[하드웨어 뜯어보기] 메모리 #27 - DRAM의 동작 원리

전하로 기억하는 전자적 뇌세포

핵심요약
DRAM은 커패시터가 저장한 전하의 많고 적음으로 0과 1을 표현하는 메모리입니다. 그러나 커패시터의 전하는 시간이 지나면 자연스럽게 줄어들기 때문에, DRAM은 셀의 상태를 유지하기 위해 일정 주기로 스스로를 재충전하는 리프레시(refresh) 를 수행합니다.

CPU가 DRAM에 접근할 때는 Wordline·Bitline·Sense Amplifier가각 셀에서 전하를 읽고 쓰는 정교한 동작을 수행하며, DRAM 내부 유지 메커니즘(리프레시)과 CPU의 외부 접근(읽기·쓰기)은 별개의 흐름으로 이루어집니다.

 

DRAM 동작 원리

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1. DRAM이란 무엇인가 - “전하로 만든 전자적 기억”

DRAM(Dynamic RAM)은 전하(Charge) 를 이용해 정보를 저장하는 메모리입니다. 셀(Cell) 하나는 단 1bit만 저장하지만, 이 단일 비트를 저장하는 방식이 매우 단순합니다.

• 커패시터(Capacitor): 전하를 저장하는 작은 전자 탱크
• 트랜지스터(Transistor): 전하를 넣거나 빼는 스위치

그러나 이 단순함은 곧 DRAM의 특징을 결정합니다. 커패시터는 완벽한 저장소가 아니기 때문에, 시간이 지나면 전하가 자연스럽게 감소합니다. DRAM은 아무것도 하지 않아도 기억이 스스로 사라지는 구조입니다.

 

이 때문에 DRAM은 “Dynamic(동적)”이라는 이름을 갖습니다.
기억을 계속 유지하려면 셀이 스스로를 반복적으로 되살려야 하기 때문입니다.

 

핵심 문장 : DRAM은 잊혀지는 기억을 전하로 붙잡아 두는 전자적 뇌세포다.

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2. DRAM의 기본 구조 - “행과 열이 교차하는 거대한 셀 어레이”

DRAM 칩을 내부에서 보면, 셀(Cell)들이 행(Row)과 열(Column)로 배열된 거대한 매트릭스가 펼쳐집니다. 이 구조는 다음 요소로 이루어집니다.

• 셀(Cell): 1bit 저장소
• Wordline: 행(Row)을 제어하는 신호선
• Bitline: 열(Column)을 따라 셀이 가진 전하를 읽고 씀
• Row Decoder: Wordline 선택
• Column Decoder: Bitline 선택
• Sense Amplifier: 전하가 0인지 1인지 증폭·판별

DRAM이 “임의 접근(Random Access)”이 가능한 이유는 행 주소 + 열 주소를 조합해 원하는 셀을 바로 찾아갈 수 있기 때문입니다.

 

핵심 문장 : DRAM의 셀 배열은 전자적 스프레드시트와 같다. 행과 열의 좌표로 특정 셀을 즉시 찾는다.

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3. DRAM 셀의 저장 원리 - “전하가 남아 있는가, 사라졌는가”

DRAM의 저장은 전하량의 차이로 이루어집니다.

• 커패시터에 전하가 충분히 있음 → 1
• 전하가 거의 없음 → 0

쓰기 과정은 다음과 같습니다.

1. Wordline이 선택되어 트랜지스터가 열림
2. Bitline을 통해 전하를 커패시터에 주입하거나 제거
3. 전하량이 기준값을 넘으면 1, 낮으면 0이 저장됨

이처럼 DRAM 셀의 구조는 매우 단순하지만, 전하의 양은 매우 미세하고 쉽게 사라진다는 점이 문제입니다. 그래서 DRAM은 저장보다 유지가 더 어려운 메모리입니다.

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4. 리프레시(refresh) - “DRAM이 스스로를 되살리는 과정”

커패시터에 저장된 전하는 누설(leakage)로 인해 지속적으로 줄어듭니다. 따라서 DRAM은 일정한 시간 주기로 전체 셀을 순회하며 전하를 다시 채워주는 과정을 수행합니다. 이를 리프레시(refresh) 라고 합니다.

 

• 표준 DRAM은 64ms 주기로 전체 셀을 한 번씩 리프레시
• 리프레시는 메모리 컨트롤러(MC)가 자동으로 조율
• 시스템이 아무 일도 하지 않아도 DRAM은 내부에서 끊임없이 전력을 소모

중요한 점은 리프레시는 CPU와 관계없는 DRAM 고유의 내부 생존 메커니즘이라는 것입니다. 이것은 마치 사람이 “작은 암기 내용을 잊지 않기 위해 계속 되뇌는 과정”과도 비슷합니다.

 

핵심 문장 : DRAM은 기억을 유지하기 위해 끊임없이 스스로를 되살린다.

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5. CPU의 읽기(Read) - “전하를 판별하는 정교한 과정”

리프레시는 DRAM 내부의 유지 흐름이었다면, CPU가 DRAM에서 데이터를 읽을 때는 별도의 외부 접근 흐름이 진행됩니다. 읽기 과정은 다음과 같습니다.

1. CPU가 특정 주소를 요청
2. Row Decoder가 해당 Wordline을 활성화
3. Wordline이 열린 셀에서 전하가 Bitline으로 이동
4. Bitline의 미세한 전압 변화를 Sense Amplifier가 증폭
5. Sense Amplifier가 0 또는 1로 판별
6. 판별된 데이터가 CPU로 전달

여기서 매우 중요한 사실은 DRAM의 읽기는 파괴적(destructive)이라는 것입니다. 전하가 이동하면서 커패시터가 거의 방전되어 읽기 동작만으로도 셀의 정보가 흐려집니다.

 

그래서 DRAM은 읽은 직후 같은 값을 다시 커패시터에 채우는 작업을 자동으로 수행합니다. 읽기와 동시에 사실상 “쓰기”가 발생하는 셈입니다.

 

핵심 문장 : DRAM의 읽기는 전하를 꺼내는 순간 셀을 초기화해야 하는 파괴적 과정이다.

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6. CPU의 쓰기(Write) - “전하 채우기 또는 비우기”

쓰기 과정은 상대적으로 단순합니다.

1. Wordline이 선택
2. Bitline이 원하는 전압 상태로 세팅
3. 트랜지스터가 열려 커패시터에 전하가 저장
4. 전하량에 따라 0 또는 1 확정

쓰기의 본질은 전하를 채우거나 제거하는 것입니다.

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7. DRAM 동작의 두 가지 축 - “유지와 접근의 분리”

지금까지의 동작 흐름을 하나로 정리하면 다음과 같습니다.

1) DRAM 내부의 유지 흐름

• 전하가 새어 나오기 때문에
• DRAM은 스스로 모든 셀을 리프레시하며
• 기억을 유지하기 위해 내부에서 지속적 에너지를 사용

2) CPU의 외부 접근 흐름

• CPU는 Wordline→Bitline→Sense Amplifier 경로를 통해
• 필요한 셀의 데이터를 읽거나 쓰는 동작을 수행
• DRAM이 가진 ‘전하 기반 기억’을 실제 연산에 사용함

이 두 흐름은 서로 다른 목적을 갖고 있으며, 동시에 이뤄지지만 서로 종속되지 않습니다. DRAM은 “내부적으로 기억을 유지(리프레시)”하면서 “CPU는 외부에서 데이터에 접근(읽기·쓰기)”하는 구조입니다.

 

핵심 문장 : DRAM의 동작은 ‘스스로를 유지하는 과정’과 ‘CPU가 접근하는 과정’이라는 두 축으로 이루어진다.

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8. DRAM을 사람의 뇌로 비유한다면 - “계속 되뇌지 않으면 잊는 기억”

DRAM은 인간의 단기 기억과 가장 닮아 있습니다.

• 오래된 정보를 계속 되뇌어야 기억이 유지되고
• 한 번 주의를 잃으면 곧바로 희미해지며
• 새로운 정보를 읽고 쓰는 과정은 전기적 자극에 기반합니다.

DRAM의 내부 유지(리프레시)는 사람이 작은 정보를 계속 반복해서 떠올리는 과정과 같고, CPU의 읽기·쓰기는 필요한 순간 기억을 꺼내 쓰는 행위와 같습니다.

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9. 요약

DRAM은 전하로 데이터를 저장하는 고집적 메모리이며 시간이 지나면 전하가 자연적으로 사라지기 때문에 리프레시가 필수입니다.

CPU의 읽기·쓰기 과정은 Wordline, Bitline, Sense Amplifier를 중심으로 정교한 신호 흐름을 통해 이루어지며, DRAM 내부의 리프레시와 CPU의 접근은 서로 독립된 동작입니다. 이 두 메커니즘이 동시에 작동하며 컴퓨터의 기억 체계가 유지됩니다.

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10. 다음 편 예고

DRAM이 이렇게 작동한다면, 이 기술은 세대가 바뀔 때마다 어떻게 더 빠르고 효율적으로 발전해왔을까?
다음 글에서는 DDR(더블 데이터 레이트) 메모리의 세대 발전을 다룹니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] 메모리 #28 - DDR의 세대 발전

[하드웨어 뜯어보기] 메모리 #28 - DDR의 세대 발전