[이론정리] Memory Devices : Introduction

  본 내용은 Yuan Taur and Tak H.Ning의 <Fundamentals of Modern VLSI Devices>를 참고하여 제작되었다.

Fundamentals of Modern VLSI Devices

 

  본 챕터는 Chapter 12. Memory Devices에 해당하는 내용으로, logic circuits안의 CMOS와 bipolar devices의 동작원리에 대해 다룬다. 현재 사용되는 VLSI의 major 한 소자는 바로 random-access memory(RAM)이다. RAM functional unit은 보통 memory cells(or bits)을 selecting, writing, reading 하는 array 형태로 구성되어 있다. 

그림1. Block diagram of a random-access memory function unit

  array에 존재하는 각각의 bit들은 wordline과 bitline에 인가된 신호를 통해 접근될 수 있다. 이 cell들의 저장 지속력에 따라 3가지의 카테고리로 나눌 수 있다.

1. static random-access memory(SRAM)

2. dynamic random-access memory(DRAM)

3. nonvolatile rando-access memory(NVRAM) = nonvolatile memory

 

 이 세 소자들에 대해 간략하게 SRAM에 대해 설명하자면, SRAM는 빠른 access time을 가진다. 또한 전압이 인가되어야 데이터를 유지시킬 수 있다. DRAM은 비교적 느린 access time을 가진다. 이 소자는 데이터 손실을 방지하기 위해주기적으로 refresh time을 가져야 한다. 그러나 DRAM이 SRAM에 10분의 1의 크기이기 때문에 훨씬 저렴하다. 이러한 장단점 때문에, memory hierarchy architecture를 구성해서 메모리 효율도 높이고, 비용도 줄일 수 있다. 하지만, SRAM과 DRAM 모두 휘발성 메모리이기 때문에 nonvolatile memory도 필요하게 된다.

 

  nonvolatile memory는 크게 세 가지로 분류된다. non-programmable(read only), programmable, erasable and programmable. 이 중 가장 좋은게 erasable and programmable 한 소자인 electrically erasable and programmable read-only memory(EEPROM)이다.

 

 반도체 메모리는 bipolar circuit의 높은 standby power 때문에 CMOS로 바뀌게 되었다. CMOS는 큰 SRAM array를 만들기에 적합했다.

 

  요즘 부상하고 있는 메모리 디바이스 관련 주제 중 하나는 "universal memory"이다. universal memory는 DRAM만큼의 저비용으로 SRAM만큼 빠른 스피드를 가진, 비휘발성의, 무한한 내구성의 컴퓨터 데이터 저장장치이다. 만약 이것이 상업화가 된다면, 이것이 미치는 영향은 상상도 할 수 없이 클 것이다. cell level에서, universal memory cell은 전형적으로 access transistor에 의해 구성된다. access transistor는 MOSFET이 될수도, bipolar transistor이 될 수도, 혹은 그냥 어떤 다른 memory element 일수도 있다. 예를 들면, memory element는 MRAM에서 magnetic tunnel junction이 될 테고, PCM에서는 chalcogenide glass filament가 될 것이다. 그리고 RRAM이나 ReRAM에서는 resistive dielectric solid-state material로 이루어진 층 하나가 될 것이다. universal memory에 대한 연구는 이러한 memory element들에 대해 이루어지고 있다.

 

  이 책에서는 basic operation principles, device design, and CMOS SRAM cell의 스케일링 이슈들, 1T-1C DRAM cell, 많이 쓰이는 EEPROM device들, 그리고 가장 많이 쓰이는 bipolar SRAM cell에 대해 설명할 것이다.