3D 낸드란 무엇이며 어떻게 작동할까요?

3D 낸드란?

3D 낸드는 수직형 낸드(V-NAND)라고도 합니다. 트랜지스터 다이의 플래시 메모리 셀을 수직으로 쌓아 저장 집적를 높인 비휘발성 플래시 메모리의 일종입니다. 데이터 무결성을 크게 손상시키지 않고 단일 트랜지스터 다이에 더 많은 셀 레이어를 쌓을수록 스토리지 집적도가 높아집니다.

3D 낸드는 어떻게 작동할까요?

일반적인 플래시 메모리 칩은 전기 회로 내에 전압 상태로 데이터를 저장하는 방식으로 작동합니다. 3D 낸드의 작동 원리를 이해하려면 먼저 낸드 셀의 내부 작동 원리를 이해하는 것이 중요합니다.

낸드는 무엇을 의미할까요?

낸드(NAND)는 "NOT AND"의 약자로, 낸드 셀의 내부 회로를 제어하는 부울(Boolean) 연산자 또는 논리 게이트를 의미합니다. 낸드 연산자는 두 입력이 모두 TRUE인 경우에만 FALSE 값을 생성합니다.

플래시 메모리 작동의 기본 사항

가장 기본적인 낸드 셀은 두 개의 게이트로 구성된 트랜지스터입니다:

• 제어 게이트는 나머지 회로에 전기적으로 연결되어 셀을 프로그래밍할 수 있습니다.
• 플로팅 게이트는 회로와 전기적으로 절연돼 있어 전원 없이도 충전할 수 있습니다.

플로팅 게이트는 두 개의 절연 레이어 사이에 끼워져 있으며, 제어 게이트는 상단에, 채널은 하단에 소스 및 드레인을 연결합니다.

낸드 셀을 프로그래밍하려면 제어 게이트에 전압을 인가하여 채널의 전자가 첫 번째 절연 층의 임계 전압을 극복하고 플로팅 게이트로 터널링할 수 있게 해야 합니다. 플로팅 게이트가 충전되면 데이터가 저장되고 셀의 이진 값이 0으로 설정됩니다.

셀을 지우려면 소스 및 드레인에 고전압을 인가하여 제어 게이트에서 음의 전압을 유도해야 합니다. 이렇게 하면 플로팅 게이트에 갇힌 전자가 하단 절연 층을 가로질러 채널로 다시 터널링되어 셀을 효과적으로 지우고 이진 값을 1로 설정할 수 있습니다.

낸드 셀을 수직으로 쌓는 이유는 무엇인가요?

셀 크기가 작아지면 단일 트랜지스터 평면에서 셀 사이의 거리도 줄어듭니다. 플래시 메모리가 단일 트랜지스터 셀 내에 전압 상태를 저장해 작동한다는 점을 고려할 때 이것은 특히 문제가 될 수 있습니다. 전자가 셀 밖으로 새어 나가는 것은 영구적인 메모리 저장에 좋지 않습니다. 낸드 셀을 수직으로 쌓아 층을 이루면 여러 가지 이점이 있는데, 특히 인접 셀과의 간섭을 피하기 위해 트랜지스터 셀 간격을 띄울 수 있다는 점이 가장 큰 장점입니다. 이는 셀의 안정성과 수명을 개선합니다.

플래시의 진화 과정에서 3D 낸드는 어디에 적합할까요?

3D 낸드 기술은 셀을 더 작게 만드는 물리적 한계에도 불구하고 업계가 무어의 법칙에 발맞추는 데 중요한 역할을 해왔습니다. 기술 발전 과정에 대한 간략한 개요는 다음과 같습니다:

• SLC(싱글 레벨 셀) 플래시: 셀당 1비트, 2가지의 전압 상태
• MLC(멀티 레벨 셀) 플래시: 셀당 2비트, 4가지의 전압상태
• TLC(트리플 레벨 셀) 플래시: 셀당 3비트, 8가지의 전압 상태
• QLC(쿼드 레벨 셀) 플래시: 셀당 4비트, 16가지의 전압 상태

이후 세대를 거듭할 때마다 가능한 전압 상태의 수를 두 배로 늘려 셀당 비트 수를 늘립니다. 아시다시피, 단일 셀에서 여러 전압 상태를 처리해야 하는 복잡성 때문에 전기적 정밀도가 높아져야 하며, 이는 곧 낸드 디바이스의 성능과 수명의 저하로 이어질 수 있습니다.

일반적으로 SLC가 가장 빠르고 안정적인 반면, QLC는 가장 큰 용량을 제공할 수 있습니다. 하지만 성능과 내구성 사이의 이러한 균형은 상대적이라는 점을 유의해야 합니다. 플래시는 여전히 HDD보다 성능이 훨씬 뛰어나며, 기술이 발전하면서 상위 레벨 셀의 안정성도 향상되고 있습니다. 이제는 TLC 낸드의 내구성 한계에 대한 우려가 해결되어 오늘날 데이터센터는 최신 TLC 낸드의 고성능, 안정성 및 속도를 누릴 수 있게 되었습니다.

3D 낸드의 이점은 무엇일까요?

3D 낸드 셀의 작동 원리에 대한 기본 사항을 살펴봤습니다. 이제 3D 낸드가 제공하는 장점에 대해 알아보겠습니다. 3D 낸드를 사용하면 다음이 가능합니다:

• 단일 칩에 더 많은 플래시 메모리 셀을 장착해 용량을 늘릴 수 있습니다.
• 치수를 자유롭게 활용해 셀을 최적으로 배치하여 간섭과 전자 누출을 방지하고 셀의 신뢰성을 높일 수 있습니다.
• 개별 셀당 더 많은 전압 상태, 즉 비트를 저장하여 더 큰 용량을 확보할 수 있습니다.

3D 낸드의 단점은 무엇인가요?

앞서 언급했듯이 이러한 모든 전압 상태를 관리하는 것은 쉽지 않습니다. 셀당 더 많은 비트를 담을수록, 읽기/쓰기 작업을 안정적으로 수행하는데 필요한 전기적 정밀도가 높아집니다.

이러한 현실로 인해 다음과 같은 단점이 있습니다:

• 제조 비용 증가
• 용량과 셀의 안정성 및 수명 간 균형

3D 낸드 SSD는 얼마나 안정적일까요?

2D 낸드와 비교할 때 3D 낸드는 성능, 속도, 전력 소비, 내구성 및 비용 효율성이 더 뛰어납니다. 반면, MLC 구성에서 2D 낸드의 적층 레이어를 사용하는 아키텍처가 존재한다는 점을 유의해야 합니다. 이러한 시스템은 3D 낸드 아키텍처와 경쟁할 수 있습니다. 그렇기 때문에 구성 요소만을 기준으로 포괄적인 가정을 하기보다는 사례별로 전체 스토리지 시스템의 안정성을 살펴보는 것이 중요합니다.

퓨어스토리지가 3D 낸드를 활용해 고객의 요구 사항에 맞는 맞춤형 솔루션을 제공하는 방법

올플래시 스토리지 솔루션의 선구자인 퓨어스토리지는 3D 낸드 기술을 기반으로 다양한 애플리케이션에서 기존의 회전식 디스크 드라이브 비용과 경쟁할 수 있는 강력한 올플래시 스토리지 어레이를 개발해왔습니다. 이에 해당하는 제품들은 다음과 같습니다:

• 플래시어레이//X(FlashArray//X): 티어 0 및 티어 1 애플리케이션을 위한 고성능 블록 스토리지를 제공하기 위해 TLC 낸드를 활용하는 올플래시 스토리지 영역 네트워크.
• 플래시어레이//C(FlashArray//C): QLC 플래시를 활용하여 하이브리드 및 HDD 스토리지 어레이와 비슷한 용량당 비용으로 올플래시 성능을 제공하는 용량 최적화(capacity-optimized) 올플래시 스토리지 솔루션.
• 플래시블레이드(FlashBlade®): 초고속 통합 파일 및 오브젝트(UFFO) 스토리지를 제공하는 스케일-아웃 올플래시 스토리지 솔루션.

3D 낸드 스토리지의 방대한 병렬 처리와 빠른 속도로 데이터 스토리지를 가속화할 준비가 되셨나요? 퓨어스토리지 제품 및 솔루션이 데이터센터의 요구사항을 어떻게 충족하는지 알아보세요.