[테마특강] 싱크로너스 D램

"뛰는 CPU"와 동행할 미래형 메모리

전동수

<삼성전자 메모리상품기획담당 이사>

<>83년 경북대 전자공학과 졸

<>87년 삼성전자 D램 설계팀장

<>95년 삼성전자 상품기획담당 부장.제2기 사내 명예박사<>95년 12월 삼성전자 삼품기획담당 이사

컴퓨터를 기반으로 탄생한 새로운 문화는 생활방식의 변화뿐 아니라 세계질서까지 새롭게 창조하고 있다. 새로운 문화를 창조하는 기반은 반도체의발전, 특히 중앙처리장치(CPU)와 D램기술의 발전이 중심을 이루고 있다.

CPU는1980년5MHz의 8086에서 이제 펜티엄이 범용화됐고 D램은 64M제품이양산되는 단계다. 성능향상 측면에선 메모리 제품이 CPU를 따라가지 못해 CPU의 성능을 최대한 이용할 수 없는 상황이 벌어지고 있다. 물론 메모리분야에서도 지속적인 성능 향상 방안이 연구돼 여러 종류의 제품이 상품화됐다.

그중에서도 SD램(Synchronous DRAM)은 FP(Fast page), EDO(E.tended Date Out)에 이어 올해부터 시장에 본격 도입될 차세대 메모리로 자리잡아가고 있다.

사용자 위주 특수기능SD램은 CPU가 사용하는 메인클록을 직접 받아서 동작시키는 메모리다. Synchronous가 의미하듯 메인클록에 입출력을 동기시켜 고속으로 동작시키는 고성능 D램이다. D램은 CPU의 속도를 따라가지 못해 캐시메모리(고속S램 사용)를 사용하여 시스템 성능을 올려야 하는데 SD램은 캐시없이 사용하는 시스템을 구현할 수 있는 차세대 메모리다.

현재 주류를 이루고 있는 비동기식 D램(FP.EDO)과 SD램의 차이점을 보면우선 SD램은 내부에 2개의 뱅크(Bank:실제 메모리 블록)가 있어 끼워넣기가가능하다. 기존 비동기식 D램은 한번의 컬럼 어드레스로 해당 데이터를 1번액세스하지만 SD램은 내장 카운터를 이용하여 1.2.4.8번 또는 1열에 해당하는풀페이지 액세스가 가능하다.

이 때의 카운트 방법은 끼워넣기(인텔모드), 시퀀셜(모토로라모드) 등 두가지 방법이 있다. 그외의 명령 다음 1클록.2클록.3클록 후에 유효데이터를낼 수 있는 C.L(CAS Latency)과 1컬럼 어드레스로 1.2.4.8 풀페이지 데이터를 액세스할 수 있는 B.L(Burst Length) 등을 프로그램할 수 있는 MRS(ModeRegister Set) 등의 특수기능이 있다. MRS는 기존 메모리에 없는 특수기능으로 자주 사용하는 모드를 초기에 설정하여 모드변환없이 사용할 수 있게 만들어 놓은 사용자 중심의 기능이다.

SD램에서 고속으로 데이터를 읽고 쓸때 필요한 데이터처리 경로 구성도 선택된 입출력 처리경로를 모두 읽어내어 멀티플렉스를 통해 특정 입출력을 선택적으로 보낼 수 있는 프리페치(Prefetch)모드, 특정I.O를 미리 선택하여순차적으로 보내는 끼워넣기 모드, I.O라인을 모두 읽어내어 몇단계의 스테이지를 만들어 원하는 시간안에 데이터를 내보내는 파이프라인 모드 등이 있다. 현재 시중에 나온 제품의 대다수가 고속 데이터처리가 쉽고 제어가 용이한파이프라인 모드로 구성돼 있다.

3개의 스테이지로 파이프라인 형태를 구성하였을때 매 스테이지마다 10ns(10억분의 1초) 액세스하면 초기 데이터는 30ns 후에 나오지만 두번째 데이터부터는 10ns마다 다른 데이터를 액세스할 수 있는 것이다. 이로 인해 10ns(1백MHz)로 액세스가 가능한 메모리가 되며 스테이지마다 액세스할 수 있는시간을 5ns까지 줄일 수가 있다면 두번째 데이터부터는 5ns(2백MHz)제품까지도 구현할 수 있다.

지금까지 발표된 가장 빠른 SD램은 1백53MHz(6.5ns)정도로 P6(펜티엄프로)이상의 CPU와 같은 성능으로 데이터를 처리할 수 있게 된다. 이외에 BRSW(Burst Read Single Write)기능, 파워다운모드 등은 D램에서 볼 수 없는 유저중심의 특수 기능들이다.

SD램과 경쟁이 예상되는 또 다른 고속 D램인 PNEDO(Pipelined Nibble EDO:EDO D램에 파이프라인 구조를 채택하여 66MHz액세스를 할 수 있는 제품)와램버스D램(램버스사의 개념을 상품화한 제품으로 5백MHz액세스 가능)은 제품화에서 가장 중요한 요소인 양산성에서 다소 열세여서 대부분의 D램 공급업체가 SD램의 개발 및 양산에 박차를 가하고 있으며 이로 인해 수급성이 가장좋은 주력제품으로 형성될 전망이다.

SD램은 1991년 12월 삼성전자(Level RAS:Row Address Strobe)와 일본 NEC(펄스RAS)가 JEDEC(Joint Electron and Device Engineering Council)에 공식적인 표준화를 제기했으며 그후 SUN 등 시스템개발업체들의 호응과 함께 93년3월 기본사양이 정해졌다. SD램이 처음 고안돼 표준화를 추진할 때는 생산비용과 성능사이에서 삼성전자와 NEC의 의견이 달랐다. 삼성전자는 범용화를위한 저코스트의 레벧RAS제품을 제안한 반면 NEC는 다양한 기능을 추가한 고성능 펄스RAS제품을 제안했다.

값싸고 고성능 "인기〃이 두가지 안은 서로 장단점을 가지고 있었으나 JEDEC에서의 최종 모드는 펄스RAS로 결정됐다. 그러나 그후 범용화를 추진하는과정에서 결국 비용문제가 발생해 본격적인 시장진입이 지연되어 왔다.

메모리제품의 가장 큰 수요처인 PC가 비싸다는 이미지를 벗고 보편화되기위해서는 부품가격 인하가 절대적이었기 때문에 SD램이 비록 고성능을 내더라도 가격이 높으면 사용을 주저하게 될 것이다. 결국 모든 사용자에게 고성능저가격제품을 제공해야만 하는 부담이 남게 되는 것이다. 이에 따라 SD램의실용화를 위한 여러가지 세부항목들에 대해서는 추가로 많은 논의가 진행됐으며 최근 삼성전자와 NEC가 PC용으로 적합한 "SD램 라이트(Lite)"에 대한표준화를 이루면서 본격적인 SD램시대가 열릴 것으로 예상되고 있다.

데이터퀘스트에 따르면 96년을 시작으로 SD램 사용이 본격적으로 이뤄지기시작, 98년에는 전체 D램시장의 37.5%를 SD램이 차지할 것으로 보고 있다.

PC에서 실제로 명령어를 처리하는 것은 CPU가 담당하며 메모리를 포함한나머지 부분은 궁극적으로 CPU가 최고의 효율을 낼 수 있도록 하기 위한 도구이다.

그러나 CPU는 명령어를 처리할 수 있는 능력은 있어도 누군가 어떤 일을하라고 지시하고 그 일에 필요한 데이터를 제공하지 않으면 아무런 일도 할수없다.

따라서 CPU가 아무리 빠르게 동작하더라도 CPU가 어떤 일을 수행할 것인가를알려주고 그 일에 필요한 데이터를 제공하는 주변환경이 빠르지 못하면 CPU의 성능을 최대한 이용할 수 없게 된다. 메모리가 빠르게 동작해야 하는 이유가 이것이다.

메모리는 CPU가 수행해야할 명령어와 그 명령어를 수행하기 위해 필요한모든 정보를 가지고 있기 때문이다. 1980년 5MHz로 동작하던 8086은 2백ns마다한가지씩 명령어를 수행할 수 있었다. 그러나 펜티엄은 1백66MHz까지 속도가빨라졌으며 이는 6ns마다 명령어를 처리할 수 있음을 의미한다. 이런 CPU의성능을 최대한 이용하려면 메모리도 매 6ns마다 데이터를 제공할 수 있어야한다.그러나 기존 비동기식 메모리인 EDO D램은 현재 최고 20ns주기의 동작이 가능할 뿐이다. 때문에 펜티엄시대에는 CPU와 D램 사이의 속도차이를보완하기 위한 2차 캐시의 사용이 급격하게 증가했다. 표준화 경쟁에서 결판이와 함께 빠른 SD램을 이용해 2차캐시를 사용하지 않고 성능을 향상시키려는 시도가 진행되고 있으며 이는 2차캐시를 사용하지 않음에 따른 가정용 PC의 저가격화에 일조하고 있는 것이다.

오늘날의 CPU들은 내부 1차캐시를 내장하고 있으며 내부 1차캐시의 라인사이즈는 32바이트가 대부분이다. 때문에 CPU가 캐시의 한 라인을 교체하고자할 때는 64비트(8바이트)버스를 이용하여 네번에 걸쳐 읽기.쓰기를 수행하게된다.

따라서 CPU의 메인 메모리는 하나의 데이터를 빨리 가져오는 것도 중요하지만 네번의 연속된 데이터를 얼마나 빨리 이동시킬 수 있는가 하는 것이 시스템 성능향상에 많은 영향을 미치게 된다.

PC에 사용되는 CPU가 내부동작은 빠르게 수행하지만 외부 메모리와 데이터를주고 받을 때는 현재 66MHz가 보편화되어 있으므로 CPU의 빠른 속도는 큰의미가 없는 것이다. 이유는 메모리가 느린 이유도 있지만 마더보드상에서그이상의 속도를 낼 수 없게 설계하는 데에도 어려움이 있기 때문이다. 따라서현재는 66MHz버스(15ns 사이클 타임)에서 메모리 동작이 일어나고 있다.

기존 비동기식 D램과 SD램의 성능을 비교해보면 한 라인의 캐시데이터를전송하는데 걸리는 클록수는 FD, EDO, SD램의 순으로 작아진다. 데이터를 전송하는데 소모되는 클록수가 작아진다는 것은 필요한 데이터 처리를 위한 시간이 그만큼 적게 걸린다는 것을 의미한다. 메모리와의 데이터전송이 빨리이루어진다는 것은 CPU가 그만큼 빨리 필요한 명령을 수행하고 있다는 의미다.

현재의 66MHz 버스에서 이같은 결과를 보이지만 향후 더 빠른 버스가 등장하게 되면 기존 비동기식 D램은 더 많은 클록을 필요로 하게 될 것이다. 그러나 SD램은 1백MHz이상에서도 X-1-1-1을 지원할 수 있으므로 다음 세대 메모리로 인식되고 있는 것이다.

싸고 빠른 D램은 유저 및 시스템메이커의 절대적인 요청이다. 각종 반도체제품은 시장에서 희비가 바로 나타난다. 그 예로 니블(Nibble)모드 D램(1개의어드레스로 4개의 데이터를 연속적으로 액세스하는 제품), SC D램(연속적인어드레스만으로 연속적인 데이터를 액세스하는 제품) 등은 메모리에 속하지못한 채 역사속으로 묻혀버렸으며 반면에 EDO D램은 성능향상으로 거의 모든시스템에 채용될 정도로 현재 범용화됐다.

두 부류를 살펴보면 약간의 성능차이는 느낄 수 있지만 거의 비슷한 제품이다. 그러나 얼마나 많은 공급자가 채택하여 상용제품화 하였는지, 얼마나많은 제어업체가 지원가능한 제품을 만들어 냈는지, 이들을 이용하여 얼마나많은 시스템업체가 채용했는지가 큰 성패요인이었다고 볼 수 있다.

SD램도 차세대 메모리로 더 크게 부각되기 위해서는 대형 세트메이커와 공동으로 추진할 수 있는 마케팅전략이 우선돼야하며 상호간의 취약점을 보완해조기에 표준화가 이뤄져야 한다. 또 가능한 싸고 빠른 제품을 만들어 내기위한 공급자의 끊임없는 노력이 있어야 할 것이다.

앞으로의 메모리 추세는 싱크로너스 인터페이스 제품이 주류를 이룰 것이고벌써 많은 시스템 메이커들이 제품 출시를 준비중에 있으며 통신 및 게임기시장에서는 벌써 상품화되어 출시중에 있다. SD램은 저가PC.워크스테이션.

세트톱박스.64비트게임기.VOD.통신.가전제품 등 멀티미디어시스템에 범용적으로 채용돼 무한한 성장성을 가지고 있으며 더 빠르고 더 싼 SD계열 제품의지속적인 연구개발로 보편화되고 영속성 있는 D램 제품군으로 자리를 잡아나갈 것이다.