[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #33 - NAND 플래시의 비밀

전자의 집합으로 기억을 저장하다

셀, 페이지, 블록, 수명(P/E) 구조를 전자 공학 관점에서 파헤치는 플래시 메모리의 본질

핵심요약
NAND 플래시는 “전자를 가둔 양”으로 데이터를 표현하는 저장 기술이다.
셀에 저장하는 비트 수에 따라 SLC~QLC까지 종류가 나뉘며, 속도, 수명, 용량의 균형이 달라진다.
페이지 단위로 쓰고, 블록 단위로만 지울 수 있어 SSD 전체 구조에 제약을 준다.
P/E 사이클은 셀의 수명이며, 이를 늘리기 위해 웨어레벨링과 ECC 기술이 필수다.

 

NAND 플래시의 비밀

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1. NAND 플래시란 무엇인가?

핵심 문장: NAND 플래시는 “전자의 양을 조절해 전압을 저장하고, 그 전압 레벨을 디지털 정보로 읽는 저장 기술”이다.

 

NAND 플래시 메모리는 SSD, 스마트폰, USB, 메모리카드 등 오늘날 거의 모든 저장장치의 중심입니다. HDD가 ‘자기 기록’ 기반이라면, NAND는 순수 전자 기반입니다.

 

NAND의 핵심 구성은 다음과 같습니다.

• 셀(Cell): 비트를 저장하는 가장 작은 단위
• 페이지(Page): 여러 셀을 묶은 쓰기 단위
• 블록(Block): 페이지 여러 개로 이루어진 삭제 단위
• 플레인/다이(Plane/Die): 병렬 처리를 위한 물리적 구조
• 컨트롤러와 FTL: 주소 매핑, 수명 균등화, 오류 정정 처리

NAND의 본질은 “전자를 넣고 빼는 기술”이며, 이 단순해 보이는 원리가 현대 저장장치 전체의 성능과 수명을 좌우합니다.

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2. 셀(Cell) 구조 - 기억의 가장 작은 방

2-1. 전자를 가두는 구조

요약: 셀은 Floating Gate 또는 Charge Trap 구조로 전자를 저장한다.

 

NAND 셀은 두 가지 방식 중 하나를 사용합니다.

1. Floating Gate(FG)
   • 전자를 폴리실리콘 층에 가둠
   • 전자가 터널링으로 드나듦
   • 고전적 방식
2. Charge Trap(CTF)
   • 절연막(질화막)에 전자를 포획
   • 셀 누설(leakage)이 줄어듦
   • 최신 3D NAND에서 거의 표준

전자는 절연막을 뚫고 들어가거나 빠져나오며 “전압”을 남깁니다. 이 전압 레벨이 곧 0, 1, 2, 3 같은 상태(state)가 됩니다.

2-2. 셀 당 비트 수 - SLC ~ QLC

핵심 문장: 셀에 넣는 비트 수가 늘어날수록 용량은 커지지만 수명, 속도, 안정성은 떨어진다.

종류	비트 수	상태 수	상점	단점	주 용도
SLC	1bit	2상태	가장 빠르고 수명 길음	가격 높음	산업용, 서버 캐시
MLC	2bit	4상태	성능/수명 균형	가격 중간	일부 고급 소비자 SSD
TLC	3bit	8상태	가격/용량 균형	수명 감소	대부분의 소비자 SSD
QLC	4bit	16상태	용량 극대화	속도/수명 다소 낮음	대용량 저장, 아카이브
PLC(예정)	5bit	32상태	극대화된 용량	매우 낮은 수명, 속도	연구 단계

셀에 저장하는 비트 수가 늘면 전압의 간격이 매우 좁아져 정확한 판독(ECC) 이 어려워지고, 수명(P/E 사이클)이 짧아집니다.

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3. 페이지(Page), 블록(Block) 구조 - 왜 SSD는 수정이 안 되나?

3-1. 페이지(Page): 쓰기 단위

페이지는 보통 4KB~16KB 크기를 가지며, NAND는 페이지 단위로만 프로그램(쓰기)이 가능합니다.

3-2. 블록(Block): 삭제 단위

블록은 수십~수백 페이지가 모여 구성되며 삭제(Erase)는 블록 단위로만 가능합니다.

이 말은 즉,

• 데이터 수정 → “해당 위치에 덮어쓰기” 불가능
• 새로운 페이지에 새로 저장
• 기존 페이지는 “쓸모없음(Invalid)” 상태로 남음
• 나중에 GC가 블록 전체를 지워 공간 확보

SSD가 HDD보다 훨씬 복잡한 관리가 필요한 이유가 바로 여기에 있습니다.

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4. 프로그램(쓰기)과 삭제(Erase) 원리

4-1. 프로그램(쓰기) - 전자를 밀어 넣기

쓰기(Program)는 전자를 Floating Gate 또는 Charge Trap 영역에 주입하는 과정입니다. 이때 전자는 터널링(tunneling) 현상으로 절연막을 통과합니다.

• SLC는 단순히 “들어가냐/안 들어가냐”를 구분
• TLC, QLC는 다양한 전압 레벨을 만들어야 하므로 훨씬 정교한 제어 필요

프로그램 속도가 QLC에서 느려지는 이유가 여기에 있습니다.

4-2. 삭제(Erase) - 전자를 모두 빼내기

삭제는 전자를 반대로 끌어내는 과정이며 절연막에 가장 큰 스트레스를 줍니다. 이 스트레스가 반복되면 절연막이 손상되어 셀의 수명(P/E 사이클)이 줄어들게 됩니다.

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5. 2D NAND에서 3D NAND까지 - 기억의 공간을 수직으로 확장하다

5-1. 2D NAND의 한계

• 셀 크기를 계속 줄이면 누설(leakage) 증가
• 전압 간격이 좁아져 오류 증가
• 수명 감소

이 문제로 인해 제조사들은 셀을 더 작게 줄이는 대신 수직 방향으로 쌓는 전략을 채택합니다.

5-2. 3D NAND의 등장

핵심 문장: 3D NAND는 셀을 높이로 쌓아 용량과 수명을 동시에 확보한 구조다.

 

삼성, Micron, Kioxia 등 제조사들은 셀을 수십~수백 층으로 쌓아 용량을 크게 확장했습니다.

 

장점:

• 셀 간 간섭 감소
• 누설 감소
• 수명 증가
• 고용량 생산 가능
• QLC 구조도 안정적으로 구현 가능

3D NAND는 오늘날 SSD 기술의 사실상 표준입니다.

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6. ECC(오류 정정 코드) - 전압 간격을 해석하는 두뇌

전압 간격이 좁을수록 오류 가능성은 급격히 증가한다.

 

특히 TLC/QLC는 “상태 수”가 많아 전압 간격이 매우 좁습니다. 그래서 SSD 컨트롤러는 강력한 오류 정정 알고리즘(ECC)을 사용해야 합니다.

 

대표 기술:

• BCH 코드
• LDPC(Low-Density Parity Check)
• Soft Decoding

ECC가 없다면 QLC SSD는 제대로 동작할 수 없습니다.

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7. P/E 사이클 - NAND 수명의 본질

핵심 문장: P/E 사이클은 “삭제가 가능한 횟수”, 즉 셀의 수명을 의미한다.

 

셀이 한 번 프로그램되고 삭제될 때마다 절연막이 조금씩 손상됩니다.

NAND 종류	수명(P/E)
SLC	50,000+
MLC	3,000~10,000
TLC	1,000 내외
QLC	200~300
PLC(예상)	50~100

SSD 수명이 ‘몇 년 정도’인 이유는 바로 이 P/E 사이클과 연관됩니다. 이를 해결하기 위한 기술이 바로 웨어레벨링(Wear Leveling)이고 모든 NAND 블록을 최대한 고르게 사용하는 방식입니다.

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8. 사람 비유 - “전자로 써 내려가는 다층 책장”

NAND 구조는 도서관 비유로 쉽게 이해됩니다.

• 셀 = 전자 메모 칸
• 페이지 = 메모지 한 장
• 블록 = 책 한 권
• 플레인/다이 = 여러 층의 서고
• 3D NAND = 책장을 위로 수십 층 쌓은 고층 도서관
• P/E 수명 = 메모지를 계속 지웠다 다시 쓰는 과정에서의 마모
• ECC = 흐릿하게 적힌 글을 재해석하는 문서 복원 전문가

이 비유를 통해 NAND는 ‘쓰기 자체보다 삭제가 훨씬 까다로운 도서관’이라는 사실이 명확해집니다.

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9. 오늘날 활용 - 스마트폰부터 AI 서버까지

NAND는 다음과 같은 곳에서 핵심 역할을 합니다.

• SSD(소비자/서버급)
• 스마트폰 UFS 저장장치
• 데이터센터 NVMe SSD
• 카메라, 드론의 메모리카드
• 자동차 ADAS 저장장치
• AI 학습/추론 모델 저장 (QLC 기반 대용량 SSD)

특히 3D NAND는 HDD를 대체하는 미래 저장 시장의 중심 기술로 계속 성장하고 있습니다.

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10. 요약

• NAND 플래시는 전자를 가두는 정도(전압)로 비트를 저장한다.
• 셀 당 비트 수(SLC~QLC)에 따라 속도, 수명, 가격이 크게 달라진다.
• 페이지 단위 쓰기, 블록 단위 삭제 구조 때문에 FTL, GC, TRIM이 필요하다.
• 2D → 3D NAND 전환으로 용량, 수명, 안정성이 크게 늘었다.
• ECC는 플래시 메모리를 유지하는 필수 기술이다.
• NAND는 스마트폰, SSD, AI 서버 등 현대 저장장치의 필수 요소다.

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11. 다음 편 예고

다음 글에서는 PCIe, NVMe가 어떻게 병렬 큐 구조로 극적인 속도 향상을 만드는지 파헤칩니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #34 - NVMe와 PCIe SSD

[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #34 - NVMe와 PCIe SSD