작은 메모장
SSD의 저장방식, SLC, MLC, TLC, 그리고 QLC 본문
SSD란?
Solid-State Drive,줄여서 SSD는 기계적인 구동부위 없이 반도체(Solid-State)를 사용하는 비휘발성 저장 드라이브다.
반도체 메모리에 전기적 신호로 데이터를 기록하는 저장 방식으로 인해 이런 이름이 붙게 되었다.
물리적인 충격과 외부 자기장에 매우 취약한 HDD를 보완하기 위해 나온 저장장치로,
험난한 외부 환경에서 안정적으로 데이터를 보관하기 위해 개발되었다.
SSD는 전기적인 신호를 주어 플래시 메모리에 정보를 저장한다.
RAM과 함께 플래시 메모리를 적극적으로 사용하고 있는 저장장치로,
각 장치의 용도에 따라 이 플래시 메모리를 사용하는 방법이 달라진다.
자세한 내용은 이곳을 확인하면 된다.
https://news.skhynix.co.kr/post/dram-and-nand-flash
낸드 플래시
NAND 플래시는 NAND 논리회로를 이용하여 전자로 데이터를 저장한 회로 연결 방식이다.
이런 전자로 데이터를 저장한 회로 연결 방식은 크게 2가지로 나뉘는데,
NOR 게이트를 사용한 방식과 NAND 게이트를 사용한 방식으로 나뉜다.
NOR 게이트 방식과 NAND 게이트 방식은 각각의 장단점이 있다.
NOR 게이트 방식은 읽기가 빠르지만 쓰기가 매우 느렸고,
NAND 게이트 방식은 쓰기가 빠르지만 읽기가 매우 느렸다.
하지만 NAND 방식은 한가지 강력한 장점이 존재했는데, 제조 단가가 NOR 방식보다 압도적으로 저렴했다.
NAND 방식은 한 셀이 차지하는 면적이 NOR 방식의 40%만 차지한다.
당장 상단의 사진만 보더라도 초록색 배경의 영역의 폭이 크게 차이가 난다.
사용하는 면적이 적어진다는 것은 그만큼 더 많은 셀을 더 넣을 수 있다는 것이고,
더 넣은 셀만큼 더 많은 저장공간이 확보된다.
이는 저장장치 제조의 입장에서 엄청난 장점이며, SSD가 낸드 플래시 방식만 사용하는 이유다.
낸드 플래시의 기본적인 구조는 이와 같다.
Bottom Gate, 즉 플로팅 게이트에 전자를 저장하여 데이터를 저장하는 방식이다.
플로팅 게이트에 전자가 있으면(많으면), 0으로 인식한다.
플로팅 게이트에 전자가 없으면(적으면), 1로 인식한다.
Source와 Drain사이에는 지속적으로 전기가 흐르고 있다.
그러나 이 전기가 플로팅 게이트까지는 흐르지 않는데,
이는 Tunnel oxide이란 이름의 절연층이 가로막고 있기 때문이다.
이 절연층은 산화막으로, 기본적으로 전자가 통과가 불가능하다.
이 때, Top Gate에 아주 강력한 +전압(12~24V)을 걸면,
Source와 Drain사이에서 흐르던 전자가 강한 응력을 받아서 절연층을 뚫고 플로팅 게이트에 도달하게 된다.
반대로, Top Gate에 아주 강력한 -전압(12~24V)을 걸면,
플로팅 게이트에 있던 전자가 Source와 Drain에 흐르는 전류의 응력을 받아 절연층을 뚫고 탈출한다.
이것이 낸드 플래시가 쓰기를 하는 방식이다.
통상적으로 SSD는 정보를 저장하기 전 데이터 삭제 과정을 각 셀마다 미리 진행하는데,
저 플로팅 게이트에 전자가 있을지 없을지 모르기 때문이다. 이를 Trim 과정이라 부른다.
SLC
위에서 설명한 플래시 메모리는 한 셀에 1비트만 저장이 가능하다.
이런 셀을 무수히 집적하여 플래시 메모리가 만들어진다.
이렇게 만들어진 것이 Single Level Cell, 즉 SLC이다.
한 셀에 1비트만 저장이 가능하기 때문에, 셀의 갯수가 즉 플래시 메모리의 용량으로 이어진다.
하나의 SSD에 셀을 10억개 넣었다면, 1G bit(128m byte)의 용량을 가지는 것이다.
그러나 이런 방식으로는 금방 한계에 부딪히게 되었는데,
고용량으로 설계할수록 너무 많은 셀의 개수를 요구하기 때문이다.
한정된 기판에 넣을 수 있는 셀의 개수는 정해져 있었고,
이는 저장용량이 한정된다는 결과로 이어진다.
이에 저장 용량을 늘릴 다른 방법을 고안하였다.
MLC와 TLC, 그리고 QLC
SLC의 문제는 넣을 셀의 개수가 한정되어 있다는 것이다.
때문에 사람들은 셀의 갯수를 늘리는 방향이 아닌
셀이 수용할 수 있는 정보량을 늘리는 방향을 모색하였고,
이로인해 나온 개념이 MLC, TLC, QLC이다.
MLC와 TLC, QLC는 각각의 이름에 맞게 한 셀에 얼마나 많은 비트를 넣을 수 있는가를 나타낸다.
비트가 하나씩 늘어날 때마다 저장 용량이 2배로 늘어나며,
이는 더 적은 비용으로 고용량의 SSD를 제작할 수 있다는 것이다.
이를 어떻게 구현하는가?
앞서, 낸드 플래시는 TOP 게이트에 전압을 가해 플로팅 게이트에 전자를 넣는 방식으로 정보를 저장한다.
이 플로팅 게이트를 수직으로 쌓아서 셀의 갯수를 늘리는 방식으로 구현한다.
셀의 갯수가 늘어났기에, 저장 가능한 전자의 양 또한 늘어났고,
이는 가해지는 전압의 세기에 따라서 저장되는 전자의 양을 조절한다.
종합적으로, TOP 게이트의 전압의 세기에 따라 전자의 양이 결정되고,
이 전자의 양으로 신호를 구분하게 된다.
쓰기 속도, 그리고 수명
이렇게만 보면 그냥 무작정 셀을 많이 쌓아서 정보량을 늘리는 것이 좋아보인다.
그러나 이 방식은 치명적인 단점이 존재하는데, 크게 쓰기 속도와 수명에서 문제가 있다.
TLC의 8가지 전압 단계를 기록하기 위해서는 7개의 세분화된 전압이 필요하다.
그러나 이 7가지 단계는 한번에 기록 되는 것이 아닌, 3단계를 거쳐 기록된다.
SLC에 비해서 더 많은 기록 단계를 거치기 떄문에,
한번의 쓰기에 더 긴 시간이 걸리고 쓰기 속도가 느려진다.
이 요소는 플래시 메모리의 수명에도 영향을 미치는데, 이유는 산화막의 손상에 직접적으로 간여하기 때문이다.
산화막은 전자의 이동을 막기 위해 존재하며, 쓰기 과정을 진행할 때 전자가 강제로 통과된다.
이를 전압을 이용하여 강제로 뚫었으니, 산화막에 손상이 발생한다.
더 많은 읽기/쓰기를 진행할 수록 산화막의 손상 또한 늘어나며,
일정 수준 이상 손상이 일어나면 산화막이 제 기능을 못하게 된다.
마치 정수기 필터를 생각하면 편하다.
하나의 셀에 저장해야하는 신호, 즉 정보가 많아지면 많아질 수록 전압 간격은 더욱 촘촘해진다.
이 때, 산화막이 손상되면 기존의 설계보다 더 많은 전자가 진입하게 된다.
정보를 구분하는 전압 간격이 넓다면, 이 "예상하지 못한 전자량"을 무시하고 정보를 저장할 수 있다.
그러나 전압 간격이 촘촘하다면, 이 "예상하지 못한 전자량"이 정보를 변형시킬 수 있다.
즉, 전압 간격이 촘촘할수록 산화막의 기능에 더욱 의존하며,
이는 셀의 수명이 짧아지는 결론으로 이어진다.
수명 연장
시간이 지나면 지날수록 소비자들은 고용량의 저장장치를 요구하므로,
이러한 공정을 포기할 수 없다.
때문에 이 수명 문제를 다양한 방법으로 개선하고 있다.
- 각 셀을 골고루 사용하여 전체 셀의 수명을 일정하게 유지
- 에러 수정 기능을 더 높은 정밀도로 강화하여 에러를 수정
- 산화막 손상 시 전압량 변화를 감지하여 이에 맞춰 다시 전압 단계를 수정
- 여분의 메모리 셀을 확보하고 사망한 셀을 대체
그러나 이러한 방법은 일시적으로 문제를 해결하는 방법으로,
근본적인 메모리셀의 사망을 해결하는 방법은 아니라는 한계가 있다.
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