[반도체-이론편] 1-1 반도체 입문

 

반도체란

반도체란?

• 반도체란 도체와 절연체 사이의 전기 전도성을 가지는 물질을 말한다. 
• 반도체는 순수한 상태에서는 전기가 잘 흐르지 않지만, 특정한 처리를 하면 전기전도도가 상승하여 전류가 잘 흐른다.
  => 사람의 의도에 따라 전류의 흐름을 제어하기에 적합하다.
• 반도체 제품에 요구되는 항목은 다음과 같다.
  • 고속 동작을 위한 소형화/미세화
  • 저렴한 가격으로 제공하기 위한 집적화
  • 낮은 에너지 소비를 위한 고효율, 저전력 동작

 

집적회로(IC)

• TR, 저항, 도체, 축전기 등 여러 소자를 한 회로 위에 구현한 것
• 집적회로의 등장으로 회로의 대량생산이 가능해졌다.
• 무어의 법칙 : 인텔 공동 설립자인 고든 무어가 발표한 것으로, 집적회로의 성능이 24개월마다 2배씩 증가한다는 법칙. 
  
  • 무어의 법칙에 맞도록 로드맵을 짜고, 이를 맞추기 위해 고군 분투하는 결과를 낳음.
• 배터리를 이용한 포터블(휴대성) 전자제품들이 등장하면서, 소형화, 고효율화 및 전자제품의 사용시간을 위한 저전력화 역시 중요한 요소가 됨.
  • 저전력 소자 개발을 위해선 공정, 설계, 재료에 대한 연구가 모두 병행 되어야 한다.

 

 

반도체 제품 종류

 

• 집적 회로
  • 메모리 반도체
    
    • 휘발성 ex) DRAM, SRAM
    • 비휘발성 ex) MRAM, ROM, NAND flash(ssd), NOR flash
  • 시스템 반도체
    • 아날로그 ex) RF, DDI, PMIC
    • 로직 ex) CPU, GPU, NPU, ASIC, AP
    • Micro ex) MPU, MCU, DSP
    • 광학/센서 ex) CIS
• 개별소자
  • 광학/센서 ex) LED, Solar cell
  • 그 외 ex) power TR

 

 

메모리 반도체

• 역할 : 데이터를 저장한다.
• 대표 제품
  • (휘발성) register  - SRAM
    - CPU 내부에 위치하며, 가장 빠른 속도 및 작은 용량을 가진다. 
    - 즉각적인 데이터 저장과 처리가 필요한 값을 저장한다.
  • (휘발성) Cache - SRAM
    - CPU와 main memory 사이에 위치하며, 빠른 속도를 가진다. (L1 > L2 > L3 순으로 빠름)
    - CPU가 자주 접근하는 데이터를 임시로 저장하여 DRAM 접근 횟수/시간을 줄인다. 
    - SRAM은 주로 cache 메모리로 사용된다. (속도 : SRAM > DRAM)
    - SRAM은 TR 기반 F.F 으로 구성되어 있어 refresh 과정이 필요 없어 DRAM보다 속도가 더 빠르다. 
  • (휘발성) main memory - DRAM
    - DRAM은 주로 main memory로 사용된다.
    - SRAM보다 용량이 크지만, cap + TR구성되어 주기적인 refresh 과정이 필요하여 속도는 더 느리다.
    - 프로그램 "실행 중" 사용되는 데이터와 명령을 저장하여 CPU가 빠르게 접근 할 수 있도록 한다. (이 중 자주 접근되는건 cache로 올린다.)
    - DRAM의 저장소는 각각 행과 열로 이뤄진 주소를 가지고 있어 데이터에 접근하기 쉽고 접근하는 속도 역시 빠르다.
  • (비휘발성) 보조기억 장치 - SSD - flash memory
    - data를 보관하거나 프로그램들을 저장하는 보조 기억 장치로 사용된다.
    - flash memory는 NAND 타입과 NOR 타입이 있다.
    - NAND 타입 : 셀을 직렬로 연결하여 집적도가 높고 NOR에 비해 비용이 저렴하다. SSD 구현에 사용된다. 빠른 쓰기성능을 가지지만, 직렬로 연결되어 있기 때문에 특정 데이터의 개별 접근 속도가 느리다. 즉, 연속적인 데이터 접근에 최적화 되어 있다.
    - NOR 타입 : 셀을 병렬로 연결하여 각 셀에 직접 접근이 가능하여 NAND에 비해 개별 데이터에 접근 속도가 더 뛰어나지만, 병렬로 연결되어 있기 때문에 집적도가 낮고 비용이 높다. 
  • (비휘발성) HDD - 자기 디스크, CD - 광학 디스크, 카세트테이프 - 자기 테이프
    - 각각 자성, 레이저(빛), 자성을 이용해 데이터를 저장한다.
    - 크기 대비 용량, 속도 등의 이유로 최근에는 잘 사용되지 않고 있다.

컴퓨터 메모리 계층 구조

 

 

시스템 반도체

• 역할 : 두뇌 역할(연산)을 한다.
• 로직 반도체 : 연산, 판단, 명령에 해당하는 역할을 한다.
  • CPU : 비교적 어려운 여러 종류의 문제를 순차적으로 연산하여 깊게 생각하는 데 적합하다.
  • GPU : CPU에 비해 사용 목적이 특정하며(주로 그래픽 처리에 특화), 비교적 쉬운 문제를 한꺼번에 처리하는 병렬 연산에 특화되어 있다.
    => 즉 CPU는 교수 한 명이고 GPU는 초등학생 몇백 명이 모인 것으로 생각하면 된다.
• 아날로그 반도체 : 연속적으로 변하는 아날로그 신호를 다루고, 디지털 신호로 바꾸는 역할을 한다.
  • PMIC(power management IC) : 전력 공급을 적절히 조절한다 (저전력 모드, 밝기 조절 모드 등..) 각 제품별로 요구되는 전력이 다르기 때문에 각각에 맞는 PMIC가 별개로 붙어서 동작한다.
  • RF : Radio Frequency (RF) 신호를 처리하는 데 사용되는 반도체로, 신호의 송수신, 증폭, 변조 및 복조 등 다양한 역할을 수행한다.
  • DDI(display driver IC) : 디스플레이 구동 회로. 디스플레이의 화소를 조절(RGB(하여 색을 조절하는 반도체
• 마이크로 컴포넌트
  • MPU(Microproccessor Unit) : 컴퓨터의 핵심 기능(연산, 제어)을 수행하는 것으로, 복잡한 연산을 처리할 수 있는 범용 프로세서인 CPU와 달리, 특정 용도에 최적화된 프로세서로 보통 단일 칩에 구현되어 있다. 프로세서만 포함되어 있기 때문에, 동작을 위해선 메모리나 주변 장치가 필요하다. (CPU를 특정 목적에 맞게 소형화 한 칩이라고 생각하면 된다)
    - MCU 보다는 좀 더 강력한 연산을 처리할 수 있으며, 운영체제를 실행할 수 있다. (ex. 라즈베리파이 ARM Cortex-A 프로세서)
  • MCU(Micro Controller Unit) : MPU(프로세서) + 주변장치(메모리, 입/출력 장치 등...)이 하나의 칩에 통합된 것으로, 특정 시스템을 제어할 수 있는 전용 칩. 연산만 가능한 MPU와 달리 하나의 컴퓨터 자체를 소형화한 것으로, 대부분의 전자제품에 들어가는 핵심 부품이다. 
    - 가전제품, 자동차, IoT 장치 (ex. 아두이노, ESP32 등..)에 응용된다.
  • SoC (System On Chip) : MPU와 같이 하나의 기능을 가지는 칩들을 조립하여 하나의 시스템으로 구현한 것. MPU는 연산을 하는 하나의 칩이지만, SoC은 여러칩이 모여 하나의 컴퓨터 역할을 수행한다. 
    - 스마트폰에 들어가는 AP (application processor)
  • DSP : 디지털 신호 처리에 특화된 프로세서로, 고속 수학적 연산을 효율적으로 처리할 수 있도록 설계되어 있어 필터링, 변환, 신호 분석과 같은 작업에서 자주 사용된다. 연산 기능만을 수행하기 때문에 MPU처럼 주변 장치와의 연결이 필요하며, 주로 DAC, ADC와 같은 주변 장치와 함께 사용된다.
    💡(MCU는 작은 임베디드 시스템의 작업을 처리하는 만능 일꾼,
    MPU는 복잡한 컴퓨터 작업을 담당하는 고성능 처리기,
    DSP는 오디오나 비디오 데이터를 실시간으로 빠르게 처리하는 특화된 전문가와 같다)
• 광학/센서 
  • CIS(CMOS Image Sensor) :  CMOS의 조합을 바탕으로 만들어진 것으로, 주변 환경을 시각적인 이미지로 변환하는 반도체. 점 하나를 나타내는 각 화소마다 빛을 받아 전기 신호로 변환하는 기능을 한다. 

 

 

NAND Flash 메모리

특징

• 비휘발성: 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않아서, 데이터 저장 장치로 사용됩니다.
• 대용량 및 고집적도: 데이터를 작고 효율적인 방식으로 저장할 수 있어 대용량 메모리 구현에 적합합니다.
• 저비용: 구조가 상대적으로 단순하여 대량 생산이 용이하므로 비용이 낮습니다. 대용량 저장이 필요한 기기에서 널리 사용됩니다.
• 빠른 쓰기 및 지우기 속도: 데이터를 빠르게 기록하고 블록 단위로 데이터를 삭제할 수 있습니다.
• 블록 단위의 삭제: 데이터는 블록 단위로만 삭제할 수 있기 때문에 
• 메모리 셀 어레이: NAND Flash는 여러 메모리 셀이 직렬로 연결된 구조로 구성된다. 각 셀은 플로팅 게이트 트랜지스터로, 전하의 유무에 따라 0과 1의 데이터를 저장한다.

 

디바이스 구조

 

출처 : 하이닉스 뉴스룸

• 게이트(Gate)가 2개이다.
• 게이트 단자가 1개이면 디램, 2개이면 낸드플래시가 된다.
• 이때, 낸드플래시의 추가된 게이트 단자는 플로팅 게이트(Floating Gate)라고 부른다. (모든 입체 영역으로부터 절연층으로 분리된 상태로 마치 섬처럼 부유하고 있다고 하여 붙여진 이름)
• 플로팅 게이트로 인해 낸드플래시는 읽고 쓰고 저장하는 모든 동작에서 DRAM, SRAM보다 독특한 특성을 지니는데, 그 중 가장 핵심적인 특징은 데이터를 원하는 일정기간 저장할 수 있는 비휘발성 데이터의 저장 능력이다.
• 저장용량이 크고, 전원이 꺼져도 데이터를 저장할 수 있는 반면, 동작 속도는 RAM에 비해 느리다. 

 

• 집적도 측면에서는 낸드플래시가 메모리 디바이스 중 가장 유리하다.
• 디램은 저장기능을 하는 캐패시터를 Tr 밖에 별도로 두어야 하므로 2D 표면적을 많이 점유하는 반면, NAND flash는 메모리를 저장하는 데 필요한 저장소가 셀 내부에 집적되어 있으며, 각각의 셀들이 직렬로 연결되어 있어 집적도가 더 높다.
• 직렬로 연결되어 있어 집적도가 높으며, 특정 셀 접근의 위해 직렬적으로 셀들을 모두 거쳐야 하기 때문에 속도는 더 느리다.

 

💡왜 "NAND" flash 메모리라고 부를까?

NAND Flash 메모리는 오른쪽과 같은 NAND 논리 게이트의 구조를 기반으로 구현된다.

 

[참고]

https://blog.naver.com/songsite123/223464023554