플래시 메모리 (Flash memory)

플래시 메모리 (Flash memory)

플래시 메모리 (Flash memory)는 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 (electrically erased and reprogrammed) 비휘발성 컴퓨터 기억장치를 지칭한다. EEPROM과는 다르게 여러 구역으로 구성된 블록 안에서 지우고 쓸 수 있다. 이제는 플래시 메모리 가격이 EEPROM 보다는 훨씬 저렴하기 때문에 비 휘발성 고체 상태 (Soild-state) 저장 매체가 많이 필요한 곳에서는 가장 많이 사용되는 메모리 종류가 되었다. 대표적으로는 MP3, 디지털카메라, 핸드폰, USB가 드라이브가 있다.

 

플래시 메모리는 메모리 칩안에 정보를 유지시키는 데에 전력이 필요 없는 비휘발성 메모리이다. 게다가 플래시 메모리는 읽기 속도가 빠르며(DRAM보다는 빠르지 않다.) 하드디스크보다 충격에 강하다. 이러한 특징으로 배터리로 동작하는 장치에서 저장장치로 많이 사용된다. 플래시 메모리의 또 다른 장점은 강한 압력이나 끓는 물에도 견딜 만큼 물리적인 힘으로 파괴되기가 힘들다는 장점을 가지고 있다.

 

동작원리

플래시 메모리는 전통적으로 비트 정보르 저장하는 셀이라 부르는 플로팅 게이트 트랜지스터 (Floating Gate Transistors)로 구성된 배열 안에 정보를 저장한다. 요즘 나오는 플래시 메모리의 경우는 하나의 셀 안에 존재하는 플로팅 게이트에 두 단계 높은 전하를 저장하여 셀 하나에 1 비트 이상을 저장할 수 있기에 MLC (Muti Level Cell)이라는 지칭 한다. NOR 플래시가 게이트를 하나 대신 두 개를 가지고 있는 것을 제외하면 각 셀이 표준 MOSFET과 비슷하다. 하나의 게이트는 또 다른 MOS 트랜지스터처럼 컨트롤 게이트 (CG)지만 두 번째 게이트는 산화물 층 (Oxid Layer)에 의해 모든 주의가 절연된 플로팅 게이트 (FG)이다. FG는 CG와 기판 사이에 존재한다. FG가 산화물층에 의해 절연되었기 때문에 그곳에 위치한 전자는 갇히게 되고 따라서 정보가 해당 위치에 저장된다. 전자가 FG에 있을 때 CG에서 나오는 전기장에 영향을 주어 셀의 문턱 전압이 변경된다. 이 같이 CG에 특정 전압을 가하여 그 셀의 정보를 읽을 때 FG에 있는 전자의 수에 따라 셀의 문턱 전압이 다르기 때문에 전류가 흐르거나 흐르지 않게 된다. 이러한 전류의 흐름과 차단이 판별되고 이것은 0과 1로 해석이 되어 데이터가 저장되어 만들어진다. 한 셀에 1 비트 이상의 정보가 저장되는 MLC (Muti-Level Cell) 장치에서는 FG에 저장된 전자의 수를 측정하기 위해 단순히 전류의 흐름을 판단하기보다는 양을 판단한다. 플래시 메모리가 출시되었을 때, 모든 셀의 상태는 1로 되어 있다. 이 셀의 정보를 0으로 변경하는 것을 프로그래밍이라고 한다. NOR 플래시 메모리를 프로그래밍하기 위해 EPROM처럼 Hot-Electron Injection 방식을 사용한다. NOR 플래시 셀의 소스에서 드레인으로 전류가 흐를 때 CG에 큰 전압을 가하면 FG에 전자를 끌어들일 정도의 강한 자기장이 생성되어 전류가 흐르지 않게 된다. 이렇게 되면 셀의 상태는 0으로 변경된다. NOR 플래시 셀을 지우기 위해 (1로 변경) CG와 소스 사이에 강한 전압차를 주면 Fowler-Nordheim Tunneling을 통해 FG는 전자를 잃게 된다. 현재 개발된 NOR 플래시 메모리의 경우에는 한 번에 지워진다. 그러나 프로그래밍은 바이트 또는 워드 단위로 진행된다. NAND 프래시는 쓰기 작업을 위해서 터널 주입을 사용하고, 지우기 위해 터널 릴리즈를 사용한다. NAND 플래시 메모리는 USB 메모리 드라이브로 알려진 USB 인터페이스 저장 장치에서 사용 되고 있다.

 

역사

플래시 메모리는 1984년 도시바에서 근무하던 마스오카 후지오 박사가 발명하였다. "플래시"라는 이름은 마스오카 박사의 동료인 아리스미 쇼자가 제안하였다고 한다. 이유는 메모리 내용이 지워지는 과정이 카메라의 플래시와 비슷하였기 때문이다. 마스오카 박사는 이 발명을 캘리포니아 새너제이서 열렸던 IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM)에서 발표하였다. 이때 인텔은 이 발명의 잠재력을 보고 1988년 최초의 상업용 NOR 타입 플래시 메모리를 소개하였다.

NOR 기반 플래시는 쓰기와 지우기 시간이 긴 대신에 어떤 위치에서도 임의로 접근할 수 있게 주소 또는 자료 인터페이스를 제공한다. 이 메모리는 컴퓨터 바이오스나 셋톱 박스의 펌웨어 같이 자주 업데이트 되지 않는 프로그램 코드를 저장하는 데에 적합하다. 플래시 메모리 특성상 10,000 ~ 1,000,000까지 지울 수 있다. NOR  기반 플래시는 포기 이동형 매체의 뿌리가 되어 콤팩트 플래시에서 처음 사용되었으나 나중에는 좀 더 저렴한 NAND 플래시가 사용되기 시작하였다.

NAND 플래시는 1989년 도시바가 ISSCC에서 발표하였다. NAND  플래시는 NOR 플래시에 비해 쓰기와 지우기 시간이 좀 더 빠르고 집적도가 높으며 비트당 제작비도 낮고 10배의 내구성을 가지고 있다 그러나 입출력 인터페이스는 자료에 대한 순차 접근만 지원한다. 이는 컴퓨터 메모리로는 덜 유용하지만 개인용 컴퓨터 카드와 다양한 메모리 카드와 같은 대용량 저장 장치에 적합하다. 처음 NAND 기반 이동형 미디어 포맷은 스마트 미디어였지만 MMC, 시큐어 디지털 (Secure Digital), 메모리 스틱과 XD-Picture 카드에서도 사용되고 있다. RS-MMC (Reduced Size MutiMedia Card), TransFlash, MiniSD 등이 저장매체로 등장하고 있다. 이러한 새로운 포맷은 크기가 평균적으로 4 제곱센티미터 이하로 상당히 작다.