여러분은 반도체에 대해 얼마나 알고 계시나요? 컴퓨터에 들어가는 중요한 부품 정도로 알고 계시나요? 먼저, 반도체의 정의만 보자면 전기가 잘 흐르는 물질인 도체와 전기가 잘 흐르지 않는 부도체의 중간쯤 되는 물질을 말합니다. 그렇다면 반도체는 전기가 흐르는 걸까요, 안 흐르는 걸까요?
반도체는 ‘어떤 특정한 조건에서만’ 전기가 흐르는 물질입니다. 그 조건이란, 반도체의 온도가 높아지면 전기가 흐르고 반대로 온도가 내려가면 전기가 흐르지 않는 것인데요. 이러한 특별한 성질을 이용해 전자기기를 제어하거나 정보를 기억하는 장치를 만드는 것입니다.
| 메모리, 비메모리? 그게 무슨 차이야?
반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체 두 가지로 구분하는데요. 이 둘은 무슨 차이가 있을까요? 핵심은 정보를 ‘저장’하느냐 혹은 ‘처리’하느냐입니다. 메모리 반도체는 정보를 저장하고 기억하는 반도체, 비메모리 반도체는 연산과 추론 등 정보를 처리하는 반도체이죠. 그럼 메모리 반도체와 비메모리 반도체를 차례대로 알아볼까요?
| 메모리 반도체란?
메모리 반도체는 그 이름처럼 정보를 기억하는 역할을 합니다. 크게 램(RAM, Random Access Memory)과 롬(ROM, Read Only Memory) 두 가지로 나뉘는데요. 이렇게 나뉘는 이유는 이 둘이 정보를 기억하는 방식이 다르기 때문입니다. 아직 잘 모르시겠죠? 밑에서 자세히 설명드릴게요.
※ (좌) 램(RAM), (우) 롬(ROM)
1) 그래서 램(RAM)이 뭐에요?
예를 들어, 정보가 처리되는 공간을 우리의 방이라고 생각해 볼까요? 우리는 보통 책장에서 책을 꺼내 책상 앞에 앉아 읽습니다. 책상에 여러 개의 책을 쌓아놓고 읽기도 하고 또 치우기도 하겠죠. 여기서 책을 정보라고 한다면 책상 역할을 하는 것이 바로 램인데요. 이렇게 손만 뻗으면 자유롭게 정보를 읽고 또 지울 수 있어서 ‘Random Access Memory’라고 말하는 것이죠. 전원이 꺼지면 저장된 내용이 사라진다고 해서 휘발성 메모리로도 불립니다. 이러한 램은 정보 저장방식에 따라 다시 D램과 S램으로 나뉩니다.
■ DRAM (Dynamic Random Access Memory)
D램은 저장된 정보가 시간이 흐름에 따라 소멸되는 반도체입니다. 따라서 단시간 내에 주기억*으로 재충전시켜 주면 기억이 유지되기 때문에 컴퓨터의 기억소자*로 많이 쓰이는데요. 이렇듯 재충전하는 과정 때문에 ‘동적(Dynamic)’이란 이름이 붙었죠. 이러한 D램은 전체 메모리 반도체 시장의 53%를 차지하고 있는데요. 우리나라 반도체 기업들이 높은 점유율을 차지하고 있는 주력 분야 중 하나입니다. 용량이 크고 속도가 빠르기 때문에 컴퓨터의 메인 메모리, 그래픽 메모리, 스마트 TV 등에도 들어가고 스마트폰 및 태블릿 PC 등에도 모바일용 D램이 많이 사용되고 있죠.
*주기억: 컴퓨터 체계의 중앙처리 장치로서, 프로그램 실행동안 자료나 프로그램 설명에 빠른 속도로
접근하도록 해준다. 마이크로 컴퓨터 산업에서 램은 주메모리 혹은 핵심 메모리를 위해 사용되는 용어이다.
*기억소자: 컴퓨터의 연산회로 등에서 정보를 기억시켜 놓는 데 사용되는 소자
출처: 연합뉴스, 2020.08.20
■ SRAM (Static Random Access Memory)
S램은 전원을 공급하는 한 데이터를 유지하는 반도체입니다. D램과 달리 전원이 켜져 있는 동안에는 기록된 데이터가 지워지지 않기 때문에 ‘정적(Static)’이란 이름이 붙었죠. 게다가 데이터 처리속도가 매우 빠릅니다. 하지만 회로가 복잡하여 집적도*가 낮고, 값이 비싸다 보니 대용량으로 만들기는 어렵다는 단점이 있는데요. 때문에 그래픽카드 등 주로 소용량의 메모리로 사용됩니다.
*집적도: 1개의 반도체 칩에 구성되어 있는 소자의 수.
2) 그럼 롬(ROM)은 뭐죠?
앞서 책상을 램, 책을 정보에 비유했는데요. 우리가 자주 쓰지 않거나 책상에 올려두기 무거운 책들은 책장을 활용하죠? 책장은 책들을 넣어두고, 따로 정리하지 않는 이상 잘 치우지 않죠. 이렇듯 정보를 넣어두는 이 책장과 같은 메모리는 ‘Read Only Memory’, 롬이라고 합니다. 따로 지우지 않는 이상, 전력이 공급되지 않아도 정보가 사라지지 않는 특징을 가지기 때문에 비휘발성 메모리로도 불리죠.
대표적으로 컴퓨터 시스템의 기본 입출력 작업을 담당하는 입출력 시스템*이나 은행 ATM 기기를 이용할 때 사용되는 IC 카드* 등에 쓰입니다. 롬 안에서도 다양한 메모리가 있는데요. 그중 주목해야 될 것은 플래시 메모리입니다.
*입출력 시스템: 입출력 장치를 제어하는 프로그램으로, 보통 롬에 저장된다.
*IC 카드: Integrated Circuit Card의 줄임말로, 현금카드 등에 반도체 메모리 기억소자인 IC 메모리를
장착하여 대용량의 정보를 담을 수 있는 전자식 카드를 말한다.
■ 플래시 메모리(Flash Memory)
플래시 메모리는 전원을 끄면 저장된 정보가 사라지는 D램이나 S램과는 달리 전원이 꺼져도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성 메모리입니다. 데이터를 영구적으로 보존하는 롬(ROM)의 장점과 데이터를 고속으로 쓰고 지울 수 있는 램(RAM)의 장점을 모두 가졌다는 특징이 있죠. 주로 스마트폰, PC의 기억보조장치로 활용되며 사물인터넷(IoT), 빅데이터, AI의 발전과 함께 수요가 계속 늘어나고 있습니다. 또한 전력 소모가 적고 충격, 압력, 온도에 대한 내구성도 강해서 SSD(Solid State Drive, 반도체 기반 보조기억장치)에도 사용되죠.
플래시 메모리 안에서도 칩 내부의 회로 형태에 따라 NOR*과 NAND*로 구분되는데요. 이 중 기억해 둘 것은 바로 NAND(낸드, Nand Flash Memory)입니다. 낸드는 전원이 꺼지면 저장된 자료가 사라지는 D램이나 S램과 달리 전원이 없는 상태에서도 데이터가 계속 저장되는 플래시메모리를 말하는데요. 이런 특징 때문에 비휘발성 메모리라고 부르며 USB와 SSD로 사용되고 있습니다. 또한 메모리 반도체 시장의 43%를 차지하고 있죠.
*NOR (노어, Not OR): 데이터 저장 단위인 셀이 병렬로 배치돼 있는 코드 저장형 플래시메모리.
*NAND (낸드, Not AND): 데이터 저장 단위인 셀이 셀이 직렬로 배치된 데이터 저장형 플래시메모리.
출처: 서울경제, 2021.05.21
| 비메모리 반도체(=시스템반도체, System LSI*)란?
앞서 램을 설명드릴 때, 우리는 책장(롬)에서 책(정보)을 꺼내 책상(램) 앞에 앉아 읽는다고 예를 들었는데요. 그렇다면 책을 읽는 사람의 역할은 무엇일까요? 이 역할이 바로 비메모리 반도체입니다. 즉, 정보를 저장하는 용도로 사용되는 메모리 반도체와는 달리, 정보처리를 목적으로 제작된 반도체를 말합니다. ‘시스템 반도체’라고도 불리죠. 비메모리 반도체는 주로 전자제품의 두뇌 역할을 하는 칩으로 많이 사용되어 각종 전자기기에 필수적으로 들어가는데요.
모바일 기기의 중앙처리장치인 AP, 컴퓨터의 중앙 처리장치인 CPU, 디지털 신호를 처리하는 DSP, LED, 배터리의 전력을 효율적으로 배분하는 전력관리 칩 PMIC, 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 바꿔 주는 CMOS 이미지센서(CIS), 디스플레이 드라이버IC(DDI), 통신, 각종 센서 등 다양한 전자제품에서 핵심 역할을 담당하고 있기 때문에 회로가 복잡하고 종류가 매우 많습니다.
비메모리 반도체 시장은 전 세계 반도체 시장에서 70% 이상을 차지하고 있고, 우리나라 정부 또한 3대 육성 산업으로 비메모리 산업을 선정하기도 했을 만큼 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.
*LSI: 대규모 집적회로 또는 고밀도 집적회로.
반도체에 대한 이해에 도움이 조금 되셨나요? 반도체가 무엇인지 알았다면 이러한 반도체를 만드는 기업에 대해서도 많이 궁금하실 텐데요. 다음 시간에는 반도체 파헤치기 2편. 반도체 기업의 종류와 역할에 대해서 자세히 알아보겠습니다. 많은 기대 부탁드립니다.
