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우리가 사용하는 메모리카드, USB, SSD 등의 저장매체에는 낸드플래시(NAND Flash) 메모리가 사용됩니다. 그리고 낸드플래시 타입은 최소단위인 셀(Cell)에 몇 비트(bit)를 저장할 수 있느냐에 따라 SLC, MLC, TLC, QLC 방식으로 나뉘는데요. 동일한 용량일지라도 이 네 가지 방식에 따라 성능의 차이가 발생하고 가격 또한 달라지게 됩니다. 오늘 <궁금한 반도체 WHY> 4탄에서는 낸드플래시 메모리의 데이터 저장 방식이 각각 어떻게 다른지 알아보도록 하겠습니다.
SLC / MLC / TLC / QLC 비교
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데이터를 저장하는 방식은 SLC(Single Level Cell), MLC(Multi Level Cell), TLC(Triple Level Cell), QLC(Quadruple Level Cell)로 나눌 수 있습니다. 이는 데이터를 저장하는 최소 단위인 셀(Cell)에 몇 비트(bit)를 저장할 수 있느냐에 따라 분류한 개념입니다. SLC는 1bit, MLC는 2bits, TLC는 3bits, QLC는 4bits 을 저장할 수 있죠.
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데이터를 저장(Write)한다는 의미는 지정된 셀의 storage 영역에 전자를 주입하는 동작을 통해 기존 Erase ‘1’ 셀을 Program ‘0’ 셀로 변환하여, 셀들을 이진법적으로 ‘1’ 과 ‘0’ 상태로 구분 가능하게 만드는 것입니다. 만약 셀의 구분 가능한 상태를 2n개로 확장하면 저장 가능한 데이터의 비트 수(n)가 증가합니다.
SLC는 ‘1’과 ‘0’ 2개 (N=1), MLC는 ‘11’~’00’ 4개 (N=2), TLC는 ‘111’~’000’ 8개 (N=3), QLC는 ‘1111’ ~ ‘0000’ 16개 (N=4)로 구분할 수 있도록 셀 상태를 조절합니다.
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‘1’로만 구성된 Erase 상태(Q0)를 제외하고 셀 상태를 구분할 때에는 주입하는 전자 량을 세분화하여 조절하는 방법을 사용하는데요. 위 그림을 예로 들어 설명하겠습니다.
SLC는 200~1000개(Q1)의 전자 주입으로 구현 가능합니다. MLC는 전자 주입량을 3 영역으로 세분화하여 200~400개(Q1), 500~700개(Q2), 800~1000개(Q3)로 분리 조절하면 전자 주입이 없는 Q0 포함하여 4 상태로 구분하여 구현합니다. TLC는 전자 주입량을 더 작은 단위 세분화로 8상태, QLC는 전자 주입량을 더 더 작은 단위 세분화로 16상태를 구현합니다.
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세분화된 주입 전자량들은 셀의 VT(동작을 시작하는 전압, VT) 차이를 유발하며, 각 셀의 상태 별로 VT 분포를 형성합니다. 각각의 셀 상태는 허용된 전자 주입량 범위 내에서만 분할할 수 있습니다. SLC에서 QLC 향으로 셀 VT 분포를 좁게 형성합니다. Read는 2개의 VT 분포 사이에서 셀의 위치를 판별하여 데이터(data)를 도출하는 동작으로 SLC는 1회, MLC는 3회, TLC는 7회, QLC는 15회 진행이 필요합니다. 판별해야 할 셀 VT 분포와 Read 전압 간 간격이 좁아져서 정교한 동작이 필요합니다.
어떤 메모리 타입을 선택해야 할까?
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물리적 셀 집적도(density)는 동일하지만, 동작 조건만으로 SLC에서 QLC로 정보 저장 비트 수가 증가하면서 각각 가격과 성능의 차이가 발생합니다. 동일한 정보 저장 용량에서 물리적 집적도가 감소하면 생산 원가가 감소되어 SLC → MLC → TLC → QLC 순으로 가격이 하락합니다. 동작 횟수가 증가하고 Read 전압과 VT 분포간 간격이 좁은 SLC → MLC → TLC → QLC 순으로 Write time, Read time, 신뢰성과 같은 성능과 품질도 하락됩니다.
그래서 사용자가 저렴한 가격을 원하면 QLC, 고성능을 추구하면 SLC, 가격과 성능의 적절한 조합이 필요하면 TLC 또는 MLC를 적용한 제품을 선택할 수 있습니다. 향후 SLC는 커넥티드 카(Connected Car), 인공위성 등과 같은 고성능&고사양 제품에 적용될 것입니다. 반면, QLC는 고성능을 요하지 않는 USB 메모리와 사용빈도가 높지 않고 다른 저장 장치(ex. HDD)에 비해 성능 대비 구매/유지 비용이 저렴한 분야(ex. Server) 등에 적용될 것으로 보입니다.
이번 편에서는 낸드플래시 메모리의 저장 방식에 대해 알아보았습니다. 그동안 자주 접했지만 알쏭달쏭 헷갈렸던 SLC, MLC, TLC, QLC! 이제는 척척 구분할 수 있겠죠? <궁금한 반도체 WHY> 시리즈는 반도체 관련 주제에 대한 여러분의 궁금증이 해소되는 그날까지 함께 합니다. 5탄도 많이 기대해주세요~!
