컴퓨터 구조론 5장 [기억장치-차세대 비휘발성 기억장치]

• EROM이나 플래시 메모리는 비휘발성이라는 큰 장점을 가지지만 액세스 시간, 특히 삭제 및 쓰기 시간이 다른 반도체 기억장치들에 비해 매우 길다는 결점을 지니고 있다.
• 반면 DRAM은 속도가 빠르지만 휘발성이라는 큰 단점을 가지고 있다.
• 만약 비휘발성의 특징을 가지면서 읽기, 쓰기 속도도 높은 기억장치가 출현한다면 컴퓨터 시스템에 많은 도움이 될 것이다.
• 현 시점에서 실용화가 가능할 것으로 예상되는 기억장치는 PRAM, FRAM 및 MRAM이 주목을 받고 있다.
• 이들은 비휘발성의 특징을 가지면서도 플래시 메모리에 비하여 액세스 속도가 1000배 정도 더 빠르다. 
• DRAM보다 속도는 느리지만, 집적도는 별 차이가 없으며, 전력 소모가 더 적다는 장점을 지니고 있다.

차세대 기억장치들의 비교

PRAM(Phase-change RAM)

• 화합물 반도체의 상태 변화를 이용하여 2진 정보를 저장하는 RAM이다.
• 상태가 변하는 특수 물질을 이용하여 제조한 RAM인 만큼 이 물질은 인가되는 전류의 세기에 따라 내부 구조가 변하여 저항이 약한 고체 상태 혹은 저항이 강한 액체 상태가 되는데, 그러한 성질을 이용하여 데이터를 저장하는 것이다.
• 재료로 사용되는 물질은 게르마늄 안티몬 텔룰라이드(GST : Ge2Sb2Te5)이라고 불리는 화합물 반도체로서, 고체 상태에 해당하는 결정 상태(poly-crystaline phase) 혹은 액체 상태에 해당하는 비벙질 상태(amorphous phase)로 있게 된다.

PRAM 메모리 셀의 내부 구조

• PRAM의 각 메모리 셀은 두 개의 전극 사이에 화합물 반도체와 전열체(heater)를 삽입시킨 형태로 제조된다.
• 두 전극들 간에 짧은 시간 동안 상대적으로 높은 전압을 인가하면, 전열체에 의해 전극들 간에 짧은 시간 동안 상대적으로 높은 전압을 인가하면, 전열체에 의해 열이 발생하여 낮은 저항을 가지는 결정 상태로 변경된다. 그 상태는 '1'을 나타내게 된다.
• 반면 낮은 전압을 상대적으로 긴 시간동안 인가하면 저항이 높은 비정질 상태가 되는데, 그 상태는 '0'을 가리킨다.
• 읽기 동작은 상태 변화를 야기하지 않을 정도로 낮은 전압의 전기를 두 전극들 사이에 인가함으로써 이루어진다. 
• 삽입된 물질은 상태에 따라 저항의 크기가 다르기 때문에 전기가 인가되었을 때 두 전극들 간에 흐르는 전류 양의 차이가 발생하며, 그 차이를 이용해 데이터의 값을 구분한다.
• 읽기 전압(read voltage)이 인가되었을 때 저항이 낮은 결정 상태라면 전류가 많이 흐르므로 '1'로 인식되며, 비정질 상태라면 저항이 높아 전류가 적게 흐르므로 '0'으로 인식된다.

단점

• 상태 변화 물질은 DVD나 CD-RW와 같은 저장매체에 사용되는 것과 유사한 유형의 물질이지만, 그 장치들에서는 쓰기 및 삭제 동작에 전원보다 더 높은 전압이 필요하기 때문에 회로가 복잡해진다.

장점

• PRAM은 인가되는 전원 전압 범위에서 모든 전기적인 동작들이 이루어질 수 있기 때문에, 회로가 간단하고 전력 소모도 적다.

PRAM은 차세대 기억장치들 중에서 가장 빠르게 기술이 발전되고 있고, 시장성도 가장 높게 평가받고 있다.

FRAM(Ferroelectric RAM)

• 강유전체의 전극 위치를 조절하여 2진 정보를 저장하는 반도체 기억장치
• 강유전체의 물질 특성을 이용하는 반도체 기억장치이며, 전기를 인가하지 않은 자연상태에서도 전기적 극성을 띄고 있는 물질인데, 주로 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(PZT : PbZrTiO)을 이용하여 제조된다.
• 한쪽 면은 양(+) 전극, 다른쪽 면은 음(-) 전극의 고유 성질을 가진 강유전체 물질에 전기를 가하면 전극의 위치가 바뀌게 되며, 전기 공급이 중단되어도 그대로 유지된다.
• 각 메모리 셀에 '0'을 저장하고자 할 때는 전기를 인가히지 않으므로써 원래의 전극 위치(ex + - 상태)를 유지하기 하고, '1'을 저장할 때는 전기를 인가하여 전극 위치를 - + 상태가 되도록 바꾸는 것이다.
• 데이터를 읽을 때는 메모리 셀에 전기장(electric field)을 가한 다음에, 감지되는 전하의 양에 따라 '0'과 '1'을 구분한다. 그 전하의 양은 전극의 위치에 따라 달라진다. FRAM의 각 메모리 셀은 한 개의 강유전체 캐패시터와 한 개의 트랜지스터로 구성된다.
• FRAM은 강유전체가 캐패시터 역할을 한다는 점만 다를 뿐, 그 구조와 동작 원리가 DRAM과 유사하다고 볼 수 있다.

FRAM의 메모리 셀

FRAM은 차세데 기억장치들 중에서 가장 먼저 상용화된 제품이 개발 되었다.

IC 카드와 같은 외장형 기억장치로 사용하기 위한 연구 개발이 진행중이다.

MRAM(Magnetic RAM)

• 강자성체에서 자화되는 방향을 조절하여 2진 정보를 저장하는 반도체 기억장치
• 앞의 두 소자들과는 달리, 전기가 아닌 자기장을 이용하여 정보를 저장하는 반도체 기억장치이다. MRAM은 강자성체 물질로 만들어지는데, 가해지는 자기장의 방향으로 자화되고, 자기장을 제거하더라도 자성이 그대로 유지된다.
• 기본 구조는 상부와 하부에 설치되는 두 개의 강자성체들 사이에 절연체가 삽입된 형태이다.

MRAM의 기본 구조와 동작 원리

• 하부 강자성체의 자화 방향(magnetized direction)은 고정되어 있어서 고정층이라고 부르는데, 일반적으로 철(Fe)를 사용한다.
• 절연층은 터널링 자기저항 현상이 일어날 수 있도록 충분히 얇아야 하며 주로 Al2O3가 사용된다. 
• 상부 강자성체에는 2진 정보가 자화 방향에 따라 저장되므로 기록층이라 부르며 Fe50Co50과 같은 물질을 사용한다.
• 메모리 셀에 '0'을 사용할 때 상부 기록층에 (a)와 같은 방향으로 전류를 인가해주어 상부 강자성체의 자화 방향이 일치되도록 자기정을 형성해주면 된다. 
• '1'을 쓸 때는 (b)와 같이 전류 방향을 반대로 인가하여 상부 및 하부 강자성체의 자화 방향이 서로 달라지게 하면 된다.

데이터를 읽을 때

두 강자성체들 간에 전류를 흘려준다. 만약 강자성체 간의 자화 방향이 같은 상태라면, 절연층의 저항이 적어져 터널링 전류가 흐르기 때문에 상하부 층간의 전위차가 낮아져서 '0'으로 인식된다.

그러나 자화 방향이 서로 반대가 된다면, 저항이 커져 전류가 흐르지 않으므로 상하부 층간의 전위치가 높아져서 '1'로 인식된다.

[참고]

터널링 자기저항 현상

• 매우 얇은 절연층을 사이에 두고 두 개의 강자성층이 존재하는 경우에 그들의 자화 방향이 일치하는지 혹은 불일치하는지에 따라 터널링 확률이 달라져 절연층의 저항이 변하는 현상을 말한다.
• 저항이 커질 경우에는 두 강자성체들 간에 전류가 흐르지 못하며, 저항이 적어지면 전류가 잘 흐르게 된다.

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Reference

컴퓨터 구조론 개정 5판

https://yz-zone.tistory.com/91

[ 컴퓨터구조 ]5.7 차세대 비휘발성 기억장치