줄어든다는 것이며 줄어든 만큼 열로 바뀝니다. 저항기가 신호를 열로 바꾼다는 것이 이해가 안 되나요? 전기 발열 제품은 커다란 저항기로써 전기가 저항기를 지나가기 어려운 만큼 열이 발생한다는 원리로 만들어진 것입니다) 전기를 가두어 저장하는 기능을 하는 커패시터, 코일 형태로 생겨서 자기장을 형성하여 전기의 흐름을 제어하는 인덕터, 전류를 한 방향으로만 흐르도록 하는 다이오드, 그리고 스위칭 역할이나 신호 증폭의 역할을 하는 트랜지스터 등이 있습니다.


엄밀히 말하면, 단품 형태의 저항기나 커패시터, 그리고 인덕터는 실리콘 등의 반도체 물질로 만들지는 않습니다. 집적회로는 신호의 형태에 따라서 디지털 회로와 아날로그 회로로 나누어집니다. 아날로그 회로는 주로 센서류(아날로그 카메라의 필름 역할을 하는 디지털카메라의 CCD 또는 CMOS 이미지 센서나, 내비게이션 등에 사용되는 가속센서, 가정에서나 장비 등에 온도를 제어하는 데 사용되는 온도 센서, 스마트폰에서 나침반 기능에 사용되는 자기 센서, 자동차 바퀴의 공기압을 모니터링 하는 압력 센서 등 수많은 센서가 디자인되어 생산되고 있습니다)에 많이 사용되고 있습니다.


디지털 회로는 크게 메모리와 비메모리로 나누어 보겠습니다. 먼저 비메모리 제품을 간단히 살펴보도록 하겠습니다.


IoT라는 말을 자주 들어보았을 것입니다. 사물인터넷(Internet of Things)이라는 의미로 조만간 실용화될 기술인데, 우리가 알고 있는 거의 모든 사물이 인터넷을 통해 통신하도록 하겠다는 아이디어입니다. 휴가를 떠났는데 가스 밸브를 안 잠갔다고요? 전등도 켜 놓고 왔고요? 아차! 텔레비전도 켜놓고 왔네요. 걱정하지 마세요. 스마트폰으로 모두 끌 수 있으니까요. 편리하겠지요? 이 기술을 가능하게 하려면 사물들 사이에 데이터를 주고받아야 하므로, 와이파이나 블루투스 등의 근거리 통신 칩이나 5G용 통신 칩이 필수적일 것 같습니다.


▲ IoT

사진출처 : http://goo.gl/I8lCNW


실감 나는 컴퓨터 게임을 하고 싶다고요? 눈앞에 생생하게 그려지는 입체 영상으로 현실감을 높여주기 위해서는 고성능의 이미지 처리 기능이 있어야 합니다. 그 역할을 그래픽 칩이 담당합니다.


▲ Graphic chip

사진출처 : http://goo.gl/u1qQDk


온 세계가 네트워크로 하나가 되었습니다. 필자는 현재 외국에 나와 있지만 소셜 네트워크를 통해서 한국의 지인들과 거리를 느끼지 않은 채 소식을 전하고 있습니다. 스마트폰으로 회사 이메일을 확인하기도 하고, 온라인으로 게임을 즐기기도 하는 등, 현재 우리는 네트워크 안에서 사는 것에 익숙해져 있습니다. 이를 가능하게 하도록 데이터를 인터넷상으로 보내고 처리하는 등의 데이터 서비스가 필수적입니다. 한국에도 SK나 KT, 그리고 LG U+ 등이 데이터 서비스를 제공하고 있지요. 이들 데이터 서비스 제공업체에서 사용하는 장비들에는 필수적으로 사용되는 제품이 네트워크 칩입니다.


▲ Networking

이미지출처 : http://goo.gl/XZFGrI


위에 설명한 반도체 제품들은 그 기능들이 확정되어 용도에 맞게 최적화되어 설계 및 생산되는 것이 보통입니다. 제대로 작동이 되도록 설계하고 테스트하고 생산하는 데 걸리는 시간 및 비용이 엄청나고 설계에 문제가 있는 경우, 재설계나 생산하는데 엄청난 비용과 시간이 소모되는 단점이 있지요. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 프로그래머블 논리소자(Programable Logic Device, PLD)입니다.


PLD는 특별한 기능이 없이 제조 후에 사용자가 자신의 목적에 맞게 내부의 논리 회로 구조를 변경할 수 있도록 설계한 것입니다. 따라서 PLD는 초기 개발비가 필요하지 않고 회로를 여러 번 변경해서 사용할 수 있어서 요즘처럼 제품의 수명주기가 짧은 경우에 많이 사용합니다. FPGA(Field Programmable Gate Array, 현장 프로그램머블 게이트 어레이)는 사용자가 독자적인 논리회로를 구성할 수 있는 게이트 어레이의 일종인데, PLD라는 용어로 통칭하여 사용되고 있습니다.


CPU(Central Processing Unit, 중앙 처리 장치)는 컴퓨터의 두뇌에 해당하는 디바이스로 명령의 실행이 이루어지도록 처리하는 논리회로입니다. 어렵다고요? 컴퓨터를 사용할 때 마우스나 키보드를 이용하여, 또는 스캐너를 이용하여 어떤 일을 한다고 가정합시다. 마우스로 아이콘을 클릭하거나 키보드로 입력하는 것을 컴퓨터의 입장에서는 명령이 입력된 것으로 인식합니다. 이 명령을 수행하기 위해 컴퓨터는 명령어를 해석해서 연산하고 결과값을 외부로 출력하는 일련의 처리 과정을 거치게 되는데, 이 모든 과정이 CPU의 제어를 받습니다.


더 어렵다고요? 문서를 프린터로 출력한다고 가정해 봅시다. 프린터 아이콘을 클릭하겠지요? 컴퓨터는 사람의 말을 이해하지 못하므로 사람의 말을 기계가 알아듣는 말로 해석을 해야 합니다. 알아들었으면 프린터로 내용을 보냅니다. 이때 보내지는 내용은 인간의 언어가 아닌 디지털 신호(1과 0의 조합)일 것입니다. 프린터를 동작시키는 명령을 내릴 것인데, 이 명령도 사람의 언어가 아닌 기계가 알아듣는 언어일 것입니다. 프린터가 명령대로 동작하는데, 출력되는 내용은 사람이 이해할 수 있는 것으로 다시 번역해야 할 것입니다. 이런 일련의 절차를 거쳐서 문서가 프린터로 출력되는 것이며, CPU가 이 일련의 절차를 제어한다는 것입니다.


AP(Application Processor)는 스마트폰, 태블릿 PC에서 두뇌역할을 하는 디바이스로서 CPU와 동일하게 명령을 해석하고 연산하며 제어하는 역할을 합니다. 그런데 CPU라고 하지 않고 AP라고 부르는 이유는 CPU의 기능 외에도 GPU(그래픽 프로세서), USB 기능, 그리고 통신(블루투스, 와이파이 등) 기능까지 한 칩 상에 구현시켜 놓았기 때문입니다. 기본적으로 휴대용 기기에 사용하려고 설계하였기 때문에 크기를 줄이고 낮은 전력소모에 역점을 두었다는 것은 당연하겠지요.


비메모리 제품에 대해서는 위와 같이 간단하게 소개하는 것으로 마무리하려고 합니다. 다음 호에 메모리 제품에 대해서 이어 설명을 해보겠습니다. (다음 호에 계속)




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