플래시 메모리 - 6. 플래시 메모리의 한계와 대체 기술 (6.2 차세대 비휘발성 메모리 기술)

6.2 차세대 비휘발성 메모리 기술

플래시 메모리는 오랫동안 비휘발성 저장장치의 표준으로 자리 잡았지만, 저장 밀도 증가, 속도 향상, 내구성 개선을 목표로 다양한 차세대 비휘발성 메모리 기술이 개발되고 있다.
이 중에서 가장 주목받는 기술로는 3D NAND 플래시, MRAM, ReRAM, FRAM, Optane(3D XPoint) 등이 있으며, 각각의 기술은 속도, 수명, 내구성, 비용 등의 특성에서 차이가 있다.

---

6.2.1 3D NAND 플래시 (층을 쌓아 용량 확대)

① 개요

• 기존 2D NAND(평면 NAND)는 단층 구조로 저장 셀을 배치했지만, 미세공정 한계로 인해 더 높은 저장 밀도를 구현하기 어려워짐.
• 이를 해결하기 위해 셀을 수직으로 쌓아 올리는 방식(3D NAND)을 적용하여 저장 용량을 확장.
• 현재 96단, 128단, 176단 3D NAND가 상용화되었으며, 차세대 200단 이상의 제품도 개발 중.

② 특징

✅ 저장 용량 증가 → 동일한 면적에서 더 많은 데이터를 저장 가능.
✅ 성능 향상 → 셀 간 간섭이 적어 쓰기/읽기 속도가 개선됨.
✅ 전력 효율 증가 → 낮은 전압으로 동작하여 소비 전력 감소.
✅ 내구성 증가 → P/E 사이클이 2D NAND보다 개선됨.

③ 활용 분야

• 소비자용 SSD (NVMe, SATA SSD) → 고용량 스토리지.
• 데이터센터 및 서버용 스토리지 → 클라우드 및 AI 연산 데이터 저장.
• 모바일 기기 (스마트폰, 태블릿) → UFS 및 eMMC 스토리지.

📌 3D NAND와 2D NAND 비교

기술	셀 배치 방식	저장 용량	속도	내구성	소비 전력
2D NAND	평면 배열	낮음	보통	낮음	보통
3D NAND	수직 적층	높음	빠름	높음	낮음

---

6.2.2 MRAM (Magnetoresistive RAM, 자기저항 메모리)

① 개요

• MRAM은 자기 저항(Magnetoresistance) 원리를 이용하여 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리.
• 전하(Charge)를 저장하는 기존 메모리와 달리, 자기적 상태를 이용하여 데이터를 유지하여 높은 속도와 내구성을 가짐.
• DRAM과 유사한 속도를 가지면서도 전원이 꺼져도 데이터가 유지됨.

② 특징

✅ 초고속 읽기/쓰기 속도 → DRAM과 유사한 성능 제공.
✅ 무한한 내구성 → P/E 사이클 제한이 없음.
✅ 비휘발성 → 전원이 꺼져도 데이터 유지 가능.
✅ 저전력 동작 → 모바일 및 IoT 기기에서 유용.

③ 활용 분야

• 고속 캐시 메모리 → CPU, GPU의 고속 임시 저장소.
• IoT 및 웨어러블 디바이스 → 저전력 환경에서 지속적인 데이터 저장.
• 자동차 및 항공 우주 산업 → 극한 환경에서도 신뢰성 높은 저장장치.

📌 MRAM과 기존 메모리 비교

기술	속도	내구성	소비 전력	비휘발성
DRAM	매우 빠름	중간	높음	❌
NAND 플래시	보통	낮음	낮음	✅
MRAM	매우 빠름	높음	낮음	✅

---

6.2.3 ReRAM (Resistive RAM, 저항 변화 메모리)

① 개요

• ReRAM은 전자의 이동에 의해 저항값을 변화시켜 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리.
• 기존 NAND보다 훨씬 빠른 속도로 동작하며, 낮은 전력 소모를 요구.
• 뉴로모픽 컴퓨팅(뇌 신경망을 모방한 AI 연산)에도 적용 가능.

② 특징

✅ 고속 데이터 저장 → NAND 플래시보다 빠른 속도.
✅ 내구성 높음 → P/E 사이클이 플래시 메모리보다 뛰어남.
✅ 저전력 소모 → IoT 및 엣지 디바이스에서 활용 가능.
✅ 뉴로모픽 컴퓨팅 적용 가능 → AI 연산 최적화.

③ 활용 분야

• AI 및 뉴로모픽 컴퓨팅 → 신경망 학습 및 데이터 처리.
• IoT 및 엣지 디바이스 → 저전력 센서 및 스마트 기기.
• 고속 데이터 로깅 장치 → 산업 자동화 및 실시간 모니터링 시스템.

📌 ReRAM과 기존 메모리 비교

기술	속도	내구성	소비 전력	AI 활용
NAND 플래시	보통	낮음	낮음	❌
ReRAM	빠름	높음	매우 낮음	✅

---

6.2.4 FRAM (Ferroelectric RAM, 강유전체 메모리)

① 개요

• FRAM은 강유전체(Ferroelectric) 특성을 이용하여 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리.
• DRAM처럼 빠르게 동작하지만, 비휘발성이어서 전원이 꺼져도 데이터를 유지 가능.

② 특징

✅ 빠른 속도 (DRAM 수준) → 즉각적인 데이터 저장 가능.
✅ 내구성 높음 → 거의 무한에 가까운 쓰기 가능.
✅ 저전력 소모 → 스마트카드, IoT 디바이스에서 유용.
✅ 비휘발성 → 데이터 보존 가능.

③ 활용 분야

• 스마트 카드 및 보안 장치 → 카드 결제 시스템 및 보안 인증 칩.
• 자동차 및 의료기기 → 저전력, 고속 데이터 기록 요구 시스템.
• 센서 및 IoT 기기 → 실시간 데이터 로깅.

---

6.2.5 Optane (3D XPoint, 인텔의 차세대 비휘발성 메모리)

① 개요

• Optane(3D XPoint)은 NAND보다 1,000배 빠르고, DRAM보다 저렴한 비휘발성 메모리 기술.
• 전자가 아닌 소재 내부의 구조적 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 방식.

② 특징

✅ NAND보다 1,000배 빠른 속도 → 고속 데이터 처리 가능.
✅ DRAM보다 저렴한 비용 → 대용량 메모리 구현 가능.
✅ 비휘발성 → 전원이 꺼져도 데이터 유지.
✅ 낮은 지연 시간 → AI 및 데이터센터에서 유용.

③ 활용 분야

• 데이터센터 및 클라우드 서비스 → 초고속 데이터 캐싱 및 저장.
• AI 및 머신러닝 → 대규모 학습 데이터 처리.
• 고성능 컴퓨팅(HPC) → 금융, 과학 연구 등 고속 연산이 필요한 환경.

---

정리

• 3D NAND → 고용량 플래시 메모리 구현, SSD 및 모바일 기기 사용.
• MRAM → 초고속 메모리, DRAM 대체 가능.
• ReRAM → AI 및 뉴로모픽 컴퓨팅 최적화.
• FRAM → 초고속, 저전력 데이터 저장.
• Optane(3D XPoint) → DRAM과 NAND 중간 성능의 비휘발성 메모리.