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멀티 레벨 셀

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셀 유형당 가능한 모든 비트 조합이 표시된 SLC, MLC, TLC, QLC, PLC
메모리 셀 간의 차이점 비교

전자 공학에서 멀티 레벨 셀(Multi-level Cell, MLC)은 단일 비트의 정보만 저장할 수 있는 싱글 레벨 셀(Single Level Cell, SLC)과 비교하여, 하나 이상의 비트 정보를 저장할 수 있는 메모리 셀이다. 메모리 셀은 일반적으로 단일 플로팅 게이트 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)으로 구성되므로, 멀티 레벨 셀은 싱글 레벨 셀과 동일한 양의 데이터를 저장하는 데 필요한 MOSFET의 수를 줄여준다.

트리플 레벨 셀(Triple Level Cell, TLC)과 쿼드 레벨 셀(Quad Level Cell, QLC)은 MLC 메모리의 변형으로, 각각 셀당 3비트와 4비트를 저장할 수 있다. "멀티 레벨 셀"이라는 명칭은 때때로 "2레벨 셀"을 구체적으로 지칭하는 데 사용되기도 한다. 전체적으로 메모리는 다음과 같이 명명된다:

  1. 싱글 레벨 셀 또는 SLC (셀당 1비트)
  2. 멀티 레벨 셀 또는 MLC (셀당 2비트), 또는 더블 레벨 셀(DLC)
  3. 트리플 레벨 셀 또는 TLC (셀당 3비트) 또는 3비트 MLC
  4. 쿼드 레벨 셀 또는 QLC (셀당 4비트)
  5. 펜타 레벨 셀 또는 PLC (셀당 5비트) – 현재 개발 중[1]

이 명칭은 혼동을 줄 수 있는데, "n레벨 셀"은 실제로는 n비트를 저장하기 위해 2n개의 전하 단계를 사용하기 때문이다(아래 참조).

일반적으로 "레벨" 수가 증가함에 따라 성능(속도 및 신뢰성)과 소비자 가격은 낮아지지만, 이러한 상관관계는 제조사에 따라 다를 수 있다.

MLC 메모리의 예로는 MLC NAND 플래시, MLC PCM(상변화 메모리) 등이 있다. 예를 들어, SLC NAND 플래시 기술에서 각 셀은 두 가지 상태 중 하나로 존재하여 셀당 1비트의 정보를 저장할 수 있다. 대부분의 MLC NAND 플래시 메모리는 셀당 네 가지 가능한 상태를 가지므로 셀당 2비트의 정보를 저장할 수 있다. 이는 상태를 구분하는 마진의 양을 줄여 오류 발생 가능성을 높인다. 낮은 오류율을 위해 설계된 멀티 레벨 셀은 때때로 엔터프라이즈 MLC(eMLC)라고 불린다.

멀티 레벨 셀 및 3D 플래시와 같은 신기술과 생산량 증가는 계속해서 가격을 낮추고 있다.[2]

싱글 레벨 셀

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플래시 메모리는 플로팅 게이트 MOSFET 트랜지스터로 만들어진 개별 메모리 셀에 데이터를 저장한다. 전통적으로 각 셀은 두 가지 가능한 상태(각각 하나의 전압 레벨)를 가졌으며, 각 상태는 1 또는 0을 나타내어 소위 싱글 레벨 셀 또는 SLC 플래시 메모리라고 불리는 각 셀에 1비트의 데이터가 저장되었다. SLC 메모리는 쓰기 속도가 빠르고 전력 소비가 적으며 셀 수명이 길다는 장점이 있다. 그러나 SLC 메모리는 MLC 메모리보다 셀당 저장 데이터가 적기 때문에 제조 시 메가바이트당 비용이 더 많이 든다. 높은 전송 속도와 기대 수명이 길기 때문에 SLC 플래시 기술은 고성능 메모리 카드에 사용된다. 2016년 2월, 실제 사용에서 SLC와 MLC의 신뢰성 차이가 거의 없음을 보여주는 연구가 발표되었다.[3]

싱글 레벨 셀(SLC) 플래시 메모리는 약 50,000에서 100,000회의 프로그램/삭제 주기의 수명을 가질 수 있다.[4]

싱글 레벨 셀은 거의 비었을 때 1을 나타내고 거의 찼을 때 0을 나타낸다. 두 가능한 상태 사이에는 셀에 저장된 데이터를 정확하게 읽을 수 없는 불확실한 영역(읽기 마진)이 존재한다.[5]

멀티 레벨 셀

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MLC 플래시 메모리의 주요 이점은 높은 데이터 밀도로 인한 저장 단위당 낮은 비용이며, 메모리 판독 소프트웨어는 더 큰 비트 오류율을 보완할 수 있다.[6] 높은 오류율은 여러 비트 오류를 수정할 수 있는 에러 정정 코드(ECC)를 필요로 한다. 예를 들어, 샌드포스 SF-2500 플래시 컨트롤러는 512바이트 섹터당 최대 55비트를 수정할 수 있으며, 복구 불가능한 읽기 오류율은 1017비트 읽기당 1섹터 미만이다.[7] 가장 일반적으로 사용되는 알고리즘은 BCH 부호(Bose–Chaudhuri–Hocquenghem)이다.[8] MLC NAND의 다른 단점은 SLC 플래시 메모리에 비해 낮은 쓰기 속도, 적은 프로그램/삭제 주기 횟수 및 높은 전력 소비이다.

오류 해결을 돕기 위해 두 번째 임계값 전압에서 동일한 데이터를 읽어야 하므로 MLC NAND의 읽기 속도도 SLC보다 느릴 수 있다. TLC 및 QLC 장치는 ECC로 수정 가능한 값을 얻기 위해 각각 동일한 데이터를 최대 4회 및 8회까지 읽어야 할 수도 있다.[9]

MLC 플래시는 약 1,000에서 10,000회의 프로그램/삭제 주기 수명을 가질 수 있다. 이는 일반적으로 플래시 장치의 유용한 수명을 연장하기 위해 웨어 레벨링을 사용하는 등 플래시 메모리의 한계에 맞춰 설계된 플래시 파일 시스템의 사용을 필요로 한다.

인텔 8087은 마이크로코드 ROM을 위해 셀당 2비트 기술을 사용했으며,[10] 1980년에 멀티 레벨 ROM 셀을 사용한 시장 최초의 장치 중 하나였다.[11][12] 인텔은 이후 1997년에 2비트 멀티 레벨 셀(MLC) NOR 플래시를 시연했다.[13] NEC는 1996년에 셀당 2비트를 저장하는 64 Mbit 플래시 메모리 칩으로 쿼드 레벨 셀을 시연했다. 1997년에 NEC는 4 Gbit 용량의 쿼드 레벨 셀을 갖춘 동적 램(DRAM) 칩을 시연했다. ST마이크로일렉트로닉스 또한 2000년에 64 Mbit NOR 플래시 메모리 칩으로 쿼드 레벨 셀을 시연했다.[14]

MLC는 4개의 전하 값 또는 레벨을 사용하여 셀당 2비트를 저장하는 셀을 지칭하는 데 사용된다. 2비트 MLC는 다음과 같이 가능한 모든 1과 0의 조합에 단일 전하 레벨이 할당된다: 약 25%가 찼을 때 셀은 이진 값 11을 나타내고, 50%에 가까울 때 01, 75%에 가까울 때 00, 100%에 가까울 때 10을 나타낸다. 여기서도 값들 사이에 셀에 저장된 데이터를 정확하게 읽을 수 없는 불확실한 영역(읽기 마진)이 존재한다.[15][5]

2013년 기준 일부 솔리드 스테이트 드라이브는 MLC NAND 다이의 일부를 마치 단일 비트 SLC NAND인 것처럼 사용하여 더 높은 쓰기 속도를 제공한다.[16][17][18]

2018년 기준 거의 모든 상업용 MLC는 평면 기반(즉, 셀이 실리콘 표면에 구축됨)이며 따라서 스케일링 제한의 영향을 받는다. 이 잠재적인 문제를 해결하기 위해 업계는 이미 오늘날의 한계를 넘어 저장 밀도 증가를 보장할 수 있는 기술을 모색하고 있다. 가장 유망한 것 중 하나는 셀을 수직으로 쌓아 평면 스케일링의 한계를 피하는 3D 플래시이다.[19]

과거에 일부 메모리 장치는 더 낮은 비트 오류율을 제공하기 위해 비트당 두 개의 셀을 사용하는 반대 방향의 방식을 취하기도 했다.[20]

엔터프라이즈 MLC(eMLC)는 상업적 용도에 최적화된 MLC의 더 비싼 변형이다. 일반 MLC보다 수명이 길고 신뢰성이 높으면서 전통적인 SLC 드라이브보다 비용 절감 효과를 제공한다고 주장한다. 많은 SSD 제조업체가 엔터프라이즈용 MLC 드라이브를 생산했지만, 마이크론만이 이 명칭으로 가공되지 않은 NAND 플래시 칩을 판매한다.[21]

트리플 레벨 셀

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2TB 3D NAND SSD 이미지
트리플 레벨 셀 저장 장치

트리플 레벨 셀(TLC)은 셀당 3비트의 정보를 저장하는 NAND 플래시 메모리의 한 유형이다. 도시바는 2009년에 트리플 레벨 셀을 갖춘 메모리를 도입했다.[22]

현재 기술로는 최대 3,000회의 프로그램/삭제 주기 수명을 달성할 수 있다.[23]

삼성은 총 8개의 전압 상태(값 또는 레벨)를 사용하여 셀당 3비트의 정보를 저장하는 NAND 플래시 유형을 발표하고 "트리플 레벨 셀"("TLC")이라는 용어를 만들었다. 삼성전자는 2010년부터 이를 양산하기 시작했으며,[24] 삼성의 840 시리즈 SSD에서 처음 확인되었다.[25] 삼성은 이 기술을 3비트 MLC라고 부른다. MLC의 부정적인 측면은 TLC에서 증폭되지만, TLC는 여전히 더 높은 저장 밀도와 낮은 비용의 혜택을 받는다.[26]

2013년, 삼성은 128 Gbit의 메모리 용량을 가진 트리플 레벨 셀 기반의 V-NAND(Vertical NAND, 3D NAND라고도 함)를 도입했다.[27] 그들은 2015년에 TLC V-NAND 기술을 256 Gbit 메모리로,[24] 2017년에는 512 Gbit로 확장했다.[28]

엔터프라이즈 TLC(eTLC)는 상업적 용도에 최적화된 TLC의 더 비싼 변형이다.

쿼드 레벨 셀

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"Samsung Solid State Drive"라는 문구가 적힌 회색 SSD
삼성 870 QVO: 8 TB 저장 용량을 가진 QLC SSD

셀당 4비트를 저장하는 메모리는 TLC에서 설정된 관례에 따라 일반적으로 쿼드 레벨 셀(QLC)이라고 불린다. QLC가 발명되기 전에는 "QLC"라는 용어가 4개의 전압 상태를 가질 수 있는 셀, 즉 현재는 DLC라고 명확하게 불리는 셀당 2비트를 저장하는 셀을 지칭하는 MLC와 동의어로 사용되기도 했다.

더 높은 레벨의 플래시를 위해 기하급수적으로 증가하는 전압 단계 수로 인해 QLC의 수명은 최대 1,000회의 프로그램/삭제 주기로 더욱 단축된다.[23]

2009년, 도시바와 샌디스크는 셀당 4비트를 저장하고 64 Gbit 용량을 가진 쿼드 레벨 셀 기반 NAND 플래시 메모리 칩을 도입했다.[22][29]

2009년에 도입된 샌디스크 X4 플래시 메모리 카드는 각 개별 트랜지스터에서 16개의 이산 전하 레벨(상태)을 사용하는, 일반적으로 쿼드 레벨 셀(QLC)로 불리는 셀당 4비트 저장 NAND 메모리를 기반으로 한 최초의 제품 중 하나였다. 이 메모리 카드에 사용된 QLC 칩은 도시바, 샌디스크 및 SK하이닉스에 의해 제조되었다.[30][31]

2017년, 도시바는 최대 768 Gbit의 저장 용량을 가진 쿼드 레벨 셀 기반 V-NAND 메모리 칩을 도입했다.[32] 2018년, ADATA, 인텔, 마이크론 및 삼성전자는 QLC NAND 메모리를 사용하는 일부 SSD 제품을 출시했다.[33][34][35][36]

2020년, 삼성은 고객을 위해 최대 8 TB의 저장 공간을 가진 QLC SSD를 출시했다. 이는 2020년 기준 소비자를 위한 가장 큰 저장 용량을 가진 SATA SSD이다.[37][38]

엔터프라이즈 QLC(eQLC)는 상업적 용도에 최적화된 QLC의 더 비싼 변형이다.

참고 자료

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같이 보기

[편집]

각주

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  1. ↑ “Solidigm Demonstrates World's First Penta-Level Cell SSD at Flash Memory Summit” (영어). 《Solidigm newsroom》. 2022년 8월 2일. 2023년 2월 11일에 확인함.
  2. ↑ “NAND Flash is Displacing Hard Disk Drives”. 2018년 5월 29일에 확인함.
  3. ↑ Bianca Schroeder; Arif Merchant (2016년 2월 22일). 《Flash Reliability in Production: The Expected and the Unexpected》. 《Conference on File and Storage Technologies》 (Usenix). ISBN 9781931971287. 2016년 11월 3일에 확인함.
  4. ↑ “Hyperstone Blog | NAND Flash is displacing hard disk drives” (영어). 《Hyperstone GmbH》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  5. 1 2 Shimpi, Anand Lal. “The Intel SSD 710 (200GB) Review”. 《www.anandtech.com》. 2011년 10월 1일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2023년 2월 11일에 확인함.
  6. ↑ Micron's MLC NAND Flash Webinar. 보관됨 2007-07-22 - 웨이백 머신.
  7. ↑ “SandForce® SF2600 and SF2500 Enterprise datasheet” (PDF). 《Seagate》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  8. ↑ EETimes (2013년 8월 27일). “A Tour of the Basics of Embedded NAND Flash Options”. 《EE Times》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  9. ↑ Peleato 외 (Sep 2015). 《Adaptive Read Thresholds for NAND Flash》. 《IEEE Transactions on Communications》 63. 3069–3081쪽. arXiv:2202.05661. doi:10.1109/TCOMM.2015.2453413. S2CID 14159361.
  10. ↑ “Two bits per transistor: high-density ROM in Intel's 8087 floating point chip”. 2022년 5월 18일에 확인함.
  11. ↑ "Four-state cell called density key" article by J. Robert Lineback. "Electronics" magazine. 1982 June 30.
  12. ↑ P. Glenn Gulak (2018년 5월 28일). 〈A Review of Multiple-Valued Memory Technology〉 (PDF). 《Proceedings. 1998 28th IEEE International Symposium on Multiple- Valued Logic (Cat. No.98CB36138)》. 222–231쪽. doi:10.1109/ISMVL.1998.679447. ISBN 978-0-8186-8371-8. S2CID 10931493. 2018년 5월 28일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2023년 2월 11일에 확인함 – web.archive.org 경유.
  13. ↑ “The Flash Memory Market” (PDF). 《Integrated Circuit Engineering Corporation》. Smithsonian Institution. 1997. 2019년 10월 16일에 확인함.
  14. ↑ “Memory”. 《STOL (Semiconductor Technology Online)》. 2023년 11월 2일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 6월 25일에 확인함.
  15. ↑ Pedro Hernandez (2018년 6월 29일). “SLC vs MLC vs TLC NAND Flash”. 《Enterprise Storage Forum》.
  16. ↑ Gasior, Geoff (2013년 7월 25일). “Samsung's 840 EVO solid-state drive reviewed” (미국 영어). 《The Tech Report》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  17. ↑ “New Samsung 840 EVO employs TLC and pseudo-SLC TurboWrite cache - PC Perspective” (미국 영어). 《pcper.com》. 2013년 7월 18일. 2023년 2월 11일에 확인함.
  18. ↑ Samsung. "Samsung Solid State Drive: TurboWrite Technology White Paper". 2013.
  19. ↑ “Hyperstone Blog | Solid State bit density and the Flash Memory Controller” (영어). 《Hyperstone GmbH》. 2018년 4월 17일. 2023년 2월 11일에 확인함.
  20. ↑ Prophet, Graham (2008년 10월 2일). “Automotive EEPROMs use two cells per bit for ruggedness, reliability” (미국 영어). 《EDN》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  21. ↑ “Enterprise MLC: Extended MLC Cycling Capabilities” (영어). 《www.micron.com》. 2023년 2월 1일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 11월 17일에 확인함.
  22. 1 2 “Toshiba Makes Major Advances in NAND Flash Memory with 3-bit-per-cell 32nm generation and with 4-bit-per-cell 43nm technology”. 《Toshiba》. 2009년 2월 11일. 2019년 6월 21일에 확인함.
  23. 1 2 “Difference between SLC, MLC, TLC and 3D NAND in USB flash drives, SSDs and Memory cards”. 《Kingston Technologies》. May 2021. 2024년 2월 8일에 확인함.
  24. 1 2 “History”. 《Samsung Electronics》. Samsung. 2019년 6월 19일에 확인함.
  25. ↑ “Samsung SSD 840 Series – 3BIT/MLC NAND Flash”. 2013년 4월 10일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2013년 4월 10일에 확인함.
  26. ↑ “Samsung SSD 840: Testing the Endurance of TLC NAND”. AnandTech. 2012년 11월 16일. 2014년 4월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 4월 5일에 확인함.
  27. ↑ “Samsung Mass Producing 128Gb 3-bit MLC NAND Flash”. 《Tom's Hardware》. 2013년 4월 11일. 2019년 6월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 6월 21일에 확인함.
  28. ↑ Shilov, Anton (2017년 12월 5일). “Samsung Starts Production of 512 GB UFS NAND Flash Memory: 64-Layer V-NAND, 860 MB/s Reads”. 《AnandTech》. 2017년 12월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 6월 23일에 확인함.
  29. ↑ “SanDisk ships world's first memory cards with 64 gigabit X4 NAND flash”. 《SlashGear》. 2009년 10월 13일. 2019년 6월 20일에 확인함.
  30. ↑ McGlaun, Shane (2009년 10월 13일). “SanDisk Ships World's First Memory Cards With 64 Gigabit X4 NAND Flash” (미국 영어). 《SlashGear》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  31. ↑ Choi, Young (2009년 5월 5일). “NAND Flash &#45 The New Era of 4 bit per cell and Beyond”. 《EE Times》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  32. ↑ “Toshiba Develops World's First 4-bit Per Cell QLC NAND Flash Memory”. 《TechPowerUp》. 2017년 6월 28일. 2019년 6월 20일에 확인함.
  33. ↑ Shilov, Anton. “ADATA Reveals Ultimate SU630 SSD: 3D QLC for SATA”. 《AnandTech.com》. 2018년 11월 16일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 5월 13일에 확인함.
  34. ↑ Tallis, Billy. “The Intel SSD 660p SSD Review: QLC NAND Arrives For Consumer SSDs”. 《www.anandtech.com》. 2018년 8월 7일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 5월 13일에 확인함.
  35. ↑ Tallis, Billy. “The Crucial P1 1TB SSD Review: The Other Consumer QLC SSD”. 《www.anandtech.com》. 2018년 11월 8일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 5월 13일에 확인함.
  36. ↑ Shilov, Anton. “Samsung Starts Mass Production of QLC V-NAND-Based SSDs”. 《AnandTech.com》. 2018년 8월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 5월 13일에 확인함.
  37. ↑ “Samsung 870 QVO SATA 2.5" SSD” (영어). 《Samsung Semiconductor Global》. 2023년 2월 11일에 확인함.
  38. ↑ “Samsung Electronics Debuts Industry-Leading 8TB Consumer SSD, the 870 QVO”. 《Samsung Newsroom》.

외부 링크

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