[테마특강] 램버스D램과 응용

전 영 현 LG반도체 메모리 설계실장> <>한양대학교 전자공학과 졸업 <>KAIST 전기 및 전자공학과 석.박사 <>미국 Coordinated Science Lab연구원 <>IEEE-ISSCC메모리위원회 위원 빠른 속도로 변하고 있는 중앙처리장치(CPU) 및 그래픽 프로세서의 변화에 대응하여 D램도 많은 변화를 이루어왔다. 마이크로프로세서의 고성능화에 따른 클록 주파수의 증가와 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 환경관련 응용 SW의대중화로 인하여 그래픽 데이터 처리비용의 증가로 메모리 속도와의 급격한 성능차이가 발생하고 있어 이에 대한 해결책으로 고속 인터페이스를 채용한D 램에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다.

그래픽 분야에서 성능차이는 메인 메모리보다 더욱 심각하다. 메인 메모리의 경우 캐시 메모리의 사용으로 인해 어느 정도의 갭을 줄이고 있지만 그래픽 의 경우 화면에 단지 디스플레이를 유지시키는 데 필요한 데이터 밴드 위스 Data Band Width)에도 현저하게 메모리의 성능이 뒤떨어지고 있는 형편이 다. 이를 위해 그래픽 컨트롤러의 병렬처리에 의한 전송 비트 수의 증가 및그래픽 기능의 하드웨어적 처리를 여러 기능을 이용하여 담당하고 있지만 근본적인 해결책이 될 수 없는 실정이다.

그러나 최근 1~2년 사이에 새로이 제안되고 있는 D램들은 이러한 문제점을 극복하기 위하여 인터페이스의 개념을 다소 변형시켜 빠른 속도의 CPU 및 그래픽 프로세서에 대응하고 있다.

이러한 부류에 속한 D램으로서는 싱크로너스 D램(SD램), 램버스 D램(RD램), 인핸스드(Enhanced) D램(ED램), 캐시 D램(CD램) 등이 있으며 이러한 D램들이 D램의 차세대 표준이 되려고 서로 경쟁하고 있다. 이러한 기억장치들 모두가 기존 D램의 대역폭 한계를 놀랄 만큼개선시켰으며 또한 64비트 CPU가 1백MHz 이상의 동작 속도에 도달하고 그래픽 응용이 더욱 복잡해짐에 따라 이러한 새로운 메모리에 대한 필요성이 그어느 때보다 절실해졌다.

말할 것도 없이 PC산업이 D램의 대부분을 소비하고있으며 이러한 수요는 새로운 D램 기술의 발전을 유도하여 왔다. PC디자인 비용을 낮추기 위하여 PC산업계는 통일된 아키텍처의 메인 메모리 및 그래픽메모리를 공급하는 공통 메모리의 개발을 서두르고 있다.

메인 메모리는 주로 빠른 속도의 정보 입.출력이 가능하게 되어야 하며 그래픽 메모리는 와이드 밴드 위스(Wide Band Width)를 필요로 하고 있다. 이와 같은 요구를 충족시키기 위해서는 최소한의 데이터 버스를 사용하여 가능하면 빠른 속도로 데이터를 전송시켜야만 한다. 현재 이와 같은 요구를 충족시킬 수 있는 메모리 로서는 위에 기술한 여러가지 새로운 D램들이 있지만 RD램이 이와 같은 분야에서 선두를 달리고 있다.

RD램은 매우 빠른 속도로 발전하고 있는 CPU 및 그래픽 프로세서에 대응하여 기존 D램의 전송속도를 획기적으로 개선시킨 메모리이다. 이와 같은 빠른 전송속도를 가능하게 하는 것은 램버스 채널이라 불리는 고속 전송버스에 의하여 이루어진다.

램버스 채널은 직접 RD램으로부터 CPU 및 그래픽 프로세서에연결되며 이 채널을 통하여 모든 어드레스, 데이터 및 제어신호를 매우 빠른속도로 주고받을 수 있게 된다. 공통된 채널을 통하며 모든 신호를 주고받음에 의하여 실제 응용시에는 전송버스의 수를 최소화시켜 가격을 저렴하게 할수 있으며, 또한 램버스 채널은 초당 5백M바이트의 고속으로 정보를 주고받을 수 있도록설계되어 있다.

시스템 응용시 램버스 채널은 일반적인 PC보드레이아웃 기술 및 제작기술에 의하여 만들어질 수 있으며 RD램 자체는 기존고속 S램처럼 BIC 모스기술을 사용하지 않고 표준 C 모스공정을 사용하여 만듦으로써 비용 상승의 요인을 최소화시켰다. 전기적으로 보면 램버스 채널은 정교하게 조정된 임피던스 터미네이티드 트 랜스미션 라인(Impedance Terminated Transmission Line)이며 이 라인을 통하여 로 볼티지 스윙(Low Voltage Swing) 신호를 전송할 수 있도록 구성되어 있으며 데이터와 제어신호 사이의 클록 스큐(Clock Skew)를 없애기 위하여가상적으로 2개의 신호선이 평행하게 달릴 수 있도록 설계되어 있다. 램버스 채널을 사용한 시스템 응용의 예를 〈그림 2〉에서 보여주고 있다.

램버스 시스템의 구조는 크게 램버스 채널, 램버스 인터페이스와 RD램의 세 부분으로 나누어져 있다. 여기서 램버스 인터페이스는 프로세서와 RD램 양쪽에 설치되어 있어 양쪽 모두 램버스 채널을 이용하여 데이터를 주고받을 수있도록 설계되어 있다.

여기서 프로세서란 램버스 인터페이스를 가진 CPU, 메모리 컨트롤러 및 그래픽 컨트롤러등이 될 수 있으며 RD램은 최소의 전송채널을 사용하여 프로세서 에 대한 정보를 저장하고 전송하는 역할을 하게 된다.

현재 출시되어 있는 RD램은 4M와 16Mbit 세대로 구성되어 있다. 4M 세대는 512k 9 구조이고, 16M 세대는 2M×8과 2M×9로 구성되어 있으며, 모두 일본 전자 기계공업협회(EIAJ) 규격인 32핀 SHP(Surface horizontal Package)와 SVP Surface Vertical Package)로 되어 있다.

램버스 채널은 고질의 전송라인, 로 볼티지 스윙과 DLL(Delayed Lock Loop) 을 사용한 정확한 클로킹(Clocking)에 의하여 이루어진다. 1개의 RD램에는 13개의 램버스 채널을 사용하고 있으며, 각 채널들은 각자의 임피던스에 의하여 터미네이션되어 있다. 각터미네이터들은 로지컬 제로에 대응하는 터미네 이션 전압까지 풀 업되어 있고 만일 로지컬 하이를 구현하기 위해서는 RD램 내의 오픈 드레인(Open Drain) N 모스 트랜지스터에 의하여 전압을 일정 레벨까지 낮추는 구조로 되어있다.

여기서 터미네이션 전압(Vterm)은 2.5V이고 풀 다운 전압(VOL)은 1.9V로 조정되어 기준전압(Vref)은 2.2V가 된다. 즉 궁극적으로 전체 시그널 스윙 레벨은 0.6V의 저전압 스윙을 할 수 있도록 하였다. 여기서 Vref은 고속의 로 스윙 신호를 위한 기준 전압으로서 특정 입력회로를 사용하여 신호값에 따른 로직 스레슐드(Threshold)를 결정하는 기준으로사용한다. 이러한 저전압 스윙을 함으로써 그라운드 바운싱 및 노이즈 효과를 최소화시켜 고속 전송을 가능하게 하였다. 램버스 채널은 싱크로너스 동작, 즉 클록 에지(Edge)에 동기되어 모든 데이터를 전송할 수 있게 되었다.

즉 RD램이 고속으로 동작하기 위해서는 클록과 데이터 사이의 기울기가 최소화되도록 클록과 데이터 라인이 PCB보드상에서 병렬로 달리도록 설계된다.

또한 시스템 보드 상에서 클록과데이터 라인의 기울기는 RD램 내부의 DLL이 라고 불리는 회로에 의하여 정확히 매칭되어 싱크로너스 동작이 이루어지게된다. 위에서 설명한 램버스 채널을 통한 데이터 전송은 2백50MHz 클록의 양쪽 에지에서 이루어지며 결과적으로 채널당 5백Mbps의 전송 속도로 데이터 전송이 가능하여 진다. 현재 가장 빠른 D램의 데이터 전송속도가 20나노초 이상임을 감안할 때 RD램의 전송속도는 획기적인 것이라고 말할 수 있. RD램을 사용하여 시스템을 만든 경우와 기존 D램을 사용하여 시스템을 만든경우의 비교를 〈그림 3〉에 보여주고 있다.

여기서 RD램은 16M비트 집적도를 가지는 2M×8 구성제품을 사용하였고, 기존D램은 전송속도를 맞추기 위하여 페이지 모드 사이클 타임이 16나노초(기존D 램은 20나노초 이상임)이고 2M×8 구조로 가정하였다.

RD램을 사용한 시스템에서는 8비트의 램버스 채널을 통하여 2나노초마다 원 바이트의 데이터 전송이 가능하므로 16나노초에 8바이트(64비트)의 데이터를 전송할 수 있다. 이를 기존 D램으로 구현하기 위해서는 2M×8 구성의 D램을 병렬로 8개 연결하여 64비트를 전송할 수 있도록 구현할 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 64비트 데이터 버스가 필요하게 되고 총 2M×8×8=1백28M비트 의 메모리 크기가 필요하게 된다.

이와 같이 컨트롤하게 되면 기존 D램을 사용한 ASIC칩의 I/O 인터페이스에 64비트가 필요하게 되지만 RD램을 사용한 ASIC 칩은 단지 8비트의 I/O 인터페이스로서 해결할 수 있을 뿐만 아니라 비용면에서도 크게 절감할 수 있게된다. 또한 성능 측면에서 비교를 하면 다음과 같다. 성능 비교는 ASIC의 메모리 액세스시 성공한 비율(Hit Ratio)과 실패한 비율(Miss Ratio)를 비교하면 쉽게 알 수 있다. 기존 D램을 사용한 시스템은 총 1백28M비트로 구성되어 있으므로 16M RD램을 8개 사용하는 것과 같다.

기존 D램은 한번에 64비트 데이터전송을 위하여 모든 D램이 활성화되어야 하므로 총 1페이지만의 히트 공간을가지게 된다. 반면에 RD램은 1개가 2 뱅크 구조로 되어 있으므로 2×8=16 뱅크 구조를 가지게 되어 있어 총 16페이지 의 히트 공간을 가지게 되어 있다. 이에 따라 전체적인 성공비율의 향상뿐만 아니라 자주 페이지를 바꿈에 의한 전력소모를 줄일 수 있어 소비전력 절감 에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

PC 및 워크스테이션에서의 메인 메모리 분야 및 그래픽 분야에 있어 RD램은 그 응용이 우선적으로 이루어질 전망이며 기타 비디오를 처리하는 컨수머 분야 게임기 등)에서의 응용도 고려되고 있다.

또한 향후 통신분야에서도 ATM등에 그 수요가 창출될 것으로 기대되고 있어그 수요는 성장할 것으로 예상된다. 멀티미디어 진행이 이루어지고 있는 현시점에서 비디오/그래픽의 비중이 커져가고 있어 이를 처리하는 세트의 급격한 증가와 맞물려 RD램의 성장은 충분히 예상할 수 있는 문제로 다가서고 있는 것이다. RD램의 주요 응용분야는 다음과 같다.

1)PC 그래픽스/비디오 *GUI 환경 OS 증가(고해상도, 풀 컬러 요구)-디지털 비디오 처리 추가2 컨수머 디지털 비디오 *3D 게임기기 *양방향 TV용 세트톱 박스 장착 *디지털 TV, HDTV 3)PC 메인 메모리 *고성능 PC의 증가(펜티엄, 파워PC)-윈도즈 NT 등의 고성능 OS 탑재4)EWS/ 서버 메인 메모리 5)통신(ATM 등) 우선 PC 그래픽에서의 응용에서는 프레임 버퍼용으로 사용되는 그래픽용 메 모리는 최근 몇년간 기술적으로 크게 변화하고 있으며 현재 PC의 상위기종에 서 WS 하위기종에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있는 전망을 보이고 있다. PC메인 메모리 응용 측면에서는 CPU의 데이터 처리 비트의 증가 및 멀티 뱅크 개념의 도입/구현으로 성능 향상을 도모하고 있는 가운데 특히 PC 베이스의 데이터 처리 비트 증가(64비트 펜티엄)로 경제적이면서도 성능은 뛰어난메모리에 대한 요구가 거세지고 있는 가운데 이에 커다란 메릿을 갖고 있는RD램의 채용 가능성이 높아질 전망이다.

기존 메모리의 문제점을 획기적으로 개선한 것이 램버스 D램이지만 물론 이 램버스 D램을 사용하기 위해서는 여러가지 해결해야 하는 문제점을 안고 있는 것도 사실이다. 우선 시스템 업체에서의 RD램 사용시 시스템 전반적인 디자인 변경을 해야 하는 위험도 및 번거로움이 따르게 된다.

이는 RD램 및 기타 고속 D램들이 안고 있는 문제지만 RD램의 경우 여러 다른고속 D램들보다시스템 및 칩세트를 전면적으로 바꿔야 한다는 데 더 큰 문제 가 있다. RD램의 경우 칩세트 (메인 칩세트 및 그래픽 컨트롤러)의 램버스 기술 채용과 더불어 사용될 수 있다는 부가적인 문제도 안고 있다.

이에 우선적으로 주요 램버스 D램 타깃시장인 PC 베이스의 그래픽스/비디오 보드업체의 요청에 대한 분석이 이루어져야 하며 앞서 언급한 바와 같이 램 버스 기술 채용의 그래픽 컨트롤러, 메인 칩세트, 고속 통신기기업체와의 상호협조 채널을 구축하여 RD램의 시장 확대에 공동적으로 대처하는 적극적 자세 또한 요구되고 있다. 이는 다른 칩세트 메이커와 공동적으로 문제해결을 해 나가야 함을 의미한다. 이러한 여건이 충족이 되면 RD램의 경우 성능 및가격 측면에서의 강점으로 기존 D램시장 판도를 크게 변화시킬 것으로 기대 되고 있다.