NAND Flash

NAND 셀의 동작 원리

NAND는 동작 원리만 보면 ‘비휘발성 트랜지스터’다.

일반 MOSFET 위에 추가로 ‘플로팅 게이트(floating gate)’ 또는 ‘차지 트랩(charge trap) 층’이 끼워져 있다.

이 층은 절연막으로 둘러싸여 있어 평소에는 전자가 들어가지도 나가지도 못한다.

다만 매우 높은 전압을 걸어주면 ‘파울러–노드하임 터널링’ 또는 핫 캐리어 주입을 통해 전자가 절연막을 뚫고 들어가거나 빠져나간다.

이 전자의 유무에 따라 셀 트랜지스터의 문턱 전압이 변하고, 그 차이를 읽어 ‘0’과 ‘1’을 구분한다.

전원이 꺼져도 절연막 안에 갇힌 전자는 그대로 남기 때문에 비휘발성이다.

NAND 플래시 셀 스트링의 기본 연결 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

NAND vs NOR 차이

NAND라는 이름은 셀들이 직렬로 연결된 모양에서 왔다.

비트라인부터 소스라인까지 32~64개(또는 그 이상) 셀이 한 줄로 이어져 ‘스트링’을 이룬다.

한 셀을 읽으려면 해당 셀만 정상 동작 시키고 나머지는 모두 ‘pass’ 상태로 켜 둔다.

이 구조는 셀 하나당 콘택트와 비트라인 분기가 거의 필요 없어 면적을 극단적으로 줄일 수 있다.

반면 NOR는 셀이 비트라인에 병렬로 매달려 있어 임의의 셀에 빠르게 접근할 수 있지만 면적이 크다.

그래서 NOR는 코드 저장(BIOS, 자동차 ECU)에, NAND는 대용량 데이터 저장(SSD, 스마트폰)에 사용된다.

2D NAND에서 3D V-NAND로

평면(2D) NAND는 셀을 평면에 빽빽하게 깔다가 10nm대에서 한계에 부딪쳤다.

셀 간 간섭(셀 한 곳에 쓴 전자가 옆 셀의 문턱 전압을 흔드는 현상), 적은 전자 수에 따른 통계적 변동, 충분한 신뢰성 확보 어려움이 한꺼번에 터졌다.

해결책은 ‘위로 쌓는 것’이었다. 2013년 삼성전자의 V-NAND를 시작으로, 평면을 미세화하는 대신 셀을 수직으로 적층하는 3D NAND가 표준이 됐다.

단의 수는 24단, 32단, 64단, 96단, 128단, 176단, 232단, 그리고 300단대까지 빠르게 올라왔다.

이 적층의 핵심은 ‘한 번에 깊은 채널 홀을 뚫고 그 안에 절연막·차지 트랩·게이트를 차곡차곡 쌓는’ 공정이다.

종횡비가 50:1을 넘는 깊은 홀을 균일하게 식각·증착하기 위해 고에너지 식각 장비, ALD, 신소재 채널 폴리실리콘 기술이 필수다.

SLC/MLC/TLC/QLC – 셀당 비트 수

셀당 비트 수는 비트 단가를 결정하는 또 하나의 축이다.

SLC(Single Level Cell)는 셀당 1비트, MLC는 2비트, TLC는 3비트, QLC는 4비트, 연구 중인 PLC는 5비트다.

비트 수가 늘면 셀 하나에 구분해야 하는 문턱 전압 ‘레벨’이 2의 거듭제곱으로 늘어난다.

QLC는 16개 레벨을 정확히 구별해야 한다.

그래서 비트 단가는 떨어지지만 P/E 사이클(쓰기 가능한 횟수)은 SLC 대비 수십 배 짧고, 동작 마진도 좁다.

데이터 센터용 고성능 SSD는 TLC가 표준이고, 대용량·읽기 위주 응용에는 QLC가 들어간다.

컨트롤러와 펌웨어의 역할

소비자 입장에서 NAND의 체감 성능은 컨트롤러와 펌웨어에 크게 좌우된다.

NAND는 셀 단위 읽기는 빠르지만 ‘페이지 단위 쓰기 + 블록 단위 삭제’라는 비대칭 구조를 가진다.

마모 평준화(wear leveling), 가비지 컬렉션, 미세한 ECC(LDPC 등), DRAM 캐시 관리, 다중 채널 인터리빙이 모두 펌웨어의 영역이다.

같은 NAND 다이를 써도 컨트롤러가 다르면 SSD 성능과 수명이 크게 달라진다.

삼성전자는 자체 컨트롤러, SK하이닉스는 솔리다임과 자체 컨트롤러, 마이크론·키옥시아·웨스턴디지털도 자체·외주 컨트롤러를 사용한다.

SSD/UFS/eMMC 응용

응용은 SSD, UFS(모바일), eMMC, 그리고 임베디드 저장 장치까지 다양하다.

AI 시대에는 학습 데이터·모델 체크포인트의 폭증으로 SSD 수요가 급격히 늘었고, 데이터센터용 고용량 SSD(60TB, 120TB)가 본격 출시되고 있다.

동시에 ‘메모리 계층 구조’에서 D램과 SSD 사이의 격차를 메우려는 시도(CXL, 프로세스 인 메모리 등)도 활발하다.

산업 구조와 경쟁 구도

산업 구조는 D램만큼 집중돼 있지는 않다.

삼성전자, SK하이닉스(솔리다임 포함), 마이크론, 키옥시아, 웨스턴디지털, 양쯔메모리(YMTC) 등이 경쟁한다.

한국과 일본·미국·중국이 모두 일정 점유율을 가지며, 미국의 대중 수출 통제로 YMTC의 첨단 장비 도입이 제한되는 등 지정학적 변수도 크다.

가격 사이클이 D램보다 더 출렁이는 경향이 있고, 적층 단수 경쟁이 매년 격화되고 있다.