반도체 정의 및 역할 | 메모리와 비메모리 반도체 차이

반도체의 기본 뜻은 영어 Semi(반), Conductor(도체)의 합성어인 Semiconductor로 이루어진 합성어입니다.

전기 전도율이 높은 원자재인 구리, 금, 철 등의 물질로 만들어진 전기 전도체^{(:electrical conductor-줄여서 도체)}와 고무,유리 등과 같이 전기나 열이 전달되기 어려운 절연체^{(insulator, or 부도체)} 중에 중간의 성격을 가진 것이 반도체입니다.

1. 도체와 절연체의 중간 반도체란?

결국 도체와 절연체의 차이는 ‘전류의 흐름’이란 것을 알 수 있습니다. 전류가 흐르는 도체, 전류가 흐르지 못하는 절연체, 중간 영역에 속하는 반도체^{(영어:Semiconductor)}로 분류할 수 있습니다.

1.1 도체보다 반도체를 사용되는 이유

전기가 잘 통하는 도체 대신 반도체를 산업에서 사용하는 주된 이유는 Semiconductor 내의 전기의 흐름을 변화 시킬 수 있는 특성 때문입니다.

2. 메모리 반도체 종류

크게 정보를 저장하는 메모리 반도체 & 정보를 처리하는 비메모리 반도체 두 가지로 구분합니다.

크게 분류했을 경우 우리가 흔히 사용하는 램^{(RAM, Random Access Memory)}과 롬^{(ROM, Read Only Memory)} 두 가지가 메모리 반도체에 속합니다.

2.1 램(RAM)

정보를 자유롭게 지울 수 있기 때문에 ‘Random Access Memory’라고 말하는 램^(RAM)은 휘발성 메모리로 불립니다.

※휘발성 메모리로 불리는 이유
예를 들어 책상이라는 작업 공간에 여러 종류의 작업을 수행하고 필요한 도구와 자료를 담을 수 있는 작은 공구통이 있다고 하겠습니다. 공구통에 여러 종류의 도구를 놓고 작업을 수행하며, 필요한 도구나 자료를 필요할 때마다 빠르게 가져다 사용할 수 있습니다. 
공구통은 주기억장치인 RAM과 유사합니다. RAM은 컴퓨터의 작업을 위한 공구통으로써, 여러 프로그램이나 데이터를 임시로 저장하고 빠르게 액세스할 수 있도록 도와줍니다. RAM은 컴퓨터가 작업을 수행하는 동안 필요한 정보를 저장하고 CPU가 빠르게 접근할 수 있게 도와줍니다.

램(RAM)은 정보 저장 방식에 따라 D램과 S램으로 분류합니다.

• DRAM^{(Dynamic Random Access Memory)}
  • DRAM은 저장된 정보가 시간의 흐름에 따라 소멸되는 반도체입니다. 동적^(Dynamic)이란 이름이 붙은 것처럼 짧은 시간 내에 주기억¹으로 재충전 시켜 기억이 유지됩니다. 한국의 삼성과 SK 하이닉스와 같은 기업이 세계적으로 높은 점유율을 가지고 있는 주 산업 분야입니다.
• SRAM^{(Static Random Access Memory)}
  • S램은 전원이 공급되는 동안 데이터를 유지하는 반도체입니다. Static^{(정적인, 움직이지 않는)}의 뜻으로 알 수 있듯이 주기억으로 내용을 갱신해야 하는 DRAM과 다르게 기억 장치에 전원이 공급되는 한 내용이 지속적으로 보존됩니다. 데이터 속도 또한 매우 빠른 것이 특징이며, 집적도²가 낮고 비싼 가격으로 인해 대용량으로 만들기 어려우며 주로 그래픽카드와 같은 작은 용량의 메모리로 사용됩니다.

2.1 롬(ROM)

램을 공구통에 비유 했었습니다. 읽기 전용인 롬^{(ROM:Read Only Memory)}은 책이나 도안 등에 해당할 수 있습니다. 비휘발성 메모리로 전력 공급 없이 정보가 저장되며, 별도의 삭제를 진행하지 않는 한 저장되는 메모리입니다.

롬(ROM)은 컴퓨터의 시스템의 기본적인 입출력 작업을 담당하는 입출력 시스템³ 또는 은행 ATM 기기의 IC 카드⁴가 이에 속하게 됩니다.

3. 플래시 메모리^{(Flash Memory)}

롬의 범주에 속하는 플래시 메모리(Flash Memory)는 비휘발성 기억 장치의 일종으로, 데이터를 저장하고 읽는 데 사용되는 기술입니다. 플래시 메모리는 작은 칩 형태로 제작되며, 주로 휴대용 장치에서 데이터 저장과 이동을 위해 널리 사용됩니다.

※포인트
램은 데이터의 읽기와 쓰기가 자유롭지만 전원이 꺼지면 기록 데이터가 지워지며, 롬은 전원이 꺼져도 데이터가 지워지지 않는 대신, 한 번 데이터가 기록되면 수정이나 추가가 불가능한 것이 특징이었습니다. 플래시메모리는 램과 롬의 특성을 모두 가진 반도체라고 할 수 있습니다.

플래시 메모리는 데이터를 전기 신호로 표현하여 기록하고 읽어옵니다. 간단하게 말하면, 플래시 메모리 셀은 전기적인 상태를 나타내는 트랜지스터를 사용하여 정보를 저장하는데, 이 트랜지스터 상태의 변화를 통해 0과 1의 비트를 나타냅니다. 이러한 상태 변화는 데이터의 기록 및 검색을 가능하게 합니다.

• 비휘발성: 플래시 메모리는 전원이 꺼져도 데이터가 보존됩니다. 따라서 전원을 다시 켤 때에도 저장된 데이터에 접근할 수 있습니다.
• 내구성: 플래시 메모리는 기계 부품이 없이 전기 신호를 이용하여 데이터를 저장하므로 내구성이 높습니다. 물리적 충격에 강하고 데이터 손실의 위험이 적습니다.
• 빠른 읽기와 쓰기: 플래시 메모리는 비교적 빠른 속도로 데이터를 읽고 쓸 수 있어서 휴대용 장치나 컴퓨터 부팅 시간 등에 많이 활용됩니다.
• 저전력 소비: 전기적인 동작을 이용하기 때문에 전력 소비가 상대적으로 적습니다.

플래시 메모리는 다양한 형태로 사용되며, 기존 하드 디스크⁵보다 빠른 속도를 자랑하는 SSD⁶와 휴대하기 편한 USB⁷가 이에 속하게 됩니다. 메모리 카드, 스마트폰의 내장 저장 장치 등의 기기가 대표적입니다.

4. 비메모리 반도체^{(시스템 반도체)}

앞에서 책상을 ^롬(ROM) 공구 상자를 ^램(RAM)에 비유 했습니다. 작업하는 사람의 역할이 비메모리인 시스템 반도체에 해당한다고 할 수 있습니다. 대표적인 종류는 컴퓨터의 중앙처리 장치 CPU, 그래픽 처리 장치인 GPU, 모바일 기기 중앙처리 장치 AP, 인공지능 처리 장치인 NPU⁸ 등이 있습니다.

5. 각주

1. 컴퓨터 메모리^{(computer memory)}는 컴퓨터에서 수치·명령·자료 등을 기억하는 컴퓨터 하드웨어 장치 ↩︎
2. 집적도^{(Integration Density)}는 하나의 반도체 칩 안에 포함된 소자(Transistor, 트랜지스터 등)의 수를 나타내는 지표입니다. 집적도가 높을수록 한 칩 안에 더 많은 소자가 밀집되어 있으며, 이는 작은 크기의 칩으로도 더 많은 기능을 수행할 수 있다는 것을 의미합니다. 집적도가 높을수록 전자 기기의 성능이 향상되고, 소형화와 더 높은 효율성을 가능하게 합니다. ↩︎
3. 입출력^{(Input/Output)}은 데이터를 컴퓨터 내부와 외부에서 주고받는 과정을 의미합니다. 데이터를 시스템에 입력하거나 시스템이 생성한 결과를 외부로 출력하는 것을 나타냅니다. 이를 줄여서 I/O라고도 부르며, 컴퓨터와 주변 장치, 사용자 간의 상호 작용과 데이터 교환을 포함합니다.  ↩︎
4. IC 카드^{(Integrated Circuit Card)}: 현금카드 등에 사용되는 IC 메모리는 메모리 기억소자로, 대용량 정보를 저장하는 전자식 카드 ↩︎
5. 하드 디스크 드라이브^{(Hard disk drive, HDD)}: 비휘발성이며 순차접근이 가능한 컴퓨터의 보조 기억장치 ↩︎
6. 솔리드 스테이트 드라이브^{(solid-state drive, SSD)}: 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)는 전자식으로 작동하여 하드 디스크 드라이브(HDD)의 문제인 탐색 시간, 반응 시간, 기계적 지연, 고장률, 소음 등을 획기적으로 감소시킵니다 ↩︎
7. 범용 직렬 버스^{(Universal Serial Bus;USB)}: 컴퓨터 본체와 다른 장치(주변 기기)를 연결하는 데 쓰이는 입출력 표준 프로토콜 ↩︎
8. NPU^{(Neural Processing Unit, 인공지능 처리 장치)}: 인공지능 처리에 특화된 반도체로, 독립적인 칩 또는 NPU의 일부로 설계되어 대중적인 GPU보다 더 효율적으로 인공지능 작업을 수행합니다. ↩︎