우리 #반모 할래? 2탄, 낸드플래시의 종류

어려운 반도체 정보도 알기 쉽게 설명해주는 반도체 모임, #반모 입니다. 지난번 ‘우리 #반모 할래? 1탄, HDD와 SSD의 차이점’에 이어 이번에는 비휘발성 메모리 ‘낸드플래시(NAND Flash Memory)’에 대해 알아보려고 하는데요.

낸드플래시는 SSD(Solid State Drive)의 핵심 역할인 저장을 담당하고 있어, 지난번 내용의 연장선상에서 이해하면 좋습니다. 그럼 지금부터 낸드플래시의 종류와 특성을 비유를 통해 쉽게 알아볼까요?

데이터가 살고 있는 방, 셀(Cell)

낸드플래시의 종류와 특성을 쉽게 이해하기 위해서는 먼저 우리가 저장하는 데이터와 그 데이터가 저장되는 공간인 셀(Cell)에 대한 이해가 필요합니다. 데이터는 ‘사람’, 셀은 ‘반도체 속 작은 방’이라고 생각하면 쉬운데요. 이 경우 데이터를 저장했다는 것을 셀이라는 작은 방에 데이터라는 사람이 입주하게 된 것으로 볼 수 있습니다.

그렇다면 저장된 데이터를 읽어내는 과정은 어떻게 이해하면 될까요? 이는 반도체 속 작은 방에 거주하고 있는 사람이 몇 명인지 파악하는 작업으로 생각하면 됩니다. 작은 방안에 거주하는 사람이 많을수록 인원수를 파악하는 데 시간이 오래 걸리는 것처럼, 셀 안에 저장되어 있는 데이터의 양이 많으면 많을수록 데이터를 읽는 속도는 느려 질 수밖에 없겠죠.

비유로 쉽게 이해해보는 낸드플래시의 종류

이제 낸드플래시의 종류에 대해 알아보겠습니다. 낸드플래시는 데이터를 저장하는 방식에 따라 SLC(Single Level Cell), MLC(Multi Level Cell), TLC(Triple Level cell), 그리고 QLC(Quadruple Level Cell) 4가지 종류로 나뉘는데요.

먼저, SLC(Single Level Cell)는 ‘싱글’이라는 이름처럼 하나의 데이터가 ‘1’ 또는 ‘0’의 형태로 하나의 셀에 저장되는 방식입니다. 원룸을 혼자 사용하는 개념이기 때문에 월세 즉, 가격은 비싸지만 사람의 거주 유무를 파악하는 데이터 처리 속도는 가장 빠릅니다.

MLC(Multi Level Cell)은 혼자 살던 원룸에 칸막이를 쳐, 두 명의 사람이 거주하는 형태인데요. 하나의 셀에 ‘00,01,10,11’ 등의 형태로 2개의 데이터가 저장되며, 하나의 방을 쪼갠 만큼 SLC보다는 저렴하지만 데이터 처리 속도는 SLC 대비 느린 편입니다.

TLC(Triple Level Cell)은 한 셀에 세 개의 데이터가, QLC(Quadruple Level Cell)는 한 셀에 네 개의 데이터가 저장되는데요. TLC와 QLC는 많은 양의 데이터를 저장할 수 있지만 한 방에 저장돼 있는 데이터가 많은 만큼 데이터 처리 속도가 SLC, MLC보다 상대적으로 느립니다.

그렇다면 여기서 질문! 속도가 가장 빠른 SLC가 최고 성능을 가진 낸드플래시라고 할 수 있을까요? 결론부터 말씀드리면, 그렇지 않습니다. 사용자에 따라 SSD 사용 목적이 다르기 때문입니다. SLC는 빠르지만 데이터를 한 셀에 한 개씩 저장하는 만큼 대용량화 하기에는 어렵고, 비싸다는 단점이 있습니다. 반면 QLC는 한 개의 데이터를 저장하던 셀을 4등분한 것이기 때문에 이론상 SLC보다는 4배 저렴하다고 볼 수 있죠.

따라서 아주 고성능의 SSD를 원한다면 SLC와 MLC의 낸드플래시가 탑재된 SSD를, 많은 용량의 데이터가 저장 가능하지만 경제적인 SSD를 원한다면 TLC나 QLC의 낸드플래시가 탑재된 것을 선택하는 것이 좋습니다.

간섭 현상을 줄이기 위한 고층 아파트 솔루션, V-낸드

지난 2013년, 삼성전자는 새로운 종류의 낸드플래시 양산을 시작했습니다. 바로 ‘3차원 V낸드’인데요. V낸드는 무엇이며 왜 필요했던 것일까요? 3차원 V낸드의 개념 역시 데이터를 ‘사람’, 셀을 데이터가 거주하고 있는 ‘집(원룸)’으로 생각하면 쉽습니다.

인구 밀도를 늘리기 위해 한정된 땅에 좁은 간격으로 집을 짓게 되면 소음 등의 문제가 발생하기 마련인데요. 평면구조인 낸드플래시 역시 성능과 용량을 높이기 위해 셀의 크기는 작게, 간격은 좁게 만들다 보니 데이터 간 간섭 현상이 심해졌습니다. 다른 집에서 에어컨을 틀면 우리집은 에어컨이 꺼지기도 하고, 옆집에서 TV 채널을 돌릴 때 우리집 TV 채널도 변하는 것처럼 말이죠.

삼성전자는 이러한 간섭을 줄이기 위해 단층으로 밀집해 있던 셀들을 고층 아파트처럼 수직으로 쌓아 올리는 방법을 고안했는데요. 이것이 바로 세계 최초의 3차원 셀 구조인 ‘V낸드’입니다. 삼성전자의 V낸드는 2013년 1세대 24단을 시작으로, 2019년 6세대 1xx단까지 쌓아 올렸습니다.

고층일수록 많은 사람이 살 수 있지만 일반 엘리베이터로 꼭대기까지 올라가기에는 시간이 오래 걸린다는 단점도 발생하는데요. V낸드 역시 초기에는 층수가 높을수록 데이터를 읽는 속도가 느려 질 수 있다는 문제가 있었습니다. 이에 삼성전자는 수직으로 쌓아 올린 층에 고속 엘리베이터 역할을 하는 ‘채널 홀’이라는 통로를 균일하게 뚫었고, 낸드플래시의 용량은 물론 속도까지 해결하는 결과를 이뤄냈습니다.

지금까지 낸드플래시의 종류에 대해 알아봤는데요. 데이터는 ‘사람’, 셀은 ‘데이터가 사는 집(원룸)’이라는 비유만 기억하고 있다면 어렵지 않겠죠? 다음 번 #반모(반도체 모임)에서는 어떤 반도체 개념이 기다리고 있을지 기대해주세요!