반도체 DRAM 저장 원리 및 종류, 발전

반도체에서 DRAM 은 최신 컴퓨팅 및 디지털 장치의 핵심 역할을 합니다.  DRAM 내 저장 장치의 원리와 종류를 이해하는 것은 기술 환경에 미치는 영향과 중요성을 파악하는 데 매주 중요합니다. 이 글에서  DRAM이란 무엇인지 알아보고 DRAM의 저장 원리 및 종류에 대해 알아보겠습니다.

DRAM의 저장 원리

Dram

DRAM 이란 용량이 크고 속도가 빨라 주로 컴퓨터의 메인 메모리로 사용되는 램(RAM)을 말합니다. 램(RAM) 은 정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽거나 수정할 수 있는 메모리로 전원이 꺼지면 데이터도 날아가기 때문에 '휘발성 메모리'라고도 합니다.컴퓨터의 성능에 중요한 역할을 하며 DRAM의 용량이 클수록 더 많은 데이터를 저장할 수 있고, DRAM의 속도가 빠를수록 더 빠른 속도로 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다.

DRAM의 저장 원리의 핵심에는 커패시터와 트랜지스터가 함께 작동하는 것에 있습니다. DRAM 은 정보를 저장하는 방인 셀을 가지고 있습니다.

셀은 데이터를 저장하는 기본 단위를 말하며,  트랜지스터(Transistor)와 커패시터(Capacitor) 각각 1개로 구성되어 1bit를 저장합니다. 비유를 하면 수도꼭지(트랜지스터)를 틀면 데이터가 그릇(커패시터)에 담긴다고 볼 수 있습니다.

트랜지스터는 전자회로 내에서 전자의 증폭과 스위칭을 담당하는 소자를 말하고 커패시터는 전자회로에서 전기를 일시적으로 저장하는 장치를 말합니다. 

커패시터에 담긴 데이터를 전하의 유무에 따라 디지털 정보의 기본 단위인 0 (전하 흐르지 않음)혹은 1(전하 흐름)이라는 정보를 저장하고 이 두 숫자를 판별하는 방식으로 데이터를 저장합니다.

시간이 지나면서 커패시터의 전자가 누전되어 데이터를 유지하는 시간이 짧아지게 되는데 이를 방지하고 셀의 상태를 유지하기 위해서는 주기적으로 리프레시(재생)를 해야 합니다. 리프레쉬를 통해 커패시터에 데이터를 상기시켜 주는 것입니다.셀이 많을수록 혹은 셀의 크기가 작을수록 DRAM의 용량이 커지며 더 많은 데이터를 저장할 수 있습니다. DRAM의 용량과 속도에는 결국 셀의 크기와 속도가 영향을 미칩니다.

DRAM의 종류

메모리 동작 속도를 나타내는 지표(주파수)를 클럭이라고 하는데, 초기 DRAM(SDRAM) 은 한 번의 클럭에서 한 번의 데이터 처리를 할 수 있었습니다. 이후 데이터 전송량을 2배 높임으로써 한 번의 클럭에 두 번의 데이터 처리를 할 수 있는 DDR SDRAM이 등장하게 되었습니다.  DDR은 Double Data Rate의 약자 고속 메모리 기술을 말합니다. 

DDR SDRAM이 등장하고 이후 전송 속도를 높이며 DDR2-DDR3-DDR4-DDR5 등 세대를 거듭한 제품이 등장하게 됩니다. 세대가 높아질수록 클럭당 전송량은 모두 한 번의 신호로 두 번의 데이터를 처리하는 식으로 전송량을 동일하며 클럭 주파수를 높여 동작 속도를 높였습니다.

자세한 내용은 아래와 같습니다. 

동기식 DRAM이라고 불리는 SDRAM은 메모리 작동을 시스템 클럭과 동기화하여 데이터 전송을 간소화합니다. 조정된 타이밍은 지연 시간을 최소화하고 데이터 처리량을 최적화합니다. 메모리 모듈과 컨트롤러 간의 이러한 효율적인 협업은 디바이스 성능을 크게 향상시켜 최신 컴퓨팅 시스템의 필수 요소인 SDRAM을 만듭니다.

Double Data Rate(DDR) DRAM은 클록 신호의 상승 및 하강 지점 모두에서 데이터를 전송함으로써 SDRAM의 기반을 구축합니다. 이 DDR DRAM의 등장으로 인해 데이터 전송 속도가 SDRAM에 대비하여 두 배가 되었습니다. DDR2, DDR3, DDR4, DDR5와 같은 세대를 거듭할 때마다 메모리 아키텍처가 개선되어 데이터 속도와 전반적인 효율성이 현저하게 향상되었습니다.

Graphics Double Data Rate(GDDR) DRAM은 그래픽 집약적인 애플리케이션에 적합하며, 게임 콘솔 및 고성능 컴퓨팅의 그래픽 카드를 구동합니다. 이 는 메모리 대역폭을 향상시켜 복잡한 비주얼과 복잡한 시뮬레이션을 원활하게 렌더링 할 수 있도록 합니다. GDDR의 특수 설계는 DRAM 기술의 적응성을 입증하는 증거입니다.

모바일 장치용으로 설계된Low Power Double Data Rate DRAM(LPDDR)은 성능과 에너지 소비 사이의 균형을 맞춥니다. 저전압 작동으로 메모리 속도 저하 없이 전력을 절약할 수 있습니다. 스마트폰과 태블릿에서 에너지 효율이 높은 부품에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 LPDDR은 성능 저하 없이 배터리 수명을 향상하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 

DRAM의 발전

지금까지 메모리의 작동 원리와 다양한 유형의 DRAM에 대해 알아보았습니다. DRAM은 효과적인 데이터 저장과 복구를 가능하게 하는 핵심적인 역할을 합니다. 기술이 계속 발전함에 따라 DRAM은 반도체의 특성을 형성하고 전자 바이어스와 상호 작용하는 방식에 영향을 미치는 중요한 요소로 남을 것입니다. 초기 비동기식 DRAM부터 현재 DDR5에 이르기까지 각 세대는 이전 세대의 업적을 기반으로 구축되었습니다. 이러한 휘발성 메모리의 발전은 컴퓨터의 속도와 효율성의 향상으로 이어졌습니다. 기술이 발전함에 따라 DRAM의 정교함도 발전하고 있습니다. 데이터 전송 시간을 단축하는 능력과 같은 놀라운 발전은 인공지능(AI), 가상현실, 과학적 탐구와 같은 빅데이터 기반 산업에 큰 영향을 미칠 것입니다.