NAND 플래시 메모리란 무엇인가요?

'NAND'라는 용어는 'NOT'와 'AND'의 합성어로 NAND 셀 내부 구조를 제어하는 논리 게이트를 의미합니다.

NAND 플래시 메모리는 스토리지 밀도가 높고 휘발되지 않는 것 외에도 빠른 데이터 전송, 내구성, 낮은 전력 소비로 유명합니다. 그래서 NAND 플래시 메모리는 스마트폰부터 디지털 카메라, 게임 콘솔, 태블릿 컴퓨터에 이르는 생활 속 개인용 전자 제품에 주된 스토리지 솔루션으로 사용됩니다.

기업 및 산업계 수준에서는 데이터 센터, 임베디드 자동차 시스템, 의료 영상 장비, 통신 인프라 등 다양한 분야에서 NAND를 사용합니다.

소비자 및 애플리케이션 전반에 걸쳐 데이터 저장 수요가 증가함에 따라 NAND 플래시 메모리 시장 규모는 2025년 557억 3천만 달러에서 2030년 726억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 성장에는 이 기간의 연평균 성장률 5.43%가 반영되어 있습니다.¹ 이를 주도하는 것은 AI 인프라 투자, 소비자 전자기기의 SSD 채택 증가, 스토리지 비용을 낮추는 3D 칩 기술입니다.

NAND 플래시 메모리는 기업 수준의 생성형 AI 도입에도 중추적인 역할을 합니다. 생성형 AI 애플리케이션에는 NAND 플래시 메모리 칩으로 구동되는 SSD에 저장되는 텍스트, 이미지 및 비디오를 비롯한 교육 데이터 및 콘텐츠를 저장할 대용량 스토리지가 필요합니다.

전원이 꺼지면 데이터가 손실되는 DRAM(동적 랜덤 액세스 메모리) 같은 휘발성 메모리와 달리, NAND는 플로팅 게이트에 전하를 가두어 정보를 유지하는 비휘발성 메모리입니다.

NAND 플래시 메모리는 플로팅 게이트 트랜지스터라는 특수 부품을 사용하여 데이터를 저장합니다. 이 트랜지스터는 'NOT' 및 'AND' 연산을 사용하여 이진 신호(1과 0)를 처리하는 기본 디지털 회로인 NAND 논리 게이트처럼 작동하는 직렬 패턴으로 배열됩니다.

NAND 플래시의 메모리 셀 각각에는 제어 게이트와 플로팅 게이트라는 두 가지 핵심 부품이 있으며, 이들은 얇은 산화물 물질층으로 분리되어 있습니다. 아주 작은 용기에 전기를 가둔다고 생각하면 됩니다.

NAND 셀의 쓰기 작업은 파울러-노드하임 터널링이라는 프로세스를 통해 전하가 적용될 때 시작됩니다. 이 전하가 전자를 부유 게이트로 밀어 넣으면 전자가 그곳에 갇혀서 이진 값을 나타냅니다. 셀에서 전하를 제거하여 갇혀 있던 전자를 방출하기만 하면 데이터가 지워집니다.

NAND 플래시가 효율적인 비결은 블록 기반 아키텍처에 있습니다. NAND는 한 번에 한 비트씩 데이터를 쓰거나 지우지 않고, 큰 블록 단위로 정보를 처리합니다. 이 프로세스는 순차적 작업과 대규모 스토리지에 이상적입니다.

NAND 플래시 메모리의 이점을 알아봅시다.

• 비휘발성 스토리지: 전원이 꺼진 상태에서도 데이터를 보존해서 운영 체제, 애플리케이션, 사용자 파일을 영구적으로 저장할 수 있습니다.

• 짧은 지연 시간: 고성능 데이터 집약적 애플리케이션의 데이터 접근 속도를 높입니다.

• 높은 스토리지 밀도: microSD 카드에서 기업용 SSD에 이르는 소형 폼 팩터에 대용량 스토리지를 제공합니다.

• 에너지 효율성: 기계식 드라이브보다 전력 소모가 적어서 배터리 수명이 연장되고 데이터 센터 비용이 절감됩니다.

• 내구성: 움직이는 부품이 없기 때문에 하드 디스크 드라이브(HDD) 스토리지보다 물리적 충격과 진동에 강합니다.

• 신뢰성: 장애율이 낮고 웨어 레벨링 기술이 적용되어 있어 성증이 일관되게 유지되며, 사이버 복원력과 비즈니스 연속성을 지원합니다.

NAND 플래시 메모리의 기반은 1960년 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 개발로 시작되었으며, 이를 통해 전자 제품을 대량으로 소형화할 수 있게 되었습니다.

1967년 벨 연구소의 Dawon Kahng과 Simon Min Sze 연구원은 MOSFET의 플로팅 게이트를 재프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리(ROM)로 재활용할 수 있을 것이라고 제안했습니다.

이 개념은 지울 수 있는 메모리 기술의 토대를 마련했습니다. 1971년, Intel의 Dov Frohman 엔지니어는 삭제 및 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리(EPROM)를 발명했습니다. 이 메모리는 칩의 투명한 창을 통해 자외선을 사용하여 데이터를 삭제합니다.

다음 발전이 이루어진 것은 1970년대 후반에서 1980년대 초였습니다. 전기적으로 지우고 프로그래밍할 수 있는 읽기 전용 메모리(EEPROM)가 나온 것입니다. EEPROM은 EPROM과 달리 전기 신호를 사용하여 데이터를 지울 수 있습니다. 이러한 혁신을 통해 편의성과 기능이 크게 개선되었습니다.

플래시 메모리는 1980년대에 Toshiba의 Fujio Masuoka 박사의 연구를 통해 탄생했습니다. '플래시'라는 용어는 '카메라 플래시만큼 빠르게' 칩에서 데이터를 삭제할 수 있다는 동료의 말에서 비롯되었습니다.

2000년대와 2010년대에 제조사들은 셀 설계와 제조 기술 혁신을 통해 NAND 플래시 메모리 밀도, 성능 및 신뢰성을 괄목하게 발전시켰습니다. 이러한 혁신으로, 틈새 스토리지 기술이던 NAND 플래시는 최신 데이터 스토리지의 기반으로 변신했습니다.

플래시 메모리는 NOR 플래시와 NAND 플래시로 나뉩니다.

NAND 플래시는 메모리 셀이 직렬로 배열된 'NOT AND' 부울 논리 게이트를 사용하여 대용량 스토리지 요구 사항에 맞게 스토리지 밀도와 순차적 작업에 우선순위를 둡니다.

NOR 플래시는 플래시 메모리 셀이 병렬로 연결된 'NOT OR' 부울 논리 게이트를 사용해서 개별 바이트를 빠르게 읽고 프로그래밍합니다. 이 공정 덕분에 NOR 플래시는 펌웨어, BIOS 칩, 임베디드 시스템과 같이 메모리에서 직접 코드를 실행해야 하는 애플리케이션에 매우 적합합니다. 그러나 NOR 플래시는 쓰기 및 삭제 속도가 느리고 스토리지 밀도가 낮으며 비트당 비용이 높습니다.

NOR 플래시는 여전히 코드 실행 작업에 중요하지만, NAND 플래시가 대부분의 애플리케이션에서 주요 스토리지 기술로 자리 잡았습니다. 

NAND 플래시 메모리 유형은 개별 셀이 저장할 수 있는 비트 수에 따라 분류됩니다. 유형별로 P/E 주기(프로그램 또는 삭제 주기)로 측정되는 내구성 등급이 다릅니다.

여기에는 다음이 포함됩니다.

• SLC(단일 레벨 셀): SLC 또는 단일 레벨 셀은 셀당 1비트를 저장합니다. SLC NAND는 기가바이트당 가격이 가장 비싸지만 최대 100,000번의 삭제 주기로 성능, 안정성, 내구성이 가장 뛰어납니다. 미션 크리티컬한 전사적 워크로드를 실행하는 기업 환경에서 사용됩니다.

• MLC(다중 레벨 셀): MLC 또는 다중 레벨 셀은 셀당 2비트를 저장합니다. 기가바이트당 비용을 줄이면서 SLC의 스토리지 밀도를 두 배로 늘리지만 속도는 더 느립니다. 미드레인지급 경제성을 갖춘 MLC는 내구성이 덜 중요한 많은 소비자 SSD 또는 전문가용 워크스테이션에 내장되어 있습니다.

• TLC(트리플 레벨 셀): TLC 또는 트리플 레벨 셀은 셀당 3비트를 저장합니다. TLC는 P/E 주기가 3,000회에 불과하기 때문에 SLC 및 MLC보다 내구성이 낮습니다. 그러나 밀도가 높아서 데이터를 더 저렴하게 저장할 수 있고, 주류 소비자 SSD 제품에 자주 사용됩니다. 

• QLC(쿼드 레벨 셀): QLC 또는 쿼드 레벨 셀은 셀당 4비트를 저장합니다. 이 사양은 스토리지를 최대화하고 기가바이트당 비용을 최소화합니다. 쓰기 주기 내구성이 덜 중요한 읽기 집약적인 워크로드(스트리밍, 아카이빙, 대용량 파일 스토리지 등)에 적합합니다. 또한 QLC는 데이터 무결성을 유지하기 위해 고급 오류 수정에 크게 의존합니다.

SLC 또는 단일 레벨 셀은 셀당 1비트를 저장합니다. SLC NAND는 기가바이트당 가격이 가장 비싸지만 최대 100,000번의 삭제 주기로 성능, 안정성, 내구성이 가장 뛰어납니다. 미션 크리티컬한 전사적 워크로드를 실행하는 기업 환경에서 사용됩니다.

최신 SSD는 실리콘 웨이퍼에 여러 층의 메모리 셀을 수직으로 적층하는 3D NAND 메모리라는 아키텍처 유형을 사용합니다. 플랫 매트릭스에 메모리 셀을 배열하는 구형 2D NAND에 비해, 3D NAND는 같은 설치 공간에서 더 많은 메모리 셀을 사용합니다. 그래서 데이터 저장 밀도, 용량, 데이터 저장 비트당 비용을 최적화하여 더 많은 메모리 셀을 사용할 수 있습니다.

S&S Insider 보고서는 2023년 3D NAND 플래시 메모리 시장 규모를 175억 9천만 달러로 평가되었습니다. 이 시장은 2024년부터 2032년까지 연평균 17.61% 성장하고, 2032년에는 754억 4천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.²

3D NAND 기술은 인공지능(AI) 시대의 데이터 저장에 중요한 역할을 합니다. 기존 NAND 솔루션보다 최대 50% 빠른 쓰기 속도를 자랑하는 3D NAND 기반 SSD와 올플래시 어레이가 생성형 AI용 스토리지로 사용되고 있습니다. 이는 처리 장치 근처에서 사전 학습된 모델과 대규모 데이터 세트에 빠르게 접근할 수 있습니다. 3D NAND는 데이터 검색 지연 시간을 줄여서 AI와 머신러닝(ML) 워크플로의 성능을 향상시킵니다.