SSD? MLC? TLC?
솔리드스테이드드라이브(SSD) 이전 하드디스크드라이브(HDD)는 마그네틱 원판을 회전시켜 정보를 읽고 기록했다. SSD는 이러한 물리적 과정 대신 반도체 일종인 낸드플래시를 이용한다. 이 때문에 속도·소모전력면에서 HDD보다 우수한 SSD는 '차세대 저장장치'로도 불린다.

▲낸드플래시 셀 단면(=아시아경제DB)
◆낸드플래시 작동 원리="전자 가두기"
SSD에서 낸드플래시가 작동하는 방법은 간단히 말하면 플로팅게이트에 '전자'를 가두는 방식이다. 전자가 있는지 없는지, 혹은 얼마나 가두고 있는지에 따라 디지털 신호인 0과 1로 기록하고 읽는다. 플로팅게이트 안에 전자가 없으면 0, 전자가 있으면 1이다.

1을 기록하려면 플로팅게이트 안에 전자를 가두면 된다. 플로팅게이트는 절연체인 산화막으로 둘러싸여 있는데 컨트롤게이트에서 전압을 걸어주면 전자가 산화막을 통과해 플로팅게이트로 들어간다. 반면 0을 기록하고 싶으면 전자가 빠져나오도록 하면 된다.

기록돼 있는 1을 읽는 방법은 플로팅게이트에 전자가 있다는 것을 확인하는 과정이다. 전자가 플로팅게이트에 들어오고 나가지 않을 정도의 약한 +전압을 컨트롤 게이트에 걸어 '소스'에서 '드레인' 방향으로 전자를 이동시킬 때 플로팅게이트 안에 저자가 있으면 전기장에 영향을 줘 전자가 제대로 이동하지 못한다. 이 과정으로 플로팅 게이트에 '전자가 있다'는 의미의 1을 읽어 들이게 된다.

기록된 데이터를 삭제하려면 플로팅게이트 안에 전자를 비우면 된다. 산화막 안에 갇힌 전자를 빼낼 수 있을 정도의 +전압을 기판에 걸어주면 전자가 빠져나온다.

◆낸드플래시 종류=SLC, MLC, TLC
낸드플래시는 하나의 셀 안에 몇 개의 비트를 기록할 수 있는 지에 따라 세 가지로 구분된다. 우선 싱글레벨셀(Single Level Cell·SLC)은 하나의 셀 안에 하나의 비트(0,1)만 기록한다. 전자가 있는 지 없는지만 확인하는 비교적 간단한 방식이기 때문에 전력 소모량·안정성·속도에서 우수하다. 하지만 멀티레벨셀(Multi Level Cell·MLC)과 트리플레벨셀(Tripel Level Cell·TLC)에 비해 생산비용이 비싸다는 단점이 있다. 같은 용량의 낸드플래시를 만드는데 더 큰 면적이 필요하기 때문이다.

MLC는 하나의 셀에 2비트(00,01,10,11)를 기록한다. TLC는 하나의 셀에 3비트(000, 001, 010, 011,100, 010, 110, 111)를 기록할 수 있다. TLC로 갈수록 하나의 셀에 더 많은 정보를 기록할 수 있다.

하지만 TLC로 갈수록 플로팅게이트 안에 전자가 '얼마나' 들어있는지를 확인해야 하며, 쓰는 과정에 있어서도 전자를 '얼마나' 넣을지 보다 더 복잡한 과정이 필요하다. SLC는 플로팅게이트 안에 전자가 있는지 없는지만 확인하면 됐다.

하지만 SLC의 높은 생산 비용 때문에 업계서는 MLC와 TLC를 개발하는 데 총력을 기울이고 있다. 생산단가가 높아지면 구입가가 높아지기 때문에 소비자의 선호 또한 반영됐다. 하지만 일단 TLC보다는 MLC가 주류인 모양새다. TLC는 생산효율성을 고려하더라도 아직까지는 속도·안정성이 떨어진다는 평가다. 하나의 셀에 4비트를 기록하는 QTL(Quadruple Level Cell)도 개발중이지만 전망이 밝지만은 않은 것도 같은 이유에서다.

◆낸드플래시의 발전 방향=미세공정 대신 '층 쌓기'
반도체의 다른 종류인 D램의 경우 미세공정을 통해 발전해 왔다.(관련기사:"D램, DDR4, TSV?") 낸드플래시는 미세공정 외에 실리콘관통전극(TSV), 3D낸드플래시 등 층을 쌓는 구조로 발전하고 있다. 공정을 미세화하는 경우 플로팅게이트를 둘러싼 산화막을 얇게 만들거나 플로팅게이트의 크기를 줄여야 하는데 산화막이 손상될 가능성과 하나의 플로팅 게이트 안에 저장되는 전자 수가 줄어들면 읽기·쓰기 오류가 증가하기 때문이다.