PRAM 알아보기 - DRAM과 플래시 메모리의 장점을 가진 메모리

PC나 노트북의 저장장치가 HDD에서 SSD로 바뀌면서 속도가 무척 빨라졌습니다. SSD를 구성하는 기본 메모리인 NAND플래시는 전원이 끊어져도 데이터가 남아있는 대신 DRAM보다 속도가 느립니다. 그런데 NAND플래시처럼 전원이 차단되어도 데이터가 소멸되지 않고, 속도는 DRAM과 같은 메모리가 있다는데요. 같이 알아봅시다.

 

 

PRAM이란?

PRAM(Phase-change Random Access Memory)은 차세대 비휘발성 메모리 기술 중 하나로, 물질의 상변화를 이용해 데이터를 저장하는 혁신적인 메모리 반도체입니다.

 

PRAM의 기본 원리

PRAM은 GST(GeSbTe, 게르마늄 안티몬 텔룰라이드)라는 칼코게나이드 물질의 '상(phase)'변화를 이용합니다. 이 물질은 전류를 가하면 결정 상태와 비결정 상태 사이를 전환할 수 있습니다.

• 결정 상태(SET): 낮은 저항, 데이터 '0'을 나타냄
• 비결정 상태(RESET): 높은 저항, 데이터 '1'을 나타냄

 

 

데이터 쓰기 과정

1. RESET(데이터 '1' 쓰기)

• 높은 전류를 짧게 가해 GST를 600°C 이상으로 가열
• 급격히 전류를 감소시켜 비결정 상태로 만듦
• 저항: 수십K ~ 수 M Ω

 

2. SET(데이터 '0' 쓰기)

• RESET보다 낮은 전류를 더 오래 가함
• 천천히 전류를 감소시켜 결정 상태로 변환
• 저항: 수K Ω

 

데이터 읽기 과정

GST의 현재 상태(결정/비결정)에 따른 전압 차이를 감지하여 '0'과 '1'을 구분합니다.

 

PRAM의 구조와 동작

PRAM 셀은 트랜지스터와 데이터 저장부로 구성됩니다. 데이터 저장부는 상부전극, 하부전극, 그리고 그 사이에 위치한 다공성 상변화물질층으로 이루어집니다. 이 다공성 구조는 나노 에어-포어(직경 1~10nm)를 포함하여 열효율을 높이고 동작 특성을 개선합니다.

 

 

PRAM의 장점

• 고속 비휘발성: DRAM의 속도와 플래시 메모리의 비휘발성을 결합
• 대량생산 용이: 구조와 제작 공정이 단순함
• 높은 신뢰성: 70°C 고온에서 10년간 데이터 보관 가능
• 빠른 동작 속도: 100ns 이하의 빠른 스위칭 가능
• 초저전력: 약 5 MW/cm²의 전력 밀도로 작동하며 0.7V의 낮은 스위칭 전압에 동작

 

PRAM의 한계 및 해결 과제

주요 한계점은 쓰기 횟수(수명) 제한입니다. 셀당 약 10만 회의 쓰기 수명을 가지며, 한 셀이 사용 불가능하지면 전체 메모리를 사용할 수 없게 됩니다. 이를 해결하기 위한 방안으로는 다음과 같은 것이 있습니다.

1. Partial Write: Dirty-bit를 늘림
2. Differntial Write: 변경된 부분만 쓰기
3. Flip-N-Write: 수정 부분만 쓰기

 

이러한 방법들은 쓰기 횟수를 줄여 전체 메모리의 성능을 향상시키고 전력 소비를 줄입니다.

 

맺음말

PRAM은 DRAM과 NAND 플래시의 장점을 다 가지고 있는 기술로 볼 수 있지만, 두 기술을 물리적으로 결합한 것은 아닙니다. 대신, PRAM은 독립적인 새로운 메모리 기술로, 빠른 속도와 비휘발성을 동시에 제공하는 것을 목표로 합니다. PRAM 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 향후 빅데이터와 AI 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 그러나 아직 상용화를 위해서는 더 많은 연구와 개발이 필요한 상태입니다.