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플래시 메모리 컨트롤러 (Flash Memory Controller) 기술 원문보기

電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.39 no.9 = no.340, 2012년, pp.39 - 46  

공준진 (삼성전자) ,  손홍락 (삼성전자) ,  설창규 (삼성전자)

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문제 정의

  • NAND Flash로부터 데이터를 읽어내는 방식에 따라 메모리 자체의 오류 수준이 달라질 수 있는 데, 이는 ECC의 동작영역을 확보하는 데에도 매우 중요한 역할을 한다. NAND Flash 메모리로부터 데이터를 읽어낼 때 error가 적게 발생하도록 읽어내는 방법에 대해서는 많은 연구가 진행되고 있는데, 여기서는 LPF (low pass filter)를 적용하여 local minima 를 제거하여 효율적인 read level을 찾는 방법을 소개하고자 한다. <그림 10>에서 파란색 선은 LPF적용전의 산포를 나타내며 빨간색 선은 LPF를 적용한 후의 산포를 나타내는 데, LPF 적용 후에는 high frequency 성분인 local minima가 제거되는 것을 볼 수 있다.
  • 본고에서는 NAND Flash의 집적도를 높이기 위해 일반적으로 사용되고 있는 scaling 및 multi-leveling 기법을 소개하고 이에 따르는 신뢰성 저하문제 및 이를 해결하기 위한 일부 기술들에 대하여 살펴보았다. 통신 시스템 및 magnetic/optical 저장장치에서 일반적으로 사용되고 있는 ECC 및 channel 신호처리 기법들을 적용하는 것이 가능하나 메모리 채널 특성에 맞도록 변경하는 것이 필수적이다.
  • Flash 메모리 컨트롤러의 세부적인 기능 및 사양은 Flash storage에 요구되는 저장 공간 크기 및 성능에 따라 좌우되며, Flash 메모리 컨트롤러가 지원하는 host에 따라 SD Card/eMMC (secure digital card/embedded multimedia controller)를 지원하는 embedded용 컨트롤러와 SATA/SAS를 지원하는 SSD 용 컨트롤러로 분류할 수 있다. 본고에서는 SSD 컨트롤러를 예로들어 컨트롤러의 전반적인 동작 및 architecture를 설명하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NAND Flash 메모리는 어떤 용도로 많이 사용되고 있는가? NAND Flash 메모리는, 데이터를 저장하는 기본 단위인 셀 (cell) 및 어레이 (array) 구조 <그림 1>가 비교적 단순하고 집적도를 높이 기에 유리하여 MP3 player, cellular phone 및 SSD (solid state drive) 등의 데이터 저장장치용으로 많이 사용되고 있다 <그림 2>.NAND Flash에서 일반적으로 채택하고 있는 셀 구조는 부동 게이트 (FG: floating gate)인 데 여기에 저장된 전하량에 따라 트랜지스터를 On-Off 시킬 수 있는 문턱전압 (Vth: threshold voltage) 이 달라지게 되어 정보 저장여부를 판별할 수 있게 된다.
메모리의 직접도를 높이기 위해 스케일링과 멀티 레벨링 정도가 증가할수록 어떤 문제점이 있는가? NAND Flash 메모리의 신뢰성은 endurance와 retention으로 나타낼 수가 있는데, endurance는 메모리에 데이터를 저장하기 위한 쓰기 횟수 (P/E cycle: program-erase cycle: Flash 메모리에 데이터를 쓰기 위해서는 이전에 저장되어 있던 데이터를 지우는 작업인 erase가 먼저 수행되어야 함) 한계를 나타내며 retention은 저장되어 있는 데이터를 얼마나 오랜 시간 동안 유지할 수 있는지를 나타내는 척도이다. 스케일링 및 멀티 레벨링 정도가 증가할수록 메모리의 물리적인 특성 열화 및 문턱전압 분포 (산포: Vth distribution) 겹침이 증가하게 되어 저장된 데이터를 메모리로부터 정확하게 읽어내는 것과 저장된 데이터를 오랫동안 유지하는 것이 점점 더 어려워지게 된다.
Flash 메모리 컨트롤러는 무엇으로 구성되는가? Flash 메모리를 사용하는 저장장치의 신뢰성과 성능이 시스템에서 요구되는 수준을 만족할 수 있도록 하기 위해서는 다양한 기법들이 적용되어야 하는 데, 이러한 기법들은 hardware 또는 software 형태로 controller에 구현될 수 있다. Flash 메모리 컨트롤러 는, host에서 요구하는 여러가지 명령들을 판독/수행 하기 위한 CPU와 bus system등의 backbone, flash 메모리와 컨트롤러 간 데이터 통신을 수행하기 위한 NAND I/F, NAND에서 발생하는 오류를 정정하기 위한 ECC (error control code) 및 신호처리 엔진 등으로 구성된다 <그림 4>.
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