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어린 전자의 일기: NAND FLASH 메모리 동작원리

 

SK Careers Editors 배지훈

 

 

2015년 12월 OO일 맑음
내 이름은 어린 전자. 내가 사는 곳은 B-612 라고 불리는 어떤 컴퓨터 안의 작은 기판 위이다. 나는 거기서 아빠와 엄마와 예쁜 장미와 함께 살고 있다. 작고, 낡은 집이지만 우리가족은 행복했다. 오늘 나는 CPU 도시에 있는 초등학교에서 숙제를 받아왔다. '아빠가 하는 일 알아오기' 한 번도 아빠가 하는 일에 대해 궁금했던 적이 없다. 아빠는 아침 일찍 전원이 들어오면 출근하셨다가, 전원이 꺼지는 깜깜한 저녁에 들어오시곤 했다. 예전 아빠는 나에게 슈퍼맨 같은 존재였지만, 나이가 먹을수록 알 수 없는 거리감이 생기고 있었다. 아마 아빠의 일 때문에 자주 못 보게 되어 그렇게 되지 않았을까 생각했다. 깊은 밤 나는 자지 않고, 아빠를 기다렸다.
 
‘끼익-‘ 이윽고 문 여는 소리가 들리고 아빠가 들어왔다. 아빠는 씻고, 아무 말 없이 숨죽이며 이불 속으로 들어왔다. 나는 아빠 옆에서 조용히 말했다. “아빠~” 아빠는 깜짝 놀란 듯 몸을 돌이키며 나를 쳐다봤다. “어 전자야 안자고 있었니? 얼른 자야지” 이에 나는 대답했다. “곧 자려고요. 아빠, 내일 아빠회사 구경가도 돼요?” 아빠는 잠시 생각하더니, 대답했다. “응, 물론이지 내일 아빠가 회사 구경시켜줄게.” 그 말에 나는 조용히 응답하고 깊은 잠 속으로 빨려 들어갔다.


다음날 아침, 전원이 들어오고 아빠는 분주히 출근 준비를 했다. 나도 아빠를 따라 졸린 눈을 비비며 아빠를 따라 나섰다. 아빠는 버스를 타고, 메인보드에서 USB 포트를 따라 NAND FLASH 메모리 공장으로 출근했다. 내 발 밑으로 작아진 메인보드도시와 하드디스크 도시가 눈에 들어왔다. 도시는 굉음을 내며, 분주히 움직이고 있었다. 그리고 나는 아빠의 공장인 NAND FLASH 메모리 공장에 도착했다. NAND FLASH 메모리 공장은 생각보다 조용했고, 각 Cell마다 칸막이가 세워져 있고, 칸막이 안에는 전자가 하나씩 맡은 일을 하고 있었다. 그런 수만 혹은 수십만 Cell로 이루어진 공장의 모습은 그야말로 장관이었다. 나는 아빠를 따라갔다. “아빠, 아빠가 일하는 NAND FLASH 메모리 공장은 무얼 하는 곳인가요?” 아빠는 나를 내려다보며 말했다. “음.. 한마디로 말하면 데이터를 저장하는 저장소라고 할 수 있어. 카메라나 핸드폰에 들어가는 메모리 카드로 쓰이기도 하고, USB나, SSD하드디스크에 쓰이기도 하지.”
 


<플래시 메모리와 SD카드(좌), 플래시 메모리 확대 모습(중), 초창기 SD카드(우)>

“그럼 아빠는 이 회사 어디에서 일하는 건가요?”
“먼저 조직도를 보여줄게.”


 


“아빠회사 NAND FLASH 메모리 회사는 수많은 부서로 이루어져 있어. 먼저 NAND FLASH 메모리 하나의 칩에는 여러 개의 블록이 있어. 그리고 그 블록에는 수많은 셀들이 있고, 그 셀 안에는 수많은 트랜지스터 들이 있지. 그리고 아빠는 그 트랜지스터 안에서 일을 한단다.”

“그럼 아빠 트랜지스터 안에서 어떤 일을 하세요?”
 

 


“음.. 일단 그 답변은 꽤나 복잡한 물리적인 지식과 반도체 이론이 필요하구나. 간단히 설명하면 아빠는 셀(Cell) 안에 있는 트랜지스터에서 전자를 넣거나 빼거나 하면서 데이터를 읽고, 쓰고, 지우는 과정을 제어한단다.”

“우와 어떻게요??”
“일단 간단하게 비트라인(BIT LINE, 보라색 선)과 워드라인(WORD LINE, 초록색 선)에 대해 설명하면, 워드라인은 간단하게 이야기하면 데이터를 읽고 쓰기 위해 일종의 켜고 끄는 스위치 역할을 하는 라인이고, 비트라인은 실제로 데이터를 읽고 쓰는 작업에 사용되는 라인이란다. 모든 디지털 데이터는 010101 이런 식으로 이진수로 저장되는 것 알고 있지? 이러한 0101 데이터를 각각의 셀에 저장해 놓고, 그것을 읽어오고, 쓰고, 삭제하는 것을 이 비트라인과 워드라인을 제어함으로써 한단다.”

“오 그러면 데이터를 셀(Cell)에 어떻게 저장하고, 읽고, 삭제하는 거예요?”
“허허허 그 부분이 어려운데, 일단은 그림을 통해 설명해줄게.”
 

 

<Floating-gate Transistor의 구조>

“기본적으로 아빠가 일하는 트랜지스터의 모습은 저런 식으로 생겼어. 실제 눈으로 보는 모습은 다소 차이가 있지만, 우리 업계(반도체공학)에서는 트랜지스터의 단면을 저렇게 표현하곤 하지. 플래시 메모리에서 데이터를 저장하고, 지우는 것은 플로팅 게이트에 전자를 채우고 비우는 방식을 통해 이루어진단다. ”


 

<플래시메모리 쓰기 과정 그림>


“초기 상태에는 절연체인 산화막(SiO2)에 의해 닫힌 상태야. 그런데 컨트롤게이트에 높은 전압이 인가되면 위 그림처럼 산화막을 뚫고 전자가 플로팅 게이트로 이동해. 이것을 ‘터널주입’ 이라고 하는데, 인가한 전압에 따라 일정량에 전자가 채워지고, 이후에는 전압이 인가되지 않아도 전자가 플로팅 게이트 내부에 갇혀있는 상태가 되지. 이 플로팅 게이트에 갇힌 전자는 특별한 제어를 하지 않는 한 5년에서 10년 정도 계속 있을 수 있어. 이것이 바로 플래시 메모리의 “쓰기(저장하기)” 과정이야”
 

<플래시메모리 삭제 과정 그림>


“반대로 P채널 기반에 큰 전압을 인가하면, 역으로 플로팅 게이트에 있던 전자가 산화막을 뚫고 빠져나와. 이것을 ‘터널 릴리즈’ 라고 해. 이것이 플래시 메모리의 데이터 삭제 과정이야. 아 그리고 낸드 플래시 메모리는 기본적으로 덮어쓰기가 안되므로, 반드시 삭제 한 뒤에 데이터를 새로 써야 해.”

 

“데이터를 읽을 때는 셀(Cell)안에 그 데이터가 있는지(1) 없는지(0) 확인해보면 돼. 자 그러면 있는지 없는지 어떻게 확인을 할까?”
 

 


<플래시메모리 읽기 과정 그림>


“아까 플래시 메모리 쓰기과정에서 컨트롤 게이트에 강한 전압을 인가하면, 전자가 플로팅 게이트로 끌려온다고 했지? 그런데 이번에는 아주 약한 전압을 플로팅 게이트에 인가할 거야. 그러면 게이트를 중심으로 전기장이 생겨. 바로 이 전기장을 이용해서 플로팅 게이트에 전자가 있는지 없는지 확인할 수 있어. 아빠가 일하는 트랜지스터 부서의 드레인팀과 소스팀에게 전압을 연결해서 그 사이에 전자가 이동하게끔 해놔. 그러면 소스로부터 드레인으로 전자가 이동하지. 그런데 위에 컨트롤 게이트에서 아주 약한 전압을 인가해서 전기장이 생긴다고 했지? 


만약 플로팅 게이트의 전자가 채워져 있을 때는, 전자가 이 전기장에 간섭을 일으켜서 전기장이 P채널 기판까지 못 오게 해. 이후 P채널 기판을 구성하고 있는 정공(+)들이 위로 올라와서 드레인과 소스에 의해 이동하는 전자를 방해해. 반대로, 플로팅 게이트에 전자가 텅텅 비어 있을 시에는, 전기장이 충분히 P채널까지 도달해서 정공들이 밑으로 밀려나게 되지. 그러면 드레인과 소스에 의해 이동하는 전자들은 더 자유롭고 빠르게 이동하게 되는 거야. 즉, 플로팅 게이트에 전자가 있냐 없냐에 따라서 전류값의 차이가 발생하고 이것을 측정해서 ‘아 플로팅 게이트에 전자가 있구나! 없구나!’ 를 알게 되고 말이야. 그것을 앎으로써 ‘여기에 데이터가 있다! (1), 없다 (0)’ 읽기 기능을 수행하게 되는 거지.”


“아빠 너무 어려워요.”
“하하 그렇겠지. 이러한 원리는 반도체공학이나 물리에 대해 충분히 이해가 되어야만 잘 알 수 있으니까. 음 그러면 쉽게 얘기하면,

 

(1)플로팅 게이트에 전자를 채워 넣으면 쓰기(저장) 작업
(2)플로팅 게이트에 전자를 다 빼버리면(삭제) 작업
(3)플로팅 게이트에 채워진 전자가 있는지 없는지 측정하면 읽기 작업


이렇게 요약할 수 있을 것 같구나. 수많은 셀들이 각기 데이터를 0,1 로 저장하고, 읽고, 지우면서 플래시 메모리에 다양한 자료, 이미지 같은 파일 들을 쓸 수 있게 되는 거란다.”

 

아빠의 설명을 듣고도, 아빠 회사가 어떻게 동작하는지 잘 이해가 안 갔지만 어렴풋하게 알 것 같은 느낌도 들었다. 아빠는 내게 설명을 마치고, 곧바로 자리로 이동해 상관의 명령(Order)에 따라 전자를 채우고, 빼고, 있는지 확인하는 작업을 했다. 나는 아빠 곁에서 아빠가 하는 일을 구경하기도 하고, 다른 부서를 기웃거리며 바쁘게 돌아가는 공장을 이해하기 위해 노력했다. 이러한 노력으로 조금은 아빠와 더 가까워 졌을까. 집에 오는 길에 아빠와 맛있는 P-type 국수 한 그릇을 먹었다. 도시의 전원은 하나 둘씩 꺼지고 있었다. 아빠의 목에 목마를 타고 도시 사이를 지나갔다. 아빠를 내려다보니, 눈에 흰머리가 들어왔다. 내가 아빠와 서먹하게 된 것은, 아마 그만큼 아빠가 열심히 가족을 위해 열심히 일했기 때문이 아니었을까 생각한다. 차가워진 공기를 한 모금 머금으며 다짐한다. ‘잊지 말자. 나는 부모님의 자부심이다.’ 앞으로 더 열심히 노력해야겠다고 생각한다. 

 

-일기 끝!-

 


 

 

 

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Posted by SK Careers Journal skcareers

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  1. Kainyevich 2016.10.16 21:13 신고 Address Modify/Delete Reply

    히익 감사합니닷

  2. ㅎㅎ 2016.11.02 17:15 신고 Address Modify/Delete Reply

    P-type 국수에서 피식했습니다.

    잘 보았습니다.

  3. COOLBREEZE 2016.11.08 18:51 신고 Address Modify/Delete Reply

    어려운 내용을 쉽고 재미있게 설명해주셨네요. 감사합니다!

  4. 하이닉스입사자 2017.10.17 18:50 신고 Address Modify/Delete Reply

    bit line과 word line의 설명이 반대로 되어 있는것 같네요