Flash Memory and SSD¶

Flash Memory 란?¶

Flash Memory는

read 의 경우에는 Random Access Memory (RAM)같이 동작하며,
write 의 경우에는 block-access를 수행하는

RAM 같은 EEPROM 유형의 기억장치.

Solid State Disk (SSD) 란?¶

Solid State Disk (SSD)는

Flash memory를 Disk Drive 형태로 패키징하면서,
Wear Leveling Processor등을 추가하여

HDD 처럼 Flash memory를 사용하게 한 것.

특징.¶

전기적으로 내용 변경 및 일괄 소거도 가능.
- EEPROM의 일종.
RAM 같은 ROM.
- 1bit를 담고 있는 cell별로
- read의 경우 random access가능!
- cell이 저장할 수 있는 bit의 크기에 따라 다음으로 구분.
  - Single Level Cell(SLC) : 1bit/cell 저장 (=1BPC)
  - Multi Level Cell(MLC) : 2bit/cell 저장 (=2BPC)
  - Triple Level Cell(TLC) : 3bit/cell 저장 (=3BPC)
  - Quadratic Level Cell(QLC) : 4bit/cell 저장 (=4BPC)
- 읽기 / 쓰기 / 지우기 단위
  - 32 or 64개의 cell이 연결된 String(or Column)이 read 의 최소단위(RAM 과 유사) 가 되며,
  - 16 or 23개의 String이 모여 program(=write)의 최소단위인 Page(or Row) 를 이루고,
  - 64 or 128개의 String이 모여 erase의 최소단위인 Block 을 이룸 (NAND Flash 기준).
  - Memory : Page and Column 참고 내용
  - Page와 비슷한 개념으로 segment가 있는데, page는 물리적으로 주소를 나누는 방식(같은 bit size로 나뉨)이고 segment는 논리적으로 나누는 방식(bit size가 다름)임.
- BPC가 커질수록 read time이 커짐(=느려짐) : 동시에 수명도 짧아짐.
- cell을 직렬로 연결할지 병렬로 연결할지에 따라 NAND FLASH와 NOR FLASH로 구성됨.
전원이 나가도 기억 유지.
- DRAM 처럼 bucket(=MOSFET+Floating Gate Transistor) 에 전자를 담아 기억하는 방식
- 하지만, DRAM과 달리 전자가 새지 않음 (전원을 공급할 필요 없음. 10년가량 기억 가능)
쉽게 쓰기 지우기 가능
- 단, 0에서 1로 변경을 하려면 우선 해당 데이터가 기록된 block 전체를 지우고 다시 기재 해야함.
- 특정 cell의 정보 만 수정하는 처리가 안됨.
- "block (or string) 단위"별로 지우고 다시 쓰기 수행
- 때문에 Flash memory는 여러 block으로 나누어져 있음.
읽기/쓰기 수만번 가능.
- 데이터를 저장하는 cell 하나당 쓰고 지우는 횟수의 한계가 존재함.
  - BPC가 높을수록 수명이 짧아짐.
- Flash memory를 Disk Drive 형태로 패키징 한 SSD에서는 셀들을 block으로 묶고, 이들 블록이 몇차례 기록이 되었는지를 카운트하여 구성 block들이 쓰고 지워진 횟수를 일정하게 유지시키는 wear leveling processor가 있음.

Flash Memory 종류¶

NAND Flash¶

cell을 직렬로 연결한 방식으로 NOR Flash에 비교하여

read time이 느린 단점을 가지나 (page, block 의 각 셀들을 순차적으로 읽어들임),
program(=write)와 erase time이 page, block 단위로 이루어짐에 따라 매우 빠름.

Random Access가 안된다는 단점이 있으나, 각 cell에 대한 개별 접근을 위해 요구되는 회로가 없기 때문에 하나의 cell이 차지하는 면적이 NOR Flash 대비 40%수준으로 작고, 이는 높은 집적화와 함께 단위 저장용량에 대해 낮은 제조 단가를 가능하게 함.

저장 매체에 적합한 NAND Flash Memory

소형화 및 대용량화 에 유리하면서
저장용량단 단가가 낮음.
read speed가 높지 않아 RAM과 같은 용도로는 사용하기 어려움.

NAND Flash는 높은 집적도의 경제성을 가진 storage 제품을 가능하게 함.

현재 NAND방식은 대용량 Flash Memory 시장에서 가장 널리 사용됨.

NOR Flash¶

cell을 병렬로 연결한 방식으로, NAND Flash에 비해

RANDOM Access를 통한 read time이 6-7배 정도 빠르지만,
program (=write)과 erase가 cell단위로 이루어지다보니 NAND에 비해 느린 단점을 가짐.
- 개별 cell로 작업이 이루어지기 때문에 대용량의 데이터를 쓰거나 지우는 등의 경우 느린 단점을 가짐.

Cell별로 read가 이루어지다보니 Random Access가 가능하다라는 장점이 있으나,

cell 마다 요구되는 회로로 인해 낮은 집적도와 용량당 높은 제조단가를 가지는 단점을 가짐.
저장장치로는 NAND 방식에 밀린 상태.
부트로더, firmware 등과 같이 작은 용량의 데이터를 저장하면서 빠른 읽기 속도가 필요한 경우에 사용됨.

마이크로컨트롤러의 부트로더 등에 활용도가 높음.

SSD¶

SSD의 경우, 최근 HDD를 대체하고 있는 추세임.

이미 노트북 등의 시장에서는 SSD가 대세로 자리잡음.
HDD 대비 빠른 읽기/쓰기 가 가능하며 낮은 발열과 소음 이라는 장점을 가짐.
주로 대용량 저장을 위한 NAND Flash로 구성됨.
wear leveling processor를 통해, 전체 device의 읽기/쓰기의 수명을 연장하며 데이터 손실 및 오류 가능성을 줄임.

Flash Memory의 각 cell 은 일정 횟수의 프로그래밍 및 삭제 작업만이 가능함.
특정 횟수 이상 쓰기/지우기 가 이루어질 경우 수명이 종료되며,
이같은 읽고 쓰여진 정도를 wear level 이라고 부름. 데이터가 자주 업데이트되어 일부 cell이 지나치게 너무 빨리 수명이 종료되어 전체 SSD의 저장능력에 문제가 되지 않도록
Wear Level Processor는 모든 cell의 wear level이 균일하게 되도록 도와줌.

References¶

나무위키's Flash Memory