1. 메모리들의 작동 방식 - ROM

ROM(Read-Only Memory)는 전원을 꺼도 데이터가 날아가지 않고, 대량 생산에도 이점이 있기 때문에 여러 가지 분야에 굉장히 많이 쓰이며, 우리 주변에 있는 전자기기 대부분에는 ROM이 들어가 있습니다.

예전에는 한번 기록하면 바꿀 수 없어 read-only memory라 불렸지만 Read-Only라는 한계를 극복해가 나는 발전에 따라 롬 라이터(ROM Writer)로 기록 가능한 ROM이 나오고 롬 라이터 없이도 기록이 가능한 ROM 메모리들이 생겨서 더 여러 가지 방면에 사용하게 되었으며 USB에 들어가는 플래시 메모리도 EEPROM에서 발전한 형태의 메모리입니다.

 

> ROM의 종류

1. 마스크롬(Mask ROM)

처음 제조할 때 트랜지스터에 이온을 넣어서 물리적으로 기록하여 내용 수정이 불가능한 롬 메모리입니다.

Mask ROM

현재 읽는 셀의 Word 선의 전위를 GND(0V)로 한 뒤에

Bit 선의 전위를 Vcc로 전압을 인가하여 Word 선에 전류가 흐른다면 "1"로 판단합니다.

전류가 흐르지 않는다면 "0"으로 판단합니다.

 

ROM에 다시 기록할 필요가 없는 대부분의 가전제품에는 마스크롬을 사용합니다. 대량으로 찍어내기 때문에 가격이 싸고 ROM에 다시 기록할 수 없기 때문에 안정성이 매우 높지만, 기록을 잘못하거나 기록한 데이터에 문제가 있다면 폐기를 해야 합니다.

 

2. PROM(Programmable ROM)

퓨즈를 사용하여 제작하여 처음 한 번만 롬 라이터로 기록이 가능한 롬 메모리입니다.

PROM

위에 Mask ROM과 같은 원리이지만 이온 대신 퓨즈를 사용합니다.

퓨즈가 끊어져 있어서 전류가 흐르지 않는다면 "0"

퓨즈가 연결되어 있어서 전류가 흐른다면 "1"로 인식합니다.

 

롬 라이터를 이용해서 하나하나 기록을 해 줘야 하기 때문에 대량생산엔 부적합하며 마스크롬으로 생산하기엔 생산량이 적은 경우 PROM을 사용하지만 거의 사용하지 않습니다.

IBM이 개발한 eFUSE(삼성 휴대폰의 KNOX의 경우에도 eFUSE를 사용합니다)도 PROM 기술을 사용합니다.

 

3. EPROM(Erasable PROM)

자외선을 사용하여 기록된 내용을 지우고, 전류로 다시 기록할 수 있는 롬 메모리입니다.

EPROM

이산화규소(SiO₂)로 플로팅 게이트를 만들어서 플로팅 게이트 안에 전자를 저장하고 이산화규소를 통하여 자외선으로 광전류를 흘려 플로팅 게이트 안에 있는 전자를 방전시키며 저장과 삭제를 합니다.

자외선이 반도체에 닿아야 하므로 중간에 자외선이 들어갈 수 있도록 석영유리로 된 창이 나 있습니다.

태양빛이나 여러 가지 주변에 자외선이 나오는 광원들에 노출되면 서서히 지워질 수 있으므로 데이터를 다 지운 뒤에는 차광 씰 등을 붙여서 창을 가립니다.

EPROM의 원리

 

 

4. EEPROM(Electronically EPROM)

전류를 이용하여 기록된 내용을 지우고 다시 기록할 수 있는 롬 메모리입니다.

EEPROM의 구조

EEPROM은 FN 터널링 현상을 이용하여 지우고, 기록합니다. EEPROM의 한 비트에는 트랜지스터 2개로 구성되어 있습니다.

EPROM에서는 자외선을 이용하여 플로팅 게이트 안에 있는 전자를 삭제했지만 EEPROM에서는 선택 게이트를 이용하여 플로팅 게이트 안에 전자를 삭제하고 추가해주게 됩니다.

EEPROM의 데이터 쓰기

비트 선에 12V 전후의 강한 전류를 흘려보내게 되면 컨트롤 게이트와 비트 선 사이에 전압차가 생기게 되고 강한 전기장이 형성되게 되어 FN 터널링 현상에 따라서 플로팅 게이트 안에 있는 전자들이 비트 선으로 이동하게 되면서 플로팅 게이트 안에는 전자가 사라지게 됩니다.

EEPROM의 데이터 소거

컨트롤 게이트에 12V 전후의 강한 전류를 보내게 되면 터널링 현상으로 인해 플로팅 게이트로 전자가 들어가게 됩니다.

플래시 메모리(Flash Memory)

플래시 메모리는 기존 EEPROM에서 더 발전한 형태의 EEPROM입니다. NOR 플래시와 NAND 플래시가 있는데 NOR 기반 플래시는 지우기와 쓰기 시간이 긴 대신 어떤 위치에도 임의로 접근할 수 있게 주소/자료 인터페이스를 제공합니다. 자주 업데이트되지 않는 프로그램 코드를 저장하는 데에 좋습니다. NAND 플래시는 NOR 플래시에 비해 지우기와 쓰기 시간이 좀 더 빠르고 집적도가 높으며 비트다 제작비도 낮고 10배 정도 내구성이 강합니다. 하지만 입출력 인터페이스는 자료에 대한 순차 접근만을 지원합니다. 그래서 개인용 컴퓨터 카드와 다양한 메모리 카드와 같은 대용량 저장 장치에 주로 사용합니다.

여기선 NAND 플래시만 알아보도록 하겠습니다.

 

Flash Memory 구조

플래시 메모리의 데이터 쓰기

컨트롤 게이트에 전압을 인가하게 되면 기판과 컨트롤 게이트 사이에 전압의 차이가 발생하게 되고 FN 터널링 현상으로 인해 인가한 전압에 따라 일정량의 전자가 채워지게 됩니다.

플래시 메모리의 데이터 소거

플래시 메모리는 블록 단위로 묶인 기판에 전압을 인가하게 되면 FN 터널링 현상에 의해서 플로팅 게이트 안에 있던 전자들이 기판으로 이동하면서 블록 단위로 빠르게 데이터를 소거할 수 있습니다.

플래시 메모리의 데이터 읽기

Source와 Drain 사이에 전류를 흐르게 하고 컨트롤 게이트에 약하게 전압을 걸어주게 되면 플로팅 게이트 안에 전자가 있는지 없는지에 따라서 전기장이 영향을 받고 전자가 없다면 전기장이 Source와 Drain 간의 전자들로 만들어진 경로가 형성될 수 있게 합니다. Drain으로 전류가 잘 흐르는지 흐르지 못하는지에 따라서 0과 1을 구분하게 됩니다.

 

이를 이용하여 플로팅 게이트 안에 들어있는 전자 수가 적을수록 Drain으로 전자가 잘 흐르기 때문에 Drain으로 들어오는 전압을 여러 가지 단계로 구분하여 한 셀에 비트를 여러 개 구분할 수 있는 기술도 있습니다.