플래시 메모리 - 2. 플래시 메모리의 구조와 동작 원리 (2.1 플래시 메모리의 기본 구조)

2.1 플래시 메모리의 기본 구조

2.1.1 플래시 메모리의 기본 단위

플래시 메모리는 데이터를 저장하는 구조가 계층적으로 이루어져 있으며, 가장 작은 단위인 셀(Cell)에서부터 다이(Die)에 이르기까지 여러 단계로 구성된다.

① 셀(Cell)

• 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위.
• 전자의 존재 여부에 따라 '0' 또는 '1'을 저장할 수 있음.
• 셀 종류:
  • SLC (Single-Level Cell): 1비트 저장, 내구성 높고 속도 빠름.
  • MLC (Multi-Level Cell): 2비트 저장, 가격과 성능 균형.
  • TLC (Triple-Level Cell): 3비트 저장, 속도와 수명 감소하지만 용량 증가.
  • QLC (Quad-Level Cell): 4비트 저장, 대용량이지만 내구성 낮음.
  • PLC (Penta-Level Cell): 5비트 저장, 현재 연구 중.

② 페이지(Page)

• 여러 개의 셀을 묶어 한 번에 읽거나 쓸 수 있는 단위.
• 일반적으로 4KB~16KB 크기로 구성됨.
• 데이터를 한 번에 저장하는 최소 단위이며, 랜덤 읽기가 가능하지만 덮어쓰기는 불가능함.

③ 블록(Block)

• 여러 개의 페이지를 묶어놓은 단위.
• 보통 하나의 블록은 64~256개 페이지로 구성됨.
• 쓰기(Write)는 페이지 단위로 가능하지만, 삭제(Erase)는 블록 단위로 이루어짐.
• 쓰기 작업이 반복되면서 블록이 가득 차면 기존 데이터를 삭제(Erase)한 후 다시 쓰기해야 함.

④ 다이(Die)

• 여러 개의 블록이 모여 하나의 다이를 형성함.
• 하나의 다이는 개별적으로 읽기(Read), 쓰기(Write), 삭제(Erase) 작업을 수행할 수 있음.
• 여러 개의 다이를 병렬로 동작시켜 성능을 향상시킬 수 있음.

⑤ 패키지(Package)

• 여러 개의 다이를 하나의 칩 패키지로 구성한 것.
• 하나의 NAND 플래시 패키지는 여러 개의 다이를 포함할 수 있으며, 이를 통해 저장 용량을 증가시킴.

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2.1.2 셀(Cell) 내부 구조 (Floating-Gate Transistor 또는 Charge Trap Flash)

플래시 메모리의 셀은 반도체 소자로 구성되며, 전자의 저장 방식에 따라 두 가지 주요 기술이 사용된다.

① Floating-Gate Transistor (부동 게이트 트랜지스터)

• 기존 NAND 및 NOR 플래시 메모리에서 사용되는 대표적인 기술.
• 전하(전자)를 Floating-Gate에 가둬 데이터를 저장함.
• 전자가 들어가면 논리 '0', 전자가 없으면 논리 '1'로 인식됨.
• 장점: 높은 데이터 보존력, 오랜 시간 동안 데이터를 유지할 수 있음.
• 단점: 반복적인 쓰기/삭제 과정에서 Floating-Gate에 전자가 갇혀 수명이 감소할 수 있음.

② Charge Trap Flash (CTF, 전하 트랩 플래시)

• 삼성전자 등에서 개발한 차세대 플래시 메모리 기술.
• Floating-Gate 대신 절연층(SiN, 실리콘 나이트라이드)에 전자를 저장하는 방식.
• 장점: 전자가 더 균일하게 분포하여 수명이 향상됨.
• 단점: 기존 Floating-Gate 방식보다 초기 설계가 복잡함.

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2.1.3 NAND 플래시와 NOR 플래시의 차이점

플래시 메모리는 NAND 플래시와 NOR 플래시로 나뉘며, 각각의 구조와 특성에 차이가 있다.

비교 항목	NAND 플래시	NOR 플래시
구조	직렬(Series) 연결된 셀 구조	병렬(Parallel) 연결된 셀 구조
읽기 속도	순차 읽기 속도가 빠름	랜덤 액세스 속도가 빠름
쓰기 속도	블록 단위로 빠른 쓰기 가능	개별 바이트 단위 쓰기 가능
삭제 방식	블록 단위 삭제	블록 단위 삭제
수명	쓰기 및 삭제 횟수 제한 (PE Cycle)	상대적으로 더 낮은 내구성
가격	저렴하고 대용량 구현 가능	가격이 비싸고 용량이 적음
용도	SSD, USB, SD 카드, 스마트폰 저장장치	펌웨어 저장, 마이크로컨트롤러, 부트 코드 저장

① NAND 플래시

• 빠른 쓰기/읽기 성능과 대용량 구현 가능.
• SSD, USB 메모리, SD 카드, 스마트폰 저장장치 등에 사용됨.
• 구조적으로 셀이 직렬(Series)로 연결되어 있어 읽기 속도는 느리지만, 대량 데이터 저장에는 유리.

② NOR 플래시

• 빠른 랜덤 접근 속도가 장점.
• 마이크로컨트롤러의 펌웨어(Firmware) 저장 등에 사용됨.
• 셀이 병렬(Parallel)로 연결되어 있어 개별적인 바이트 단위의 읽기/쓰기가 가능하지만, 가격이 비싸고 대용량 구현이 어려움.

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정리

• 플래시 메모리는 셀(Cell) → 페이지(Page) → 블록(Block) → 다이(Die) → 패키지(Package)의 계층 구조로 이루어짐.
• 셀 내부 구조에는 Floating-Gate Transistor와 Charge Trap Flash(CTF) 방식이 있으며, CTF가 내구성이 더 좋음.
• NAND 플래시는 대용량 저장장치(SSD, USB)에서 사용되며,
  NOR 플래시는 빠른 랜덤 액세스가 필요한 펌웨어 저장용으로 사용됨.