반도체 용어 설명 1 (feat. HDD, SSD, 낸드플래시, 포토레지스트)

반도체와 관련한 용어들을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 반도체 용어 중 HDD, SSD, 낸드플래시(NAND Flash Memory), 포토레지스트에 대해 포스팅해보겠습니다.

<목차> 1. HDD와 SSD의 차이점 2. 비휘발성 메모리 "낸드플래시(NAND Flash Memory)" 3. 컴퓨터 빠르게 만드는 치트키 "SSD" 4. 반도체 공정이 핵심 소재 "포토레지스트"

1. HDD와 SSD의 차이점

HDD는 디스크 방식이고, SSD는 디지털 방식입니다.

< HDD vs SSD >

요즘은 스마트폰으로 음악을 듣지만 예전에는 LP판, 카세트 테이프, MP3 음악을 들었습니다.

HDD는 LP판(디스크 방식), SSD는 MP3(디지털 방식)에 비유할 수 있습니다. LP판을 자세히 살펴보면 미세한 홈이 파인 것을 볼 수 있는데, 이 LP판을 턴 테이블에 올린 뒤 회전시키면 바늘이 홈을 읽어 음악을 재생합니다. HDD도 동일한 원리로 자성을 띠는 원형 디스크인 플래터 (Platter)와 이 플래터 위를 쉴새 없이 움직이는 헤드 (Head)로 구성되어 있습니다. 돌아가는 LP판의 홈을 바늘이 읽는 것처럼, HDD의 헤드는 회전하는 플래터의 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다. SSD는 MP3 방식으로 이해하면 쉽습니다. 물리적인 회전을 이용했던 LP판과 달리 MP3는 디지털 방식으로 음악을 들을 수 있습니다. SSD 역시 메모리 반도체를 사용하며 HDD의 물리적 한계를 넘어설 수 있게 됩니다.

 

HDD와 SSD 저장 방법에는 차이점이 있을까요?

HDD의 데이터 저장 매체는 플래터(Platter)입니다. 플래터는 물리적으로 돌아가는 모터 방식이기 때문에 회전할 때 소음이 발생하고 소비 전력도 높으며, 발열 문제가 발생합니다. 그러나 HDD는 대용량 저장 매체로서 매우 유용합니다. 더불어, HDD는 플래터가 돌아가는 속도에 한계가 있어 데이터를 처리하기 위해 데이터가 저장된 위치로 헤드를 옮기는 시간도 걸리기 때문에 데이터 처리 속도도 상대적으로 느립니다. 그러나 이러한 속도 제한은 현재의 HDD에게서 발전되기를 기대할 수 있습니다. 또한 충격에 의해 헤드와 같은 내부 장치가 손상될 수 있어 내구성이 떨어집니다. 그러나, 이러한 내구성 문제는 제조업체들이 향상시키기 위해 노력하고 있습니다.

SSD는 메모리 반도체(낸드플래시)로 데이터를 저장하는 방식입니다. HDD와 가장 큰 차이점은 데이터 읽기/쓰기 속도가 압도적으로 높다는 것입니다. 모터가 없으므로 소음도 발생하지 않고, 소비 전력과 발열도 적습니다. 또한 내부에 움직이는 부품이 없기 때문에 외부 충격으로 손상될 가능성이 낮아 데이터를 안전하게 유지할 수 있습니다. 이러한 SSD의 장점은 그만큼 높은 가격으로 제한을 받고 있습니다. 그러나, 이러한 가격 문제는 기술 발전과 생산량 증가로 인해 점점 해소될 것으로 예상됩니다. SSD는 빠른 속도와 안정성으로 대용량 저장을 원하는 사용자들에게는 더욱 유용한 선택입니다.

 

2. 비휘발성 메모리 "낸드플래시(NAND Flash Memory)"

낸드플래시는 정보를 '0'과 '1'의 디지털 신호로 저장하는 메모리 반도체입니다.

이 메모리 반도체는 최근 몇 년간 성능과 내구성 면에서 큰 발전을 이루어 왔습니다. 한 번 저장된 정보는 전원이 끊겨도 지워지지 않고 10년을 버틴다는 것은 여전히 낸드플래시의 가장 큰 특징 중 하나입니다. 이러한 내구성은 데이터 보존을 위해 매우 중요한 요소입니다. 또한, 데이터를 쓰고 지우는 데 약 20볼트의 전압이 필요하기 때문에 그보다 낮은 전압에서는 아무 영향을 받지 않습니다. 그래서 전기가 끊어진 상태(볼트)에서도 데이터가 지워지지 않는 장점이 있습니다.

낸드플래시는 데이터를 저장하는 방식에 따라 네 가지 종류로 나눌 수 있습니다.

• SLC(Single Level Cell): 하나의 데이터가 하나의 셀에 저장되는 방식
• MLC(Multi Level Cell): 두 개의 데이터가 하나의 셀에 저장되는 방식
• TLC(Triple Level Cell): 세 개의 데이터가 하나의 셀에 저장되는 방식
• QLC(Quadruple Level Cell): 네 개의 데이터가 하나의 셀에 저장되는 방식

최근에는 낸드플래시와 같은 메모리 반도체가 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 스마트폰, 태블릿, 노트북, 컴퓨터, 카메라, 게임 콘솔 등에서도 사용되며, 클라우드 서비스, 빅데이터, 인공지능, 자율주행 등의 분야에서도 사용되는 등, 낸드플래시와 같은 메모리 반도체는 현재와 미래의 다양한 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

 

속도가 가장 빠른 SLC가 최고 성능을 가진 NAND 플래시인가요?

SSD는 사용 목적에 따라 다양한 종류가 있습니다. 예를 들어, SLC는 빠르지만 한 셀에 한 개의 데이터만 저장할 수 있어 대용량화하기 어렵고, 가격이 비쌉니다. 반면, QLC는 한 셀에 4개의 데이터를 저장할 수 있기 때문에 이론적으로 SLC보다 4배 저렴합니다. 이처럼 각 SSD의 장단점을 고려하여 선택해야 합니다.

더불어, 고성능의 SSD를 원한다면 SLC나 MLC 낸드플래시가 탑재된 SSD를 선택하여 많은 용량의 데이터를 저장할 수 있습니다. 그러나 경제적인 SSD를 원한다면 TLC나 QLC의 낸드플래시가 탑재된 SSD를 선택하는 것이 좋습니다. 이렇게 선택하는 방법은 사용자의 용도와 예산 등에 따라 다르게 결정될 수 있습니다.

2013년, 삼성전자는 '3차원 V낸드'라는 새로운 종류의 플래시메모리 기술을 개발했습니다. '3차원 V낸드'는 평면(2차원) 위에 많은 회로를 넣는 것이 아니라, 3차원 수직구조로 회로를 쌓아올려 집적도를 높인 기술입니다. 이 기술은 휴대전화, 디지털카메라 등의 기기에서 데이터를 저장하는 장치로 사용됩니다. 기존 2차원 평면구조의 메모리 공정이 10나노급에 달해 셀 간 간격이 좁아져 전자가 누설되는 현상이 심화되는 등 한계를 보이자, 이를 극복하기 위한 대안으로 개발되었습니다. 이러한 혁신적인 기술은 현재 SSD 시장에서도 큰 역할을 하고 있습니다.

 

3. 컴퓨터 빠르게 만드는 치트키 "SSD"

SSD는 메모리 반도체를 저장매체로 사용하는 대용량 저장장치입니다.

PC의 CPU와 유사한 역할을 하는 컨트롤러와 데이터 저장용 메모리인 낸드플래시와 캐시메모리 역할을 하는 DRAM으로 구성됩니다. SSD는 HDD보다 빠르고 용량이 큰 장점이 있습니다. 이는 낸드플래시와 컨트롤러의 기능 때문입니다. 낸드플래시는 데이터 집적도를 높여 SSD의 용량을 높이고, 컨트롤러는 데이터를 빠르게 읽고, 쓰고, 에러를 수정해 SSD의 성능을 높입니다. 예를 들어, 낸드플래시가 책을 보관하는 '서재'이고, 컨트롤러는 책을 정리하는 '사서'라고 생각하면 쉽게 이해할 수 있습니다.

삼성전자는 2006년부터 14년 연속으로 세계 SSD 시장 점유율 1위를 기록하고 있습니다. 이는 SSD를 구현하는 중요한 기술을 내재화한 끝없는 혁신 덕분입니다. 특히 메모리 반도체를 제어하는 컨트롤러는 제품 성능을 좌우하는 중요한 구성요소입니다. 자체 컨트롤러 기술을 보유하지 못한 SSD 제조사들은 뛰어난 기술을 지닌 컨트롤러 업체와 협력하는 일이 많아졌습니다. 그러나 삼성전자는 컨트롤러 개발에 일찍이 힘써 기술 내재화에 성공했으며, 이는 세계 SSD 시장 점유율 1위를 차지하는 데 중요한 원동력이 되었습니다.

낸드플래시 분야에서는 독보적인 기술력과 세계 최대 생산량 및 시장 점유율을 자랑하며, 1992년 64M DRAM을 세계 최초로 개발함으로써 메모리 반도체 DRAM 시장 점유율 1위에 오른 상태를 유지하고 있습니다.

 

SSD를 선택할 때 좋은 방법이 있을까요?

SSD가 컴퓨터의 데이터 처리 속도를 향상시켜 준다는 것은 널리 알려진 사실입니다. 그러나 이를 가능하게 하는 SSD의 구성요소인 '컨트롤러, 낸드플래시, DRAM'에 대해서는 더 많은 이야기가 있습니다.

컨트롤러는 SSD의 작동을 제어하는 역할을 합니다. 이것은 SSD에 대한 명령을 처리하고, 데이터의 읽기 및 쓰기를 관리합니다. 또한, 컨트롤러는 데이터의 안전성을 보장하기 위해 데이터를 구성하고, 오류를 검출하고, 복구할 수 있습니다.

낸드플래시는 SSD의 중요한 구성요소 중 하나입니다. 이것은 데이터를 저장하는데 사용되는 메모리 칩입니다. 이것은 휘발성 메모리인 DRAM과는 달리 비 휘발성 메모리이므로 전원이 꺼져도 데이터가 유지됩니다.

DRAM은 SSD의 캐시 메모리 역할을 합니다. 이것은 컨트롤러가 데이터를 처리할 때 사용하는 고속 메모리입니다. 이것은 빠른 속도와 저전력 소비를 제공합니다.

따라서, SSD는 하나의 독립적인 컴퓨팅 시스템으로 작동합니다. 이것은 컴퓨팅 시스템의 각 구성 요소가 각각의 역할을 수행하도록 하므로 컴퓨터의 데이터 처리 속도를 높이는 데 큰 역할을 합니다. SSD를 사용함으로써, 컴퓨터가 더 빠른 속도로 데이터를 처리하도록 할 수 있습니다.

 

4. 반도체 공정이 핵심 소재 "포토레지스트"

포토레지스트는 빛에 반응하여 화학적 변화를 일으키는 액체입니다.

감광 특성을 활용하여 특정 패턴을 만들 수 있습니다. 포토레지스트는 사진 현상 등에 쓰이는 묽은 액체와는 다릅니다. 빛의 접촉 여부에 따라 판화처럼 구분되는 요철을 만들 수 있으며, 양성형과 음성형으로 나뉩니다. 양성형은 빛을 받지 않는 부분, 음성형은 빛을 받은 부분이 남습니다.

포토레지스트는 포토 공정에서 웨이퍼 위에 얇고 균일하게 도포됩니다. 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만들어주는 것 같은데, 이 위에 반도체 회로 패턴이 담긴 마스크를 놓고 그 아래에 빛을 모아주는 렌즈를 위치시킵니다. 그런 다음 웨이퍼를 향해 빛을 쏘면, 마스크에 그려져 있던 회로 패턴이 웨이퍼에도 남게 됩니다. 이렇게 하면 미세 회로의 밑그림이 웨이퍼 위에 그려집니다.

한편, 웨이퍼에 회로 패턴이 새겨지면, 남은 부분과 용해된 부분을 선택적으로 제거하는 과정을 거쳐 포토 공정이 마무리됩니다. 이렇게 새겨진 웨이퍼의 회로는 식각 공정 등을 거치며 선명해지고, 그 외에도 수많은 공정을 거쳐 반도체가 완성됩니다.