[CS] 보조기억장치(플래시 메모리편)

🔅 플래시 메모리

하드 디스크는 많이 사용하는 보조기억장치이지만, 플래시 메모리(flash memory)기반의 보조기억장치 또한 최근에 많이 사용한다. 흔히 사용하는 USB 메모리, SD 카드, SSD가 모두 플래시 메모리 기반의 보조장치이다.

 

붉은 표시로 표기한 부분이 플래시 메모리이다. 플래시 메모리는 전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치이다. 플래시 메모리는 보조기억장치 범주에만 속한 다기보다는 다양한 곳에서 널리 사용하는 저장 장치로 보는 것이 옳다. 주기억장치 중 하나인 ROM에도 사용되고, 우리가 일상적으로 접하는 거의 모든 전자 제품 안에 플래시 메모리가 내장되어 있다고 봐도 무방하다.

 

 

 

✅ 두 종류의 플래시 메모리

플래시 메모리에는 크게 NAND 플래시 메모리와 NOR 플래시 메모리가 있다. NAND 플래시와 NOR 플래시는 각각 NAND 연산을 수행하는 회로(NAND 게이트)와 NOR을 수행하는 회로(NOR 게이트)를 기반으로 만들어진 메모리를 뜻한다. 이 둘 중 대용량 저장 장치로 많이 사용되는 플래시 메모리는 NAND 플래시 메모리이다.

 

1) NAND 플래시

NAND 플래시는 각 셀이 직렬 형태로 이루어져 있기 때문에 Random Access가 불가능하고 각셀에서 순차적으로 데이터를 읽어내는 방식이다. 그래서 NOR 플래시에 비해 데이터 Read 속도가 느리지만, 메모리의 블록이 여러 페이지로 나누어져 있기 때문에 쓰기/지우기 속도가 더 빠르다.

 

NAND 플래시는 메모리 칩으로서, USB 플래시 drives와 스마트폰이나 애플 아이팟과 같은 전기적 특성을 가진 기기에 많이 사용된다. 우수한 기술을 갖고 있는 삼성, 인텔, 하이닉스에서 NAND 플래시를 제조하는데, 이 NAND 플래시는 큰 저장공간을 갖고 있거나 여러 성능이 있다.

 

2) NOR 플래시

NOR 플래시는 각 셀이 병렬 형태로 이루어져 있어서 데이터 Read시 Random Access가 가능하다. 즉, Read 속도가 빠르다. 하지만 데이터를 덮어 쓰는 것이나 지우는 것은 Random Access가 불가능하기 때문에 그 속도가 느리다.

 

Read시에는 페이지 단위로 읽어 들일 수 있지만, 해당 페이지를 덮어 쓰거나 지우는 것은 모든 블록을 지워야 하기 때문에 그 속도가 느리다. 또한 각 셀이 병렬 형태로 이루어져 있기 때문에 각 셀을 개별적으로 접근하기 위한 전극이 필요하게 되고 그 덕분에 NAND 형태에 비해 필요한 면적이 넓어진다는 단점이 있다.

그 덕분에 집적도가 낮아져서 대용량 메모리는 다소 불리한 형태이다.

즉, Read속도는 빠르나 데이터를 덮어 쓰거나 지우는 것이 느리고 NAND에 비해 필요한 면적이 넓다.

 

3) NAND와 NOR flash의 사용
과거 모바일 장치에서는 NOR을 많이 사용했다. 예전 PDA들의 경우는 NOR 메모리를 많이 써서 데이터를 읽는 것만 빠르고 그 외의 작업은 모두 느렸다. 이후, NAND 메모리의 발달로 NAND 메모리를 사용하는 모바일 기기들이 점점 더 많아지고 지금은 대부분의 모바일 기기에서 NAND를 많이 쓴다.

 

 

 

✅ 그럼 위 그림에서 나온 셀이란?

셀이란 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위이다. 이 셀이 모이고 모여 MB, GB, TB 용량을 갖는 저장 장치가 되는 것이다. 

이때 하나의 셀에 몇 비트를 저장할 수 있느냐에 따라 플래시 메모리 종류가 나뉜다.

한 셀에 1비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리를 SLC(Single Level Cell) 타입, 

한 셀에 2비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리를 MLC(Multiple Level Cell) 타입,

한 셀에 3비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리를 TLC(Triple-Level Cell) 타입이라고 한다.

이 차이는 플래시 메모리의 수명, 속도, 가격에 영향을 끼친다. 참고로 한 셀에 4비트를 저장할 수 있는 QLC 타입도 있다.

 

Cell size❓

4F²  - 메모리 셀 크기는 nF² 공식을 사용하여 측정된다. 여기서 'n'은 셀 설계에서 파생된 상수이고 'F'는 공정 기술의 피처 크기이다. 예를 들어, 130nm 프로세스 노드에서 F = 0.13 마이크론이므로 4F 2 = 4 x 0.13 x 013 = 0.0676 제곱 마이크론입니다. 동일한 피처 크기에 대해 셀 크기가 작아질수록 메모리 용량이 증가한다.

 

 

 

✅ SLC, MLC, TLC 타입의 특징과 차이점

SLC, MLC, TLC, QLC - SK하이닉스 뉴스룸

1) SLC 타입 (0~100K Endurance Cycle)

SLC 타입은 한 셀에 두 개의 정보를 표현할 수 있다. 그로 인하여 SLC 타입은 MLC나 TLC 타입에 비해 비트의 빠른 입출력이 가능하다. 또한, 1bit만 저장할 수 있기 때문에 오류가 발생할 확률이 적다. 

수명도 MLC나 TLC 타입보다 길어서 수만에서 수십만 번 가까이 데이터를 쓰고 지우고를 반복할 수 있다. 하지만 SLC 타입은 용량 대비 가격이 높다. 그렇기에 보통 기업에서 데이터를 읽고 쓰기가 매우 많이 반복되며 고성능의 빠른 저장 장치가 필요한 경우 SLC 타입을 사용한다.

 

2) MLC 타입 (5~10K Endurance Cycle)

MLC 타입은 한 셀에 네 개의 정보를 표현할 수 있다. SLC 타입보다 일반적으로 속도와 수명은 떨어지지만, 한 셀에 두 비트씩 저장할 수 있다는 점에서 MLC 타입은 SLC 타입보다 대용화하기 유리하다. 그리하여 SLC 타입보다 용량 대비 가격이 저렴하다. 시중의 SSD나 USB메모리 그리고 SD카드는 가격대비 용량과 적당한 성능이 장점인 MLC 메모리를 주로 사용한다.

 

3) TLC 타입 (1~3K Endurance Cycle)

한 셀당 3비트씩 저장할 수 있는 TLC 타입은 한 셀로 여덟 개의 정보를 표현할 수 있다. 그렇기에 대용량화 하기가 유리하다. 일반적으로 SLC나 MLC 타입보다 수명과 속도가 떨어지지만 용량대비 가격이 저렴하다.

그리고 많은 데이터를 하나의 셀에서 쓰고 지우기 때문에 오류가 발생할 확률이 높다.

 

SLC, MLC, TLC 특징 정리 - SK하이닉스 뉴스룸

 

 

✅ 플래시 메모리에서 셀보다 더 큰 단위?

셀들이 모여 만들어진 단위를 페이지(page),

그리고 페이지가 모여 만들어진 단위를 블록(block),

블록이 모여 플레인(plane),

플레인이 모여 다이(die)가 된다.

 

플래시 메모리에서 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 이루어진다. 하지만 삭제는 페이지보다 큰 블록 단위로 이루어진다.

읽기/쓰기 단위와 삭제 단위가 다르다는 것이 플래시 메모리의 가장 큰 특징 중 하나이다.

 

이때 페이지는 세 개의 상태를 가질 수 있다. 이는 각각 Free, Valid, Invalid 상태이다.

Free 상태는 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태

Valid 상태는 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태

Invalid 상태는 쓰레기값이라 부르는 유효하지 않은 데이터를 저장하고 있는 상태를 의미한다. 

플래시 메모리는 하드 디스크와는 달리 덮어쓰기가 불가능하여 Valid 상태인 페이지에는 새 데이터를 저장할 수 없다.

 

 

 

✅ 플래시 메모리의 간단한 동작 예시

X라는 블록이 네 개의 페이지로 이루어져 있다고 가정하고,

그중 두 개의 페이지에 A, B라는 데이터가 저장되어 있다고 가정한다. 여기서 블록 X에 새로운 데이터 C를 저장하면?

플래시 메모리의 읽기/쓰기 단위는 페이지이다. 하여 위와 같이 저장이 된다.

여기서 새롭게 저장된 C와 기존에 저장되어 있는 B는 그대로 둔 채 기존의 A만을 A'로 수정하고 싶다면?

플래시 메모리에서 덮어쓰기는 불가능하기 때문에
기존에 저장된 A는 Invalid 상태가 되어 더 이상 값이 유효하지 않은 쓰레기 값이 되고,

새로운 데이터 A' 데이터가 저장 된다.

 

그럼 쓰레기 값은❓ 

A와 같이 쓰레기 값을 저장하고 있는 공간은 사용하지 않을 공간인데도 용량을 차지하고 있다. 이는 용량 낭비가 된다. 그렇다고 삭제는 블록 단위로 수행되기 때문에 A만 지울 수 없다. 그래서 최근 SSD를 비롯한 플래시 메모리는 이런 쓰레기값을 정리하기 위해 가비지 컬렉션(garbage collection) 기능을 제공한다.

가비지 컬렉션은 위와 같이

1 과정에서 유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사한 뒤,

2 과정에서 기존의 블록을 삭제하는 기능을 수행한다.

즉, 블록 X의 모든 유효한 페이지들을 새로운 블록 Y로 옮기고 블록 X를 삭제한다.

 

 

참고자료 -

혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 / 한빛미디어

https://www.kingston.com/kr/blog/pc-performance/nand-flash-technology-and-ssd - 플래시 메모리

https://amanan1004.tistory.com/27 - NAND, NOR 플래시 특징

 

SLC, MLC, TLC

https://news.skhynix.co.kr/post/my-memory-is-slc 

https://news.skhynix.co.kr/post/data-in-nand-flash-memory

 

image 및 글 출처 -

https://www.flaticon.com/kr/free-icon/memory-card_8355952?term=%ED%94%8C%EB%9E%98%EC%8B%9C+%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC&page=1&position=2&origin=search&related_id=8355952 - 대표사진