DRAM의 동작 원리에 대해

DRAM은 컴퓨터 및 전자 장치에 사용되는 휘발성 메모리 유형으로, 정적 RAM (SRAM)과 달리 데이터를 유지하려면 끊임없는 Refresh가 필요하기 때문에 "동적"이라고합니다. 오늘은 DRAM 동작 원리에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

1. DRAM의 기본 구조

DRAM은 메모리 셀로 구성되며, 각 셀은 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

 

Capacitor

Bit 단위의 데이터(1 또는 0)를 저장합니다. Capacitor는 1(충전됨) 또는 0(방전됨)을 나타내는 전하를 유지합니다.

 

Transistor

Capacitor에 대한 액세스를 제어하는 ​​스위치 역할을 합니다. Transistor는 Capacitor에 데이터를 읽거나 쓰는 데 사용됩니다. 각 메모리 셀은 행과 열의 매트릭스로 배열되어 그리드를 형성합니다. 이 행과 열의 교차점은 개별 메모리 셀을 형성합니다.

 

2. 데이터 저장 및 표현

Capacitor의 충전

충전된 Capacitor 는 이진수 1을 나타내고 방전된 Capacitor 는 이진수 0을 나타냅니다. 이러한 전하는 매우 작기 때문에 시간이 지남에 따라 Capacitor 에서 전하가 누출되므로 저장된 데이터를 주기적으로 새로 고쳐야 합니다.

 

휘발성

DRAM은 휘발성입니다. 즉, 전원이 꺼지면 데이터도 손실됩니다. 충전 리프레싱에 대한 지속적인 요구는 DRAM에 특징적인 변동성을 부여합니다.

 

3 . Read and Wirte 동작

Write Operation

데이터를 저장하려면 워드 라인 (행을 선택하는)과 비트 라인 (열을 선택하는)에 전압이 적용됩니다. 메모리 셀 내의 트랜지스터는 커패시터를 비트 라인에 연결합니다. 저장 될 데이터에 따라 비트 라인이 충전되거나 배출되면, 커패시터는 원하는 1 또는 0을 반영하여 충전을 얻거나 잃게됩니다.

 

Read Operation

데이터를 읽을 때 단어 선이 활성화되어 트랜지스터를 켭니다. 이것은 커패시터를 비트 라인에 연결합니다. 그런 다음 커패시터로부터의 전하는 비트 라인으로 흐르고, 충전이 존재하는지 (1) 또는 없는지를 감지하기 위해 감지되고 증폭된다 (0). 그러나 셀을 읽으면 커패시터의 전하가 손실되므로 읽은 후에는 새로 고침해야합니다.

 

4. Refreshing 과정

커패시터가 시간이 지남에 따라 누출되므로 저장된 데이터는 결국 저하되어 손실됩니다. 이를 방지하려면 DRAM을 주기적으로 새로 고치려면됩니다. Refresh 주기에는 각 메모리 셀의 데이터를 읽고 충전을 복원하기 위해 동일한 셀에 다시 작성하는 것이 포함됩니다. 일반적으로 DRAM은 몇 밀리 초마다 Refresh 해야합니다.

이 Refresh 작업은 DRAM과 SRAM(정적 RAM)의 주요 차이점 중 하나입니다. SRAM은 전원이 공급되는 동안 새로 고칠 필요 없이 데이터를 보관할 수 있는 반면, DRAM은 데이터 무결성을 유지하기 위해 지속적으로 Refresh 해야합니다.

 

5. 타이밍 및 제어 신호

DRAM은 다음을 포함하여 다양한 신호에 의해 제어됩니다.

 

RAS(행 주소 스트로브)

이 신호는 셀 행을 활성화하여 해당 행의 데이터에 액세스할 수 있도록 합니다.

 

CAS(열 주소 스트로브)

행이 활성화된 후 이 신호는 데이터 액세스를 위해 행 내의 열을 선택합니다.

 

Read/Write

이 신호는 데이터가 메모리에 쓰이거나 메모리에서 읽혀지는지를 결정합니다.

 

Precharge

이 신호는 다음 읽기 또는 쓰기 작업을 위해 비트 라인을 준비합니다. 이러한 신호는 함께 작동하여 DRAM의 작업 타이밍과 순서를 관리합니다.

 

6. 성능과 속도

DRAM은 SRAM보다 속도가 느리지만 고밀도 메모리 애플리케이션에 더 비용 효율적입니다. DRAM의 속도는 행과 열 선택의 대기 시간, 새로 고침 주기, 액세스 시간 등 여러 요소에 의해 결정됩니다. 최신 DRAM 칩은 나노초 단위로 데이터에 액세스할 수 있지만 새로 고침이 필요하고 설계의 물리적 한계로 인해 DRAM은 SRAM보다 여전히 느립니다. 이것이 바로 SRAM이 일반적으로 CPU 캐시에 사용되는 이유입니다.

 

7. DRAM의 종류

다음을 포함하여 다양한 유형의 DRAM이 있습니다.

 

SDRAM (동기 DRAM)

이 유형의 DRAM은 시스템 클록과 동기화되어 CPU와 조화를 이루고 성능을 향상시킬 수 있습니다.

 

DDR (Double Data Rate) SDRAM

클록 사이클의 상승 및 하락 에지에 대한 데이터를 전송하여 일반 SDRAM에 비해 데이터 전송 속도를 효과적으로 두 배로 늘리는 고급 버전의 SDRAM입니다.

 

LPDDR (저전력 DDR)

이것은 모바일 장치 용으로 설계되었으며 전력 소비를 줄이기 위해 낮은 전압으로 작동합니다.

 

8. 전력 소비

DRAM은 플래시와 같은 비휘발성 메모리보다 전력을 더 많이 소비하지만 SRAM보다는 전력을 덜 소비합니다. 전력 소비는 새로 고침 빈도, 메모리 셀 활동(읽기 및 쓰기)과 같은 요인의 영향을 받습니다. 고급 DRAM 기술은 리프레시 메커니즘을 개선하고 고주파수 작동의 필요성을 줄여 전력 소비를 줄이는 것을 목표로 합니다.

 

9 . DRAM의 장점과 단점

장점

-고밀도: DRAM은 메모리 셀이 매우 간단하기 때문에 작은 공간에 많은 양의 데이터를 저장할 수 있습니다 (커패시터와 트랜지스터).

-저렴한 비용 : DRAM은 더 간단한 디자인과 더 작은 셀 크기로 인해 SRAM보다 생산하기에 저렴합니다.

-빠른 데이터 액세스: 빠른 새로 고침 요금 및 적절한 설계와 함께 사용하면 DRAM은 대량의 데이터에 빠르게 액세스 할 수 있습니다.

 

단점

-휘발성: DRAM은 휘발성입니다. 즉, 전원이 꺼지면 데이터가 손실됩니다.

-Refresh 오버헤드: 주기적인 새로 고침이 필요하므로 시간과 전력이 소모됩니다.

-SRAM보다 느림: DRAM은 SRAM에 비해 느리므로 CPU 캐시와 같은 고속 작업에는 적합하지 않습니다.

 

오늘 학습한 내용을 요약하면, DRAM은 데이터를 저장하기 위해 커패시터와 트랜지스터로 동작하는 메모리 유형입니다. DRAM의 작동은 전하의 저장과 주기적인 Refresh에 달려 있습니다. SRAM보다 속도는 느리지만 밀도가 높고 비용이 저렴하므로 컴퓨터 및 기타 장치의 주 메모리에 이상적입니다. DRAM은 Refresh에 대한 필요성과 변동성으로 인해 다른 메모리 유형과 구별되지만 속도, 크기 및 비용 효율성이 결합되어 현대 컴퓨팅 시스템에서 지배적인 역할을 보장합니다.