[SSD] NAND Flash vs NOR Flash 차이 (이름의 유래)

Flash Memory Cell

이전 포스터에서 Flash memory cell에 대해서 대하여 정리하였다. 오늘은 flash memory cell들의 배열 방식에 따라 구별되는  NAND Flash memory와 NOR Flash memory에 대해서 정리해보고자 한다.

 

Fig 1. Flash memory cell 구조 [1]

 

시작하기 앞서 간단히 Flash memory의 cell에 대해서 정리하자면 Fig 1.과 같다. Flash memory cell은 Fig 1.과 같이 Transistor와 비슷한 형태를 가지지만, 추가적으로 Float(ing) Gate(플로팅 게이트)가 존재한다. 이 플로팅 게이트가 데이터를 영구적으로 저장하는 역할을 수행한다.

 

플로팅 게이트는 위아래로 부도체인 산화막으로 감싸져 있다. 따라서 전자가 플로팅 게이트 안으로 혹은 밖으로 이동하지 못한다. 다만 Control gate에 강한 양전압을 걸어주면 실리콘 기판(p 영역) 속 전자가 터널링 효과에 의해 플로팅 게이트로 이동한다. 한번 플로팅 게이트에 갇힌 전자는 다시 외부에서 강한 전압으로 힘을 주지 않는다면 영구적으로 플로팅 게이트에 저장된다. 실리콘 기판에 강한 양전압을 걸어주면 플로팅 게이트에 갇힌 전자는 빠져나와 실리콘 기판으로 이동한다.

 

Flash memory cell은 Transistor와 같이 Control Gate에 전압을 가하면 Source와 Drain 사이에 Channel이 형성된다. 이 채널을 통해 Source에서 Drain으로 전류가 흐른다. 만약 플로팅 게이트에 전자가 많이 갇혀있다면 Control gate에 의한 Channel 형성을 방해한다. 따라서 Source에서 Drain으로 전류가 흐르지 않는다. 

 

이렇게 전류가 흐르는 지 안 흐르는 지 여부에 따라 플로팅 게이트에 전자가 많이 갇혀 있는지 안 갇혀 있는지를 알 수 있다. 만약 플로팅 게이트에 전자가 많이 갇혀 있어 전류가 흐르지 않는다면 0이라고 해석한다. 전자가 없어 전류가 흐른다면 1로 해석한다. 이러한 방식으로 Flash memory cell은 영구적으로 데이터를 저장한다.

 

 

 

NAND Flash Memory vs. NOR Flash Memory

Flash memory의 Cell들은 1bit의 데이터를 저장한다. 이러한 Cell들이 수많이 모여 하나의 SSD가 된다. 이때 Flash memory cell을 어떻게 배열하고, 그 사이에 배선을 어떻게 할지에 따라서 NAND flash memory, NOR flash memory로 구분된다. Fig 2.는 NAND와 NOR 방식의 Cell 배열을 그림과 같이 나타낸 것이다. 노란색 박스의 Unit Cell 하나가 Flash memory cell(1bit)이다. 

 

Fig 2. NAND vs. NOR [TOSHIBA]

 

Fig 2.에서 알 수 있겠지만 NAND Flash의 경우 Source line(파란색 선)과 Bit line(빨간색 선) 사이에 Cell들이 직렬로 연결되어 있다. 반면에 NOR Flash의 경우 Source line들과 Bit line 하나가 병렬로 연결되어 있으며, 각각의 Source line 마다 하나의 Cell이 위치해있다.

 

NAND의 경우 cell들이 직렬로 연결되어 있다. 만약 Cell 하나를 읽고 싶다고 하자. 그러면 일단 직렬로 연결된 나머지 모든 Cell들을 ON 시켜야(=나머지 모든 Word line들에 강한 전압을 줘야) 해당 Cell의 내용을 읽을 수 있다. 따라서 Cell 하나를 읽고 쓰는데 시간이 오래 걸린다. 그에 비해 NOR의 경우 cell들이 병렬로 연결되어 있다. 따라서 해당 Cell만 조종하면(해당 Cell의 Word line에만 전압을 걸어주면) 그 Cell을 읽고 쓸 수 있다. 따라서 읽고 쓰는 시간이 빠르다.

 

이렇게만 보면 NOR이 더 좋아보이지만 NOR도 문제가 있다. Cell의 크기가 NAND보다 상대적으로 크다. 모든 Cell마다 Source line과 직접 연결되어야 하기에 Cell 자체의 크기도 크며 동시에 Source line들도 Cell 개수만큼 매우 많이 설치해야 한다. 따라서 한 칩에 NAND보다 더 적은 Cell들을 포함할 수 있다. 집적도가 떨어지는 것이다.

 

SRAM, DRAM의 경우 속도가 중요하지만 SSD의 경우 속도도 중요하지만 그 용량이 더욱 중요하다. SSD는 같은 크기의 Chip에 저장할 수 있는 데이터 용량을 더욱 늘리기 위해, 즉 집적도를 높이기 위해 NAND 방식의 Flash memory cell 배열이 주를 이루게 되었다.

 

 

 

NAND와 NOR Flash Memory 이름의 유래

다음 자료[2]에 따르면 NAND와 NOR flash memory의 이름은 각각 NMOS NAND logic gate와 NMOS NOR logic gate 구조에서 따왔다고 한다. Fig 3.에서 보듯 NAND flash memory에서 Cell들이 직렬로 연결된 것이 NMOS NAND logic gate와 비슷하다. 마찬가지로 Fig 3.에서 보듯 NOR flash memory에서 Cell들이 직렬로 연결된 것이 NMOS NOR logic gate와 비슷하다.

 

Fig 3. NMOS NAND Gate와 NMOS NOR Gate [3][4]

 

 

 

Reference

[1] https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/windbacher/node14.html

[2] https://electronics.stackexchange.com/questions/145358/why-are-nand-flash-and-nor-flash-named-using-the-terms-nand-and-nor

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/NAND_gate#/media/File:NMOS_NAND.svg

[4] https://ko.m.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:NMOS_NOR_WITH_RESISTIVE_LOAD.PNG

[5] https://www.cactus-tech.com/resources/blog/details/solid-state-drives-101/