반도체 제품의 종류, 메모리 반도체에 대해서

 저번 포스팅에서는 비메모리 반도체에 대해서 알아보았고 이번에는 메모리 반도체에 대해서 알아보도록 하겠다.
 사람의 뇌는 정보를 인식하여 판단하기도 하지만, 때로는 저장한 기억을 바탕으로 사고하기도 한다. 사람이 그러하듯 반도체 역시 어떤 연산을 하기 위해서는 많은 정보가 필요하다. 이때 필요한 정보들을 미리 저장해놓는, 뇌의 저장 기능과 동일한 기능의 반도체를 메모리 반도체라고 한다. 가장 가까운 곳에 있는 메모리 반도체는 캐시 메모리라 하여 연산 소자 안에 회로로 구현된 경우가 많다. 하지만 캐시 메모리는 용량의 한계가 있기 때문에 이보다 속도는 느리지만 용량이 큰 기억 장치가 있어야 한다. 이러한 기억 장치의 대표적인 메모리가 DRAM과 플래시 메모리이다.
 

1. DRAM(Dynamic Random Access Memory)

 DRAM은 RAM이라고 하는 대표적인 주기억 장치를 담당하는 메모리 반도체이다. 주기억장치는 컴퓨터가 동작하는 동안 연산 소자가 필요로 하는 일이 많은 프로그램 명령어와 자료를 저장하는 역할을 한다. 데이터의 일시적 저장, 응용 프로그램의 일시적 로딩 등에 사용된다. RAM에는 DRAM과 SRAM이 있으며, 그중 DRAM은 구조가 간단하고 저렴하며 빠른 동작 속도와 적은 소비 전력 특성을 가져 널리 사용되고 있다.
 인간의 뇌의 기억 기능은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 단시간에 필요한 기능이며 하나는 장시간 보관이 필요한 내용이다. DRAM은 주로 단시간에 필요한 저장 기능을 한다. 자동차를 타고 이동 시에 내비게이션이 얼마 후에 우회전하라는 신호를 줄 것이다. 운전자는 그 내용을 잠깐 기억하지만, 우회전 후에는 굳이 기억할 필요가 없다. 또 다음 경로에 신경 써야 하므로 기존 기억을 지우고 다시 새로운 기억을 받아들여야 한다. 이렇게 데이터가 사라지는 것을 휘발성이라고 하는데 DRAM은 대표적인 휘발성 메모리 반도체이다. DRAM은 컴퓨터가 켜져 있을 때, 전원이 공급될 때만 메모리가 저장된다는 특징을 가지고 있다. 따라서 컴퓨터가 동작하고 있을 때만 저장된 테이터의 사용과 삭제를 반복하면서 CPU의 연산 기능을 돕는다.
 DRAM의 저장소는 트랜지스터와 축전기로 이루어진 DRAM Cell의 배열로 되어 있다. 저장된 데이터를 입력하고 출력하는 컨트롤러가 붙어서 완전한 DRAM 제품을 이룬다. DRAM의 저장소는 각각 행과 열로 이뤄진 주소를 가지고 있어 데이터에 접근하기가 쉽고 접근하는 속도 역시 빠르다. 하지만 보조 기억 장치보다는 용량이 작다는 한계가 있고 무엇보다도 저장하는 데이터를 영구적으로 저장하지 못한다.

 

2. 플래시 메모리

 플래시 메모리는 대표적인 보조기억장치 소자이다. 주기억 장치에도 용량의 한계가 있으며 사람들이 사용하는 데이터의 크기가 점점 커짐에 따라 주기억 장치 외에도 데이터를 추가로 보관하는 보조 기억 장치가 필요하다. 보조 기억 장치는 입력되는 자료와 처리결과를 보관하거나 연산 소자에서 간헐적으로 필요로 하는 프로그램들을 저장하는 데 사용된다.
 아까 내비게이션의 예에서 내비게이션은 지도 데이터를 가지고 있어 운전자에게 정보를 전달해줄 수 있다. 이 데이터는 일시적인 것이 아닌 영구적으로 저장해야 한다. 이렇게 영구적으로 보존할 수 있는 메모리 반도체를 비휘발성 메모리라고 한다.
 플래시 메모리는 비휘발성 메모리로 보조 기억 장치에 적합한 소자이다. 특히 플래시 메모리 중에서 NAND 타입의 낸드 플래시 메모리는 단위 면적당 높은 집적도를 바탕으로 이를 이용해 SSD 등의 제품이 보조 기억 장치로 많이 사용되고 있다. 이들의 처리 속도는 주기억 장치보다 느리지만 기존의 보조 기억 장치인 고전적인 자기 테이프나 하드 디스크, CD 및 DVD 같은 광학 디스크에 비하면 속도가 빠르다. 예전에는 이들에 비해 속도가 빠름에도 불구하고 가격이 비싸 널리 사용되지는 못했는데 현재는 기술 수준이 점점 더 올라가면서 플래시 메모리의 가격 단가가 획기적으로 낮아져 널리 보급되고 있다.
 DRAM과 플래시 메모리는 모두 규격이 정해져 있어 용량을 늘리기 위해 제품의 크기를 무작정 키우는 것이 불가능하다. 따라서 더 빠른 동작 속도와 더 큰 저장 용량을 위해 이들을 구성하는 메모리 소자의 크기를 줄이려는 노력이 지속해서 이루어지고 있다. 그뿐만 아니라 각 메모리 반도체를 적층하여 제품을 구성하는 신기술이 개발되어 비싼 단가에도 불구하고 서버 등 고속 대용량 처리해야 하는 제품에 지속해서 공급되고 있다.

 

3. 광학/센서 반도체

 사람의 뇌에 해당하는 시스템 반도체와 메모리 반도체가 있다면, 뇌에다 정보를 전달해주는 입력기관 역시 존재해야 한다. 이를 담당하는 반도체 센서다. 센서 역시 비메모리 반도체에 속한다. 눈을 대신하는 센서, 귀를 대신하는 센서, 주변 환경을 인지하는 센서 등 기능에 따라 여러 가지가 존재하며 각자의 위치에서 주변 사물과 상황들을 감지하여 메모리와 로직 반도체 등에 정보를 전달하는 기능을 한다.
 센서 반도체의 대표적인 예로 CIS를 꼽을 수 있다. CMOS라고 하는 트랜지스터의 조합을 바탕으로 만들어진 것으로 주변 환경을 시각적인 이미지로 변환하는 반도체이다. DSLR, 미러리스 카메라와 스마트폰의 카메라에서 모두 사용하는 부품이다. CIS는 점 하나를 나타내는 화소마다 빛을 받아 전기 신호로 변환하는 기능을 한다. 이때 빛을 전기로 바꿔주는 포토다이오드와 전기 신호를 컨트롤하는 트랜지스터 등의 반도체가 사용된다.
 센서 반도체는 동작 속도도 중요하지만, 본질적 기능인 인식 기능을 향상하고 오류를 줄이는 것이 가장 중요하다. 특히 자동차 센서, 위험작업 환경에서의 가스 감지 시스템 등 안전과 관련된 센서들도 있어 정확도를 높이는 것이 중요하다.