[하드웨어 뜯어보기] 메모리 #26 - 메모리의 기본 구조 (RAM)

생각의 임시 저장소, 두뇌의 단기 기억

RAM은 CPU가 “지금 바로 처리 중인 정보”를 잠시 보관하는 작업 기억 공간입니다.
전원이 꺼지면 사라지는 휘발성 구조지만, 놀라울 만큼 빠르게 데이터를 읽고 씁니다.
메모리 셀(Cell) 하나하나가 전하를 저장하며, 행(Row)과 열(Column)의 정교한 격자 구조로 이루어져 있습니다.

 

메모리의 기본 구조 (RAM)

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1. RAM의 본질 — “두뇌의 단기 기억”

메모리는 컴퓨터의 ‘기억 장치’이지만, 그중 RAM은 오래 기억하는 용도가 아닙니다. CPU가 계산을 수행하거나 프로그램을 실행할 때 필요한 정보만을 잠시 머무르게 하는 단기 기억(Working Memory)의 역할을 합니다.

 

사람의 뇌로 비유하면 다음과 같습니다.

• 저장장치(SSD·HDD) → 장기 기억
• RAM → 단기 기억
• CPU → 사고와 판단을 수행하는 두뇌

사람도 책을 읽으며 머릿속에서 단어를 잠시 기억하고, 계산할 때 숫자를 몇 초간 머릿속에 담아두는 것처럼, 컴퓨터 역시 현재 처리 중인 값들은 모두 RAM에 올려놓고 사용합니다.

 

RAM의 가장 큰 특징은 휘발성(Volatile)이라는 점입니다. 전원이 꺼지는 순간, 메모리 셀 내부의 전하는 빠르게 사라지고 모든 데이터는 흔적 없이 사라집니다. 하지만 이렇게 “잠깐만 기억”하도록 설계되었기 때문에 CPU의 속도에 최대한 가까운 빠른 응답성을 제공할 수 있습니다.

 

핵심 문장 : RAM은 CPU의 생각이 잠시 머무는 전자적 작업 공간이다.

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2. RAM의 내부 구조 — “행과 열이 교차하는 전자 격자”

RAM 칩 내부를 확대해 보면, 눈앞에 펼쳐지는 것은 거대한 셀(Cell) 배열입니다. 메모리 셀은 ‘0’과 ‘1’을 저장하는 최소 단위이고, 수십억 개의 셀들이 행(Row)·열(Column) 형태의 매트릭스로 구성됩니다.

 

RAM이 “Random Access”, 즉 임의 접근이 가능한 이유는 이 행(Row Address)과 열(Column Address)를 조합해 셀을 정밀하게 선택할 수 있기 때문입니다.

 

RAM 내부 구조는 다음 요소로 구성됩니다.

• 셀 어레이(Cell Array): 1bit 저장소의 집합
• Wordline: 행(Row)을 제어
• Bitline: 열(Column)을 통해 데이터를 읽고 씀
• Sense Amplifier(감지 증폭기): 전하가 0인지 1인지 구분
• Row Decoder: 몇 번째 행을 불러올지 결정
• Column Decoder: 몇 번째 열을 선택할지 결정

RAM은 단순한 전자칩이 아니라 정교한 주소 체계를 갖춘 전자 스프레드시트와 같습니다.

 

핵심 문장 : RAM의 구조는 ‘행과 열’의 좌표를 통해 데이터를 찾아가는 전자적 표 구조다.

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3. 메모리 셀의 원리 — “전하로 기억하는 전자 뇌세포”

RAM의 대표적인 형태는 DRAM(Dynamic RAM)입니다.
DRAM 셀 하나는 단순하게 구성됩니다.

• 커패시터(Capacitor): 전하 보관
• 트랜지스터(Transistor): 스위치 역할

하지만 이 단순함이 문제를 만듭니다. 커패시터는 시간이 지나면 전하가 서서히 빠져나가기 때문에 데이터가 저절로 사라질 수 있습니다. 마치 사람의 단기 기억처럼 오래 유지되지 않는 것이죠.

 

이를 해결하기 위해 RAM은 일정 간격으로 셀에 전하를 다시 채우는 리프레시(Refresh) 작업을 수행합니다. 메모리 컨트롤러는 모든 셀을 빠르게 순회하며 ‘지금 가지고 있는 0 또는 1을 유지할 수 있도록’ 정기적으로 충전합니다. 이 때문에 DRAM은 “Dynamic(동적)”이라는 이름을 갖고 있으며, 지속적으로 움직이며 기억을 유지하는 구조입니다.

 

핵심 문장 : DRAM은 전하가 새어 나가는 것을 막기 위해 스스로를 끊임없이 되살리는 기억 장치다.

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4. SRAM과 DRAM — “정적인 기억과 동적인 기억”

RAM은 크게 두 종류가 있습니다.

1) DRAM (Dynamic RAM)

• 구성: 1T+1C(트랜지스터 1개 + 커패시터 1개)
• 장점: 집적도가 높고 용량을 크게 만들기 쉬움
• 단점: 리프레시 필요
• 용도: PC 메모리 모듈, 모바일 메모리

2) SRAM (Static RAM)

• 구성: 6개의 트랜지스터로 만든 플립플롭 회로
• 장점: 리프레시 필요 없음, 훨씬 빠름
• 단점: 크고 비싸서 대량 생산 어려움
• 용도: CPU 내부 캐시(L1, L2, L3)

이 둘의 차이는 마치

• DRAM = 책상 위에 메모를 붙여두고 계속 확인하는 구조
• SRAM = 머릿속 반사신경처럼 즉시 떠올리는 구조
  와 유사합니다.

 

핵심 문장 :  DRAM은 전하로 기억하고, SRAM은 회로의 상태로 기억한다.

 

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5. 메모리 접근 과정 — “CPU의 요청을 전자 표에서 찾아오는 과정”

CPU가 RAM에서 한 값을 읽고 싶어 한다고 가정해 봅시다.

1. CPU가 메모리 컨트롤러에 주소를 요청
2. Row Decoder가 해당 행을 선택
3. Wordline이 활성화되며 행 전체가 오픈
4. Bitline을 통해 셀의 전하가 Sense Amplifier에 전달
5. Sense Amplifier가 “충전됨 = 1”, “방전됨 = 0”을 판단
6. Column Decoder가 필요한 열만 선택하여 CPU로 전달

이 과정은 나노초 단위로 이루어지며, 메모리는 이 속도를 유지하기 위해 격자 구조를 가능한 한 짧고 간결하게 설계합니다.

 

핵심 문장: 메모리 접근은 전자적 주소계에서 원하는 셀을 찾아오는 초고속 탐색 과정이다.

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6. 메모리의 시간과 공간 — “더 좁고 더 빠르게 기록하기 위한 진화”

RAM의 진화는 결국 시간과 공간의 싸움이었습니다.

• 더 많은 셀을 더 작은 공간에 넣기 위한 미세공정(나노미터 스케일)
• 클럭 속도를 높여 더 빠르게 데이터 전송
• DDR(Double Data Rate)로 클럭 상승 없이 전송량 두 배
• 채널 구조를 늘려 병렬 대역폭 확대
• 모바일을 위한 저전력 LPDDR 기술 개발

현대 DRAM 칩 안에는 머리카락의 몇백 분의 1 크기 회로 속에 수십억 개의 셀들이 밀집해 있습니다. 이 작은 공간에서 수십억 개의 전하가 빠르게 충전되고 방전되며 “기억”이라는 기능을 수행하고 있습니다.

 

핵심 문장: RAM의 발전은 더 많은 기억을 더 빠른 시간 안에 담기 위한 기술적 집약체다.

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7. 사람의 뇌로 비유하면 — “문제 해결을 위한 작업대”

RAM의 본질은 단순합니다. CPU가 계산하고 판단하기 위해 필요한 정보를 올려두는 작업대(workbench)입니다.

 

사람도 복잡한 문제를 풀 때 일시적으로 머릿속에 여러 정보를 올려놓고 처리합니다. 그 정보가 사라지면 다시 생각 흐름을 이어가기 어렵습니다.

 

컴퓨터도 마찬가지입니다. RAM이 없다면 CPU는 프로그램을 실행할 공간 자체가 없으며, 아무리 빠른 CPU라도 사고를 이어갈 수 없습니다.

 

핵심 문장 : RAM은 컴퓨터의 사고가 이루어지는 ‘현재형 기억 공간’이다.

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8. 요약

RAM은 CPU의 단기 기억이며, 행과 열의 셀 어레이 구조를 통해 전하를 저장·판단하는 휘발성 메모리입니다. DRAM은 계속 리프레시되며 기억을 유지하고, SRAM은 회로의 상태로 고속 접근을 제공합니다. 메모리는 CPU의 연산이 실현되는 무대이며, 현대 컴퓨팅 성능의 핵심 요소입니다.

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9. 다음 편 예고

다음 글에서는 DRAM의 내부 동작 원리를 더 깊게 파헤칩니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] 메모리 #27 - DRAM의 동작 원리

[하드웨어 뜯어보기] 메모리 #27 - DRAM의 동작 원리