[컴퓨터 구조] DDR SDRAM

최신 기억장치 기술

기억장치의 액세스 속도는 CPU에 비하여 현저히 낮음

동영상 처리, 음성/영상 압축과 같은 대규모 데이터 처리 응용 증가  →주기억장치 병목 현상 심화
→ 새로운 유형의 기억장치 개발을 통한 고속화 필요

-SDRAM

-DDR SDRAM

-PRAM

-FRAM

-MRAM

 

SDRAM

= 동기식 DRAM(Synchronous DRAM: SDRAM) : 액세스 동작들이 시스템 클록에 맞추어(동기화 되어) 수행되는 DRAM

ex) 읽기 동작
1.CPU는 한 클록 주기 동안에 시스템 버스를 통하여 주소와 읽기 신호를 기억장치로 보낸 후, 그 결과를 기다리지 않고 내부적으로 다른 연산을 수행

2.SDRAM은 주소와 읽기 신호를 받은 즉시 읽기 동작을 시작하며, 그 동작이 완료되면 시스템 버스 사용권을 획득한 후, 다음 클록 주기 동안에 버스를 통하여 CPU로 데이터 전송

3.CPU는 그 데이터를 받아서, 다음 연산을 수행

SDRAM 의 내부조직 

- 다수의 뱅크(bank)들로 구성 : 뱅크 별로 동시 액세스 가능

DDR SDRAM

-SDRAM 기억장치 모듈의 대역폭(bandwidth)을 향상시키기 위한 기술

 

대역폭: 단위 시간 당 전송되는 데이터 량, 단위: [bytes/sec]

 

-DDR(double data rate) SDRAM : 버스 클록 당 두 번의 데이터 전송 (클록 펄스의 상승-에지 및 하강-에지에서 각각 전송)

 

[비교] SDRAM: SDR(single data rate) SDRAM에 해당

 

-DDR2 SDRAM : DDR SDRAM과 같으며, 버스 클록 주파수를 두 배로 높여 대역폭 향상

 

DDR 기술의 기본 원리

-버스 클록의 상승 에지와 하강 에지에서 각각 데이터 전송

-기억장치 제어기(memory controller) 및 버스 인터페이스 회로의 개선을 통하여 버스 클록 주파수 향상

 

차세대 비 휘발성 기억장치

-비휘발성(nonvolatile)

 

-플래시 메모리에 비하여 액세스 속도가 1000배 가량 높음

 

-DRAM보다 느리지만, 집적도는 비슷하며, 전력 소모가 더 낮음

PRAM(Phase-change RAM)

 

-상태(phase)가 변하는 특수 물질을 이용하여 제조한 RAM

 

-물질: 게르마늄 안티몬 텔룰라이드(GST)

 

-인가되는 전압의 높이에 따라 내부 구조가 변하여 저항이 낮은 고체 상태 혹은 저항이 높은 액체 상태가 됨

→고체 상태: 결정 상태(polycrystalline phase)

→액체 상태: 비정질 상태(amorphous phase)

 

-기억 셀(memory cell): 두 개의 전극 사이에 특수 물질(GST)을 삽입

 

PRAM 메모리 셀

데이터 저장

-두 전극들 사이에 짧은 시간 동안 상대적으로 높은 전압 인가

  GST  낮은 저항의 결정 상태 : ‘1’을 저장

 

-두 전극들 사이에 긴 시간 동안 상대적으로 낮은 전압 인가

  GST  높은 저항의 비정질 상태 : ‘0’을 저장

 

데이터 읽기

-상태 변화를 야기하지 않을 정도의 낮은 전압 인가

 

-저항의 차이에 따른, 두 전극 간에 흐르는 전류 양의 차이에 따라 데이터 값을 구분

  저항이 낮으면 전류 양이 많아짐 : ‘1’

  저항이 높으면 전류 양이 적어짐 : ‘0’

 

PRAM의 장점

 

-낮은 전압 범위에서 모든 전기적 동작이 수행된다

 

-회로가 간단하다

 

-전력 소모가 적다

 

FRAM(Ferroelectric RAM)

 

=강유전체의 특성을 이용하는 반도체 기억장치

 

-강유전체: 전기를 인가하지 않은 자연 상태에서도 전기적 극성을 띠고 있는 물질

 

-플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(PZT)을 이용하여 제조

 

-양(+) 전극 및 음(-) 전극에 전기를 인가하면 전극의 위치가 바뀌며, 전기 공급이 중단되어도 그대로 유지

 

FRAM 메모리 셀

데이터 저장

-전기를 인가하지 않음  원래의 전극 유지 : ‘0’ 저장

 

-전기 인가  전극 위치 변경 : ‘1’ 저장

 

데이터 읽기

-기억 셀에 전기장(electric field)을 인가

 

-감지되는 전하(electric charge)의 양에 따라 ‘0’과 ‘1’을 구분

 

MRAM(Magnetic RAM)

 

=자기장(magnetic field)을 이용하여 정보를 저장하는 반도체 기억장치

 

-강자성체에 가해지는 자기장의 방향으로 자화되며,

-자기장이 제거되어도 자성이 그대로 유지

 

기본 구조

-상부와 하부에 설치되는 두 개의 강자성체들 사이에 절연체를 삽입

 

-하부 강자성체: 고정층, 자화 방향이 고정되어 있음

 

-절연체: 터널링 자기저항 현상이 일어나도록 얇게 제조

 

-상부 강자성체: 기록층, 전류 인가 방향에 따라 자화되는 방향이 결정됨

 

데이터 저장

-그림 (a)와 같은 방향으로 전류 인가  상부 및 하부 강자성체의 자화 방향 일치 : ‘0’ 저장

 

-그림 (b)와 같은 방향으로 전류 인가  상부 및 하부 강자성체의 자화 방향이 반대 : ‘1’ 저장

 

데이터 읽기

-두 강자성체들 간에 전류 인가

 

-강자성체들 간의 자화 방향이 동일  절연층 저항이 적어져 터널링 전류(tunneling current)가 흐르므로, 상하부 층 간의 전위차가 낮아짐 : ‘0’으로 인식

 

-강자성체들 간의 자화 방향이 반대  절연층 저항이 높아져 터널링 전류가 흐르지 않으므로, 상하부 층 간의 전위차가 높아짐 : ‘1’로 인식