DRAM(다이내믹 RAM)란?

트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 된 셀에 1비트를 저장하고, 전하가 새어 나가기 전에 주기적인 리프레시가 필요한 휘발성 메모리. PC나 서버의 메인 메모리로 사용된다.

일본어 명칭: DRAM(ダイナミックRAM)

DRAM(다이내믹 RAM)은(는) DRAM, 차세대 메모리, 반도체 산업과 시장 등 16개 분야의 연습 문제 91개에 나와요.

분야: DRAM

DRAM의 이름과 셀의 동작

DRAM은 dynamic random-access memory의 약자입니다. 1비트를 트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 된 1T1C 셀에 저장하며, 커패시터에 전하가 있는지 없는지로 0과 1을 나타냅니다. 셀은 워드 라인과 비트라인이 교차하는 곳에 격자 모양으로 배치되며, 워드 라인으로 트랜지스터를 켜면 커패시터가 비트라인에 연결됩니다. 랜덤 액세스는 순서와 관계없이 어느 주소에나 접근할 수 있다는 뜻이고, 다이내믹은 저장한 전하가 조금씩 새어 나가므로 주기적으로 다시 써야 한다는 데서 온 이름입니다.

읽기와 리프레시

셀을 읽을 때는 전원 전압의 절반 정도로 프리차지한 비트라인에 커패시터를 연결합니다. 전하가 나누어지면서 생기는 작은 전압 차이를 센스 앰프가 증폭하여 0인지 1인지를 판정합니다. 이 과정에서 저장된 전하가 흐트러지므로(파괴 읽기), 증폭한 전압을 셀에 다시 써 넣습니다. 또한 전하는 접합 누설이나 서브스레시홀드 누설로도 줄어들기 때문에, 모든 행을 일정 간격으로 읽어서 다시 써야 하며 이를 리프레시라고 합니다. 기준으로서 DDR4까지의 규격은 통상 온도 범위에서 64 ms, DDR5는 32 ms 이내에 모든 행을 리프레시하도록 정하고 있으며, 고온에서는 간격이 더 짧아집니다.

SRAM·플래시 메모리와의 차이

SRAM은 트랜지스터 6개로 래치를 구성하므로 리프레시가 필요 없고 1 ns 정도로 접근할 수 있지만, 셀이 커서 비트당 비용이 높습니다. DRAM은 작은 1T1C 셀 덕분에 SRAM보다 약 20배 고밀도여서 대용량 메인 메모리에 적합한 대신, 행을 활성화해야 하므로 접근 시간이 수십 ns가 됩니다. NAND 플래시 메모리는 전원을 꺼도 데이터가 남는 비휘발성 메모리이며 더 대용량·저비용이지만, 쓰기와 소거가 느리고 재기록 횟수에 한계가 있습니다. 그래서 시스템은 캐시에 SRAM, 메인 메모리에 DRAM, 스토리지에 SSD를 쓰는 메모리 계층을 구성합니다.

제품의 종류와 미세화의 과제

DRAM 제품에는 PC·서버용 DDR SDRAM, 스마트폰 등을 위한 저전력 LPDDR, 그래픽용 GDDR, 그리고 여러 다이를 TSV로 쌓아 매우 넓은 버스를 제공하는 HBM이 있습니다. 미세화의 핵심 과제는 셀이 작아져도 데이터를 읽을 수 있을 만큼의 전하를 커패시터에 확보하는 것입니다. 이를 위해 가늘고 높은 원통형 커패시터, 유전율이 높은(high-k) 절연막, 누설을 줄이는 매립 워드 라인 트랜지스터가 도입되어 왔습니다. 고밀도화에 따라 한 행을 반복해서 활성화하면 이웃 행의 데이터가 뒤집히는 Rowhammer 같은 신뢰성 문제도 생기고 있습니다.

도전해 보기: DRAM(다이내믹 RAM) 관련 문제

일반적인 DRAM의 1비트 메모리 셀 구성으로 올바른 것은?

A트랜지스터 1개와 커패시터 1개
B트랜지스터 6개
C플로팅 게이트를 가진 트랜지스터 1개

정답과 해설 보기

정답: A. 트랜지스터 1개와 커패시터 1개

DRAM 셀은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개(1T1C)로 이루어지며, 커패시터의 전하 유무로 1비트를 저장합니다. 커패시터는 약 10 fF 정도로 매우 작아, 불과 수만 개 전자의 차이로 0과 1을 구분합니다. 소자 수가 적어 셀 면적이 약 6F²로 작고 대용량화에 적합합니다. 트랜지스터 6개는 SRAM, 플로팅 게이트 트랜지스터는 플래시 메모리의 셀 구성입니다.

DRAM에서 주기적인 리프레시 동작이 필요한 이유로 올바른 것은?

A읽기 속도를 높이기 위해
B쓰기 횟수에 상한이 있기 때문에
C커패시터에 저장된 전하가 누설 전류로 인해 서서히 사라지기 때문에

정답과 해설 보기

정답: C. 커패시터에 저장된 전하가 누설 전류로 인해 서서히 사라지기 때문에

커패시터의 전하는 셀 트랜지스터의 서브스레숄드 누설과 접합 누설로 조금씩 사라집니다. 데이터를 판별할 수 없게 되기 전에 읽어서 다시 쓰는 것이 리프레시이며, DDR4까지의 규격에서는 64 ms 이내, DDR5에서는 32 ms 이내에 모든 행을 한 바퀴 돕니다. 리프레시 중에는 해당 뱅크에 접근할 수 없고 전력도 소비하므로 용량이 커질수록 부담이 커집니다. 쓰기 횟수 상한은 플래시 메모리의 특징입니다.

자주 묻는 질문

DRAM은 무엇의 약자인가요?

dynamic random-access memory의 약자입니다. 저장한 전하가 시간이 지나면 사라져 주기적인 리프레시가 필요하므로 다이내믹이라고 부르며, 전원이 들어와 있는 동안 리프레시 없이 데이터를 유지하는 SRAM(static RAM)과 대비됩니다.

DRAM과 SRAM은 무엇이 다른가요?

DRAM은 작은 1T1C 셀을 사용하므로 대용량·저비용으로 만들 수 있지만, 리프레시가 필요하고 접근에 수십 ns가 걸립니다. SRAM은 트랜지스터 6개로 된 셀로 리프레시가 필요 없고 빠르지만 면적을 많이 차지합니다. 그래서 메인 메모리에는 DRAM, CPU의 캐시에는 SRAM이 사용됩니다.

DRAM은 전원을 끄면 데이터가 사라지나요?

사라집니다. DRAM은 휘발성이어서 전원이 끊기면 리프레시가 멈추고 전하가 새어 나갑니다. 다만 칩을 냉각하면 데이터가 수 초에서 수 분 동안 남는 경우가 있으며, 콜드 부트 공격은 이를 이용해 메모리에서 암호 키를 읽어 냅니다.

해설 속 DRAM(다이내믹 RAM)

DRAM 셀은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개(1T1C)로 이루어지며, 커패시터의 전하 유무로 1비트를 저장합니다.
일반적인 DRAM의 1비트 메모리 셀 구성으로 올바른 것은?
셀을 작게 만들어도 약 10 fF 정도의 용량을 확보하기 위해 DRAM은 커패시터를 입체화해 왔습니다.
DRAM 셀에서 커패시터 용량을 확보하기 위해 사용되어 온 입체 구조의 조합으로 올바른 것은?
DRAM은 전하로 정보를 저장하며, 전원을 끄면 전하가 유지되지 못해 데이터가 사라지는 휘발성 메모리입니다.
DRAM의 성질로 올바른 것은?
그래서 DDR 규격에서는 85 ℃를 넘는 범위에서 리프레시 간격을 절반으로 하며, DRAM의 온도 센서 값에 따라 리프레시 빈도를 바꾸는 방식도 있습니다.
온도가 올라가면 DRAM 셀이 데이터를 유지할 수 있는 시간은 일반적으로 어떻게 되는가?
DRAM은 1T1C의 작은 셀(약 6F²)로, 6T SRAM(약 120~150F²)보다 20배 안팎 고밀도로 만들 수 있어 비트당 비용이 낮아집니다.
SRAM과 비교했을 때 DRAM의 특징으로 올바른 것은?