컴퓨터 메모리 종류와 계층 구조: SRAM·DRAM·Flash의 역할
컴퓨터 메모리의 휘발성과 비휘발성 분류, SRAM·DRAM·Flash 특성, 접근 방식과 계층 구조를 정리한다.
2026-08-14 · 최초 발행 2026-01-06
저장 특성과 접근 방식으로 보는 메모리
메모리는 데이터와 프로그램을 보관하는 하드웨어 구성 요소다. 전원이 끊겼을 때 데이터가 남는지, 어떤 방식으로 위치를 찾는지, 읽기와 쓰기를 얼마나 허용하는지에 따라 성격이 갈린다. 반도체·자기·광학 기술과 주기억장치·캐시·보조기억장치라는 용도도 분류 기준이 된다.
메모리 계층은 가장 빠른 저장공간을 프로세서 가까이에 두고, 아래로 갈수록 용량과 비용 효율을 확보하는 구조다.
전원이 유지되는 동안 동작하는 메모리
RAM은 임의의 위치에 접근하는 휘발성 메모리다. 전원 상태에서 데이터를 유지하며, SRAM과 DRAM이 대표적이다.
캐시와 레지스터를 위한 SRAM
SRAM은 6개 트랜지스터로 구성한 플립플롭 구조를 사용한다. 접근 시간은 1-2ns로 매우 빠르고 리프레시가 필요 없으며, 전원이 유지되는 동안 데이터를 보존한다. 대신 DRAM보다 20-30배 비싸고 집적도가 낮아 CPU의 L1·L2·L3 캐시와 레지스터 파일에 사용된다.
주기억장치의 기반인 DRAM
DRAM 셀은 커패시터와 트랜지스터를 조합한 1T1C 구조다. 접근 시간은 40-60ns이며, 수 ms마다 리프레시해야 한다. 저렴한 비용과 GB 단위의 고집적도가 장점이라 메인 메모리에 적합하다.
종류 데이터 전송률 전압 특징
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SDRAM 100-133 MT/s 3.3V 동기식 동작
DDR 266-400 MT/s 2.5V 클럭 양 에지 전송
DDR2 533-800 MT/s 1.8V 4비트 프리페치
DDR3 1066-1600 MT/s 1.5V 8비트 프리페치
DDR4 2133-3200 MT/s 1.2V 뱅크 그룹
DDR5 4800-6400 MT/s 1.1V 32뱅크, ECC
SRAM과 DRAM은 셀 구조의 차이에서 비용과 배치 위치가 달라진다.
그래픽과 임베디드 환경의 메모리
VRAM은 CPU와 GPU가 동시에 접근할 수 있는 이중 포트와 그래픽 처리를 위한 병렬 전송 대역폭을 제공한다. GDDR5, GDDR6, HBM이 여기에 속하며 그래픽카드 메모리와 프레임버퍼에 쓰인다.
MRAM은 자기 터널 접합으로 데이터를 유지하는 비휘발성 메모리다. 수 ns 수준의 SRAM급 속도와 무한대 쓰기 사이클을 특징으로 하며, 상용화 초기 단계에서 임베디드 시스템에 적용되고 있다.
전원을 꺼도 남는 저장공간
ROM 계열은 저장 후의 변경 가능성과 소거 방법에 따라 구분된다. Mask ROM은 제조 시 마스크 공정으로 데이터를 고정하므로 출하 후에는 수정할 수 없으며, 레거시 펌웨어와 BIOS에 쓰이고 대량 생산에서는 비용이 낮다.
PROM은 퓨즈 소손 방식으로 한 번만 기록할 수 있다. 전용 장비를 사용해 프로그래밍하며 프로토타입과 소량 생산에 사용된다. EPROM은 칩 상단의 석영 창을 통해 자외선을 쬐어 전체 데이터를 지울 수 있어 여러 번 재프로그래밍할 수 있고, 개발 단계와 레거시 시스템에서 사용된다.
EEPROM은 자외선 없이 전기 신호로 소거하며 개별 바이트를 수정할 수 있다. 수명은 100만 회 쓰기 사이클이고 설정 저장이나 소량 데이터 보관에 적합하다.
NAND와 NOR로 나뉘는 Flash
NAND Flash는 512B-4KB 페이지와 128KB-256KB 블록 단위로 동작한다. 순차 접근에서 높은 처리량을 내지만 랜덤 접근은 상대적으로 느리다. TB 단위까지 고집적할 수 있어 SSD, USB 드라이브, SD 카드에 쓰인다.
NOR Flash는 개별 바이트를 랜덤 접근할 수 있으며 XIP(Execute in Place)로 메모리에서 코드를 직접 실행한다. 쓰기 속도는 NAND보다 느리고, 임베디드 펌웨어와 BIOS의 코드 저장에 사용된다.
특성 NAND Flash NOR Flash
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셀 크기 작음 큼
용량 대용량 (GB-TB) 소용량 (MB-GB)
읽기 속도 중간 빠름
쓰기 속도 빠름 느림
소거 단위 블록 블록/섹터
비용 저렴 비싸
용도 저장장치 코드 저장
적층과 소재 변화로 확장되는 비휘발성 메모리
3D NAND는 64-176 레이어를 수직으로 적층한다. 평면 NAND보다 10배 이상 높은 용량을 제공하며, TLC와 QLC에서도 실용적인 수명을 확보해 현대 SSD의 표준 기술이 됐다.
FeRAM은 전기장 극성으로 데이터를 저장하는 강유전체 메모리다. 쓰기 에너지는 nJ 수준이고 쓰기 시간은 수십 ns이며 IoT, 웨어러블, 스마트카드에 사용된다.
PCM은 결정 상태와 비정형 상태의 전환으로 데이터를 보관한다. 읽기는 DRAM 수준이고 쓰기는 Flash보다 빠르며, 10⁸ 쓰기 사이클의 내구성을 바탕으로 차세대 스토리지 클래스 메모리로 전망된다.
ReRAM은 산화물 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 저항 변화로 데이터를 저장한다. fJ 수준의 쓰기 에너지와 크로스바 기반 3D 적층을 특징으로 하며, AI 가속 뉴로모픽 칩을 위한 연구 단계에 있다.
위치를 찾는 방식의 차이
SAM은 데이터를 순서대로 읽고 쓰는 순차 접근 메모리다. 자기 테이프와 과거의 드럼 메모리가 예시이며, 느리지만 대용량 백업과 아카이빙, 장기 보관에 적합하다.
DAM은 블록 위치로 빠르게 이동한 뒤 순차적으로 접근한다. HDD가 트랙을 탐색한 뒤 섹터를 읽는 방식이 여기에 해당한다. RAM보다 느리지만 테이프보다 빠르며 보조기억장치에 쓰인다.
RAM은 모든 위치에 동일한 시간으로 접근하는 무작위 접근 방식이다. SRAM, DRAM, 논리적 관점의 Flash가 예시이고, 빠른 접근 대신 비용이 높아 주기억장치와 캐시에 사용된다.
CAM은 주소가 아닌 내용으로 엔트리를 찾는 연관 접근 메모리다. 모든 엔트리를 병렬 비교하므로 초고속 검색이 가능하지만 매우 비싸다. TLB, 라우팅 테이블, 캐시 태그가 대표적인 사용처다.
계층마다 달라지는 용량과 지연
CPU 내부의 레지스터는 수십 Bytes 크기이며 32-64개 레지스터로 구성된다. SRAM 플립플롭 기술을 사용하고 0.25ns, 즉 1 사이클 속도로 동작한다.
캐시는 SRAM으로 구성된 다중 레벨 저장공간이다. L1은 32-64KB와 1-2ns, L2는 256KB-1MB와 3-5ns, L3는 공유되는 8-32MB와 10-20ns 특성을 가진다. 포함성·배타성 정책도 캐시 계층의 동작에 영향을 준다.
일반 PC의 주기억장치는 8-128GB 용량의 DDR4 또는 DDR5 DRAM으로 구성되며 절대 지연은 40-60ns다. 운영체제가 이를 관리하고 가상 메모리와 연결한다.
보조기억장치에서는 SSD가 256GB-4TB, 10-100μs, NAND Flash 특성을 보인다. HDD는 1-20TB, 5-10ms, 자기 디스크 기반이다. 둘 다 영구 저장과 대용량, 저비용을 담당한다.
성능을 판단하는 기준
메모리의 접근 시간은 읽기·쓰기 요청부터 데이터 전달까지 걸리는 시간이다. 사이클 시간은 연속 접근 사이에 필요한 최소 간격이고, 대역폭은 초당 전송할 수 있는 데이터량이다. CAS Latency와 RAS-to-CAS delay 같은 지연도 함께 확인해야 한다. 활성·대기·리프레시 상태별 전력 소비 역시 설계 판단에 포함된다.
메모리 피라미드:
- 상위: 빠르고 비싸고 작음 (레지스터, 캐시)
- 중간: 중간 속도, 중간 비용, 중간 용량 (DRAM)
- 하위: 느리고 저렴하고 큼 (SSD, HDD)
목표: 상위 메모리 속도로 하위 메모리 용량 제공
메모리 계층을 바꾸는 기술 흐름
HBM은 DRAM 다이를 3D로 적층하고 TSV(Through-Silicon Via)로 연결해 HBM3에서 1TB/s 이상의 대역폭을 제공한다. GPU, AI 가속기, HPC가 주요 용도다.
CXL은 여러 CPU가 메모리를 공유하는 풀링과 하드웨어 수준의 캐시 일관성을 지원한다. 동적인 메모리 할당과 확장을 가능하게 하며 데이터센터 메모리 아키텍처의 변화를 예고한다.
PIM(Processing-in-Memory)은 메모리 내부에 연산 장치를 통합해 데이터 이동을 줄인다. 그에 따라 대역폭을 높이고 메모리와 프로세서 사이 전송 에너지를 절감하며, 삼성 HBM-PIM과 UPMEM에 적용된다.
DNA 저장장치는 1g에 215 PB를 저장할 수 있는 이론치를 가진다. 데이터는 수천 년 보존할 수 있으나 쓰기·읽기 속도와 비용이 과제로 남아 있으며, 장기 아카이빙 솔루션으로 전망된다.