비휘발성 메모리
비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM)는 전원이 차단되어도 저장된 데이터를 유지하는 메모리이다. 전원이 꺼지면 내용이 사라지는 휘발성 메모리와 달리, 전원 공급이 중단된 후에도 데이터가 보존되므로 저장장치, 펌웨어, 임베디드 시스템, 모바일 기기, 서버 스토리지 등에 널리 사용된다.
비휘발성 메모리는 전원이 없는 상태에서도 데이터를 유지할 수 있는 기억장치이다. 컴퓨터 시스템에서 프로그램, 운영체제, 설정값, 펌웨어, 사용자 데이터 등을 장기간 보관하는 데 사용된다.
대표적인 비휘발성 메모리에는 ROM, 플래시 메모리, EEPROM, SSD, NAND 플래시, NOR 플래시 등이 있다. 넓은 의미에서는 하드 디스크 드라이브나 광디스크 같은 보조기억장치도 비휘발성 저장매체에 포함될 수 있지만, 일반적으로 메모리 기술을 설명할 때는 반도체 기반 저장매체를 중심으로 다룬다.
비휘발성 메모리는 휘발성 메모리와 대비되는 개념이다.
| 구분 | 비휘발성 메모리 | 휘발성 메모리 |
|---|---|---|
| 전원 차단 시 데이터 | 유지됨 | 사라짐 |
| 대표 예 | ROM, 플래시 메모리, SSD | RAM, DRAM, SRAM |
| 주요 용도 | 장기 저장, 펌웨어 저장, 보조기억장치 | 실행 중인 프로그램과 데이터 임시 저장 |
| 속도 | 일반적으로 RAM보다 느림 | 일반적으로 빠름 |
| 비용 | 종류에 따라 다름 | 고속 메모리는 상대적으로 비쌈 |
예를 들어 컴퓨터의 RAM은 전원을 끄면 내용이 사라지지만, SSD나 플래시 메모리에 저장된 파일은 전원이 꺼져도 유지된다.
ROM(Read Only Memory)은 읽기 전용 메모리라는 의미를 가진 비휘발성 메모리이다. 초기에는 제조 단계에서 내용이 고정되는 방식이었으며, 시스템의 기본 동작에 필요한 프로그램을 저장하는 데 사용되었다.
대표적인 용도는 다음과 같다.
- 부팅 펌웨어 저장
- 임베디드 시스템 프로그램 저장
- 장치 제어 코드 저장
PROM(Programmable ROM)은 사용자가 한 번만 기록할 수 있는 ROM이다. 한 번 기록하면 일반적으로 내용을 다시 변경할 수 없다.
EPROM(Erasable Programmable ROM)은 자외선을 이용해 내용을 지운 뒤 다시 기록할 수 있는 ROM이다. 과거 펌웨어 개발과 실험용 장치에서 사용되었다.
EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)은 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 메모리이다.
주로 다음과 같은 용도로 사용된다.
- 장치 설정값 저장
- 펌웨어 일부 저장
- 소량의 비휘발성 데이터 저장
플래시 메모리는 EEPROM의 한 종류로, 블록 단위로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 메모리이다. 현재 가장 널리 사용되는 비휘발성 반도체 메모리이다.
대표적인 활용 예는 다음과 같다.
- SSD
- USB 메모리
- 메모리 카드
- 스마트폰 저장장치
- 디지털카메라 저장장치
- 임베디드 장치 저장장치
NAND 플래시는 대용량 저장에 적합한 플래시 메모리 구조이다.
특징은 다음과 같다.
- 높은 집적도
- 대용량 저장에 유리
- 블록 단위 삭제
- SSD와 USB 메모리에 널리 사용
- 순차 읽기·쓰기와 대용량 저장에 적합
NOR 플래시는 임의 접근과 코드 실행에 유리한 플래시 메모리 구조이다.
특징은 다음과 같다.
- 빠른 임의 읽기
- 코드 직접 실행에 적합
- NAND 플래시보다 용량 대비 비용이 높음
- 펌웨어 저장에 사용
NVRAM(Non-Volatile RAM)은 전원이 꺼져도 데이터를 유지하는 RAM 계열 메모리를 의미한다.
전통적으로는 배터리 백업 SRAM 등을 가리키기도 했고, 최근에는 MRAM, FRAM, PCM 같은 차세대 비휘발성 메모리까지 포함하여 사용되기도 한다.
MRAM(Magnetoresistive RAM)은 자기 저항 특성을 이용하는 비휘발성 메모리이다.
특징은 다음과 같다.
- 비휘발성
- 빠른 접근 속도
- 높은 내구성
- 임베디드 메모리 분야에서 활용 가능
FRAM(Ferroelectric RAM)은 강유전체 특성을 이용하는 비휘발성 메모리이다.
특징은 다음과 같다.
- 낮은 전력 소모
- 빠른 쓰기 속도
- 높은 쓰기 내구성
- 스마트카드, 센서, 임베디드 장치 등에 활용
상변화 메모리(PCM, Phase Change Memory)는 물질의 상변화 특성을 이용하여 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리이다.
상태 변화에 따라 전기적 저항이 달라지는 특성을 이용한다.
3D XPoint는 인텔과 마이크론이 개발한 비휘발성 메모리 기술이다. 옵테인 메모리와 Optane SSD 제품군의 기반 기술로 사용되었다.
DRAM과 NAND 플래시 사이의 성능·용량 계층을 목표로 했으나, Optane 제품군은 이후 단종되었다.
플래시 메모리는 데이터를 셀(Cell)에 저장한다. 하나의 셀이 저장하는 비트 수에 따라 다음과 같이 구분된다.
| 구분 | 저장 비트 수 | 특징 |
|---|---|---|
| SLC | 1비트 | 속도와 내구성이 우수하지만 가격이 높음 |
| MLC | 2비트 | SLC보다 용량 효율이 높지만 내구성은 낮음 |
| TLC | 3비트 | 소비자용 SSD에서 널리 사용 |
| QLC | 4비트 | 대용량과 저비용에 유리하지만 내구성과 성능이 낮아질 수 있음 |
셀당 저장 비트 수가 늘어날수록 용량 효율은 좋아지지만, 일반적으로 속도와 내구성은 낮아진다.
비휘발성 메모리는 종류에 따라 동작 방식이 다르지만, 플래시 메모리를 기준으로 다음과 같은 특성이 중요하다.
저장된 셀의 전기적 상태를 확인하여 데이터를 읽는다.
셀에 전하를 주입하거나 제거하여 데이터를 기록한다.
플래시 메모리는 일반적으로 바이트 단위가 아니라 블록 단위로 삭제된다. 이 때문에 쓰기와 삭제 과정에서 성능 저하와 수명 문제가 발생할 수 있다.
플래시 메모리는 쓰기와 삭제 횟수에 제한이 있다. 반복적인 기록으로 셀이 마모되면 오류가 증가할 수 있다.
이를 완화하기 위해 웨어 레벨링과 오류 정정 기술이 사용된다.
비휘발성 메모리의 장점은 다음과 같다.
- 전원이 꺼져도 데이터 유지
- 기계적 구동부가 없는 반도체 기반 구현 가능
- HDD보다 충격에 강한 저장장치 구현 가능
- 소형화에 유리
- 모바일 기기와 임베디드 시스템에 적합
- 빠른 임의 접근 가능
비휘발성 메모리의 단점은 다음과 같다.
- DRAM보다 속도가 느린 경우가 많음
- 쓰기 횟수 제한이 존재할 수 있음
- 고속·고내구성 제품은 비용이 높음
- 플래시 메모리는 삭제 단위와 쓰기 단위 차이로 관리가 복잡함
- 장기간 보관 시 데이터 보존 기간을 고려해야 함
비휘발성 메모리는 다양한 분야에서 활용된다.
- SSD
- USB 메모리
- 메모리 카드
- 스마트폰 저장장치
- 태블릿 저장장치
- 디지털카메라 저장매체
- 임베디드 시스템
- IoT 장치
- 펌웨어 저장
- BIOS 또는 UEFI 저장
- 차량용 전자장치
- 산업용 제어장치
SSD는 NAND 플래시 메모리를 기반으로 하는 대표적인 비휘발성 저장장치이다.
SSD는 다음과 같은 구성 요소를 포함한다.
- NAND 플래시 메모리
- 컨트롤러
- DRAM 캐시 또는 SLC 캐시
- 펌웨어
- 오류 정정 코드
- 웨어 레벨링 기능
SSD는 HDD보다 빠른 임의 접근 성능과 낮은 지연 시간을 제공하지만, 내부적으로는 플래시 메모리의 쓰기·삭제 특성을 관리해야 한다.
비휘발성 메모리는 메모리 계층 구조에서 주기억장치와 보조기억장치 사이 또는 보조기억장치 영역에 위치한다.
| 계층 | 대표 장치 | 휘발성 여부 |
|---|---|---|
| 레지스터 | CPU 레지스터 | 휘발성 |
| 캐시 메모리 | L1, L2, L3 캐시 | 휘발성 |
| 주기억장치 | DRAM | 휘발성 |
| 고속 비휘발성 메모리 | Optane, MRAM, PCM 등 | 비휘발성 |
| 보조기억장치 | SSD, HDD | 비휘발성 |
휘발성 메모리와 비휘발성 메모리는 서로 대체 관계라기보다는 역할이 다르다.
- 휘발성 메모리
- 실행 중인 프로그램과 데이터를 빠르게 처리하기 위한 작업 공간
- 비휘발성 메모리
- 프로그램, 파일, 설정값, 펌웨어를 장기간 저장하기 위한 공간
예를 들어 운영체제는 SSD에 저장되어 있다가 부팅 시 RAM으로 적재되어 실행된다.
웨어 레벨링은 플래시 메모리의 특정 영역에 쓰기와 삭제가 집중되지 않도록 분산하는 기술이다.
이를 통해 저장장치의 수명을 연장할 수 있다.
오류 정정 코드(ECC, Error Correction Code)는 메모리에 저장된 데이터의 오류를 검출하고 수정하기 위한 기술이다.
플래시 메모리는 사용 시간이 늘어나면 오류 가능성이 증가하므로 ECC가 중요하다.
TRIM은 운영체제가 SSD에 더 이상 사용하지 않는 데이터 블록을 알려주는 명령이다.
SSD는 TRIM 정보를 활용하여 쓰기 성능과 수명 관리를 개선할 수 있다.
가비지 컬렉션은 SSD 내부에서 더 이상 유효하지 않은 데이터를 정리하고, 쓰기 가능한 블록을 확보하는 과정이다.
자격시험에서는 비휘발성 메모리를 다음 관점에서 이해하는 것이 좋다.
- 전원 차단 후 데이터 유지 여부
- 휘발성 메모리와의 차이
- ROM, EEPROM, 플래시 메모리의 차이
- NAND 플래시와 NOR 플래시의 차이
- SSD와 플래시 메모리의 관계
- 메모리 계층 구조에서의 위치
- 쓰기 횟수 제한과 웨어 레벨링
- RAM과 저장장치의 역할 구분
- 비휘발성 메모리는 전원이 꺼져도 데이터를 유지한다.
- ROM, EEPROM, 플래시 메모리는 대표적인 비휘발성 메모리이다.
- RAM은 일반적으로 휘발성 메모리이다.
- 플래시 메모리는 EEPROM의 한 종류로, 블록 단위 삭제가 가능하다.
- NAND 플래시는 대용량 저장에 적합하고, SSD와 USB 메모리에 널리 사용된다.
- NOR 플래시는 빠른 임의 읽기와 코드 실행에 유리하다.
- SSD는 주로 NAND 플래시 기반의 비휘발성 저장장치이다.
- 플래시 메모리는 쓰기·삭제 횟수에 제한이 있으므로 웨어 레벨링이 중요하다.
- 비휘발성 메모리는 저장장치와 펌웨어 저장에 널리 사용된다.
- Optane Memory는 3D XPoint 기반 비휘발성 메모리 기술을 활용한 제품군이다.
