멀티 레벨 셀

전자 공학에서 멀티 레벨 셀(Multi-level Cell, MLC)은 단일 비트의 정보만 저장할 수 있는 싱글 레벨 셀(Single Level Cell, SLC)과 비교하여, 하나 이상의 비트 정보를 저장할 수 있는 메모리 셀이다. 메모리 셀은 일반적으로 단일 플로팅 게이트 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)으로 구성되므로, 멀티 레벨 셀은 싱글 레벨 셀과 동일한 양의 데이터를 저장하는 데 필요한 MOSFET의 수를 줄여준다.

트리플 레벨 셀(Triple Level Cell, TLC)과 쿼드 레벨 셀(Quad Level Cell, QLC)은 MLC 메모리의 변형으로, 각각 셀당 3비트와 4비트를 저장할 수 있다. "멀티 레벨 셀"이라는 명칭은 때때로 "2레벨 셀"을 구체적으로 지칭하는 데 사용되기도 한다. 전체적으로 메모리는 다음과 같이 명명된다:
 싱글 레벨 셀 또는 SLC (셀당 1비트)
 멀티 레벨 셀 또는 MLC (셀당 2비트), 또는 더블 레벨 셀(DLC)
 트리플 레벨 셀 또는 TLC (셀당 3비트) 또는 3비트 MLC
 쿼드 레벨 셀 또는 QLC (셀당 4비트)
 펜타 레벨 셀 또는 PLC (셀당 5비트) – 현재 개발 중
이 명칭은 혼동을 줄 수 있는데, "n레벨 셀"은 실제로는 n비트를 저장하기 위해 2n개의 전하 단계를 사용하기 때문이다(아래 참조).

일반적으로 "레벨" 수가 증가함에 따라 성능(속도 및 신뢰성)과 소비자 가격은 낮아지지만, 이러한 상관관계는 제조사에 따라 다를 수 있다.

MLC 메모리의 예로는 MLC NAND 플래시, MLC PCM(상변화 메모리) 등이 있다. 예를 들어, SLC NAND 플래시 기술에서 각 셀은 두 가지 상태 중 하나로 존재하여 셀당 1비트의 정보를 저장할 수 있다. 대부분의 MLC NAND 플래시 메모리는 셀당 네 가지 가능한 상태를 가지므로 셀당 2비트의 정보를 저장할 수 있다. 이는 상태를 구분하는 마진의 양을 줄여 오류 발생 가능성을 높인다. 낮은 오류율을 위해 설계된 멀티 레벨 셀은 때때로 엔터프라이즈 MLC(eMLC)라고 불린다.

멀티 레벨 셀 및 3D 플래시와 같은 신기술과 생산량 증가는 계속해서 가격을 낮추고 있다.

 싱글 레벨 셀 
플래시 메모리는 플로팅 게이트 MOSFET 트랜지스터로 만들어진 개별 메모리 셀에 데이터를 저장한다. 전통적으로 각 셀은 두 가지 가능한 상태(각각 하나의 전압 레벨)를 가졌으며, 각 상태는 1 또는 0을 나타내어 소위 싱글 레벨 셀 또는 SLC 플래시 메모리라고 불리는 각 셀에 1비트의 데이터가 저장되었다. SLC 메모리는 쓰기 속도가 빠르고 전력 소비가 적으며 셀 수명이 길다는 장점이 있다. 그러나 SLC 메모리는 MLC 메모리보다 셀당 저장 데이터가 적기 때문에 제조 시 메가바이트당 비용이 더 많이 든다. 높은 전송 속도와 기대 수명이 길기 때문에 SLC 플래시 기술은 고성능 메모리 카드에 사용된다.
2016년 2월, 실제 사용에서 SLC와 MLC의 신뢰성 차이가 거의 없음을 보여주는 연구가 발표되었다.

싱글 레벨 셀(SLC) 플래시 메모리는 약 50,000에서 100,000회의 프로그램/삭제 주기의 수명을 가질 수 있다.

싱글 레벨 셀은 거의 비었을 때 1을 나타내고 거의 찼을 때 0을 나타낸다. 두 가능한 상태 사이에는 셀에 저장된 데이터를 정확하게 읽을 수 없는 불확실한 영역(읽기 마진)이 존재한다.

 멀티 레벨 셀 
MLC 플래시 메모리의 주요 이점은 높은 데이터 밀도로 인한 저장 단위당 낮은 비용이며, 메모리 판독 소프트웨어는 더 큰 비트 오류율을 보완할 수 있다.Micron's MLC NAND Flash Webinar. . 높은 오류율은 여러 비트 오류를 수정할 수 있는 에러 정정 코드(ECC)를 필요로 한다. 예를 들어, 샌드포스 SF-2500 플래시 컨트롤러는 512바이트 섹터당 최대 55비트를 수정할 수 있으며, 복구 불가능한 읽기 오류율은 1017비트 읽기당 1섹터 미만이다. 가장 일반적으로 사용되는 알고리즘은 BCH 부호(Bose–Chaudhuri–Hocquenghem)이다. MLC NAND의 다른 단점은 SLC 플래시 메모리에 비해 낮은 쓰기 속도, 적은 프로그램/삭제 주기 횟수 및 높은 전력 소비이다.

오류 해결을 돕기 위해 두 번째 임계값 전압에서 동일한 데이터를 읽어야 하므로 MLC NAND의 읽기 속도도 SLC보다 느릴 수 있다. TLC 및 QLC 장치는 ECC로 수정 가능한 값을 얻기 위해 각각 동일한 데이터를 최대 4회 및 8회까지 읽어야 할 수도 있다.

MLC 플래시는 약 1,000에서 10,000회의 프로그램/삭제 주기 수명을 가질 수 있다. 이는 일반적으로 플래시 장치의 유용한 수명을 연장하기 위해 웨어 레벨링을 사용하는 등 플래시 메모리의 한계에 맞춰 설계된 플래시 파일 시스템의 사용을 필요로 한다.

인텔 8087은 마이크로코드 ROM을 위해 셀당 2비트 기술을 사용했으며, 1980년에 멀티 레벨 ROM 셀을 사용한 시장 최초의 장치 중 하나였다."Four-state cell called density key" article by J. Robert Lineback. "Electronics" magazine. 1982 June 30. 인텔은 이후 1997년에 2비트 멀티 레벨 셀(MLC) NOR 플래시를 시연했다. NEC는 1996년에 셀당 2비트를 저장하는 64Mbit 플래시 메모리 칩으로 쿼드 레벨 셀을 시연했다. 1997년에 NEC는 4Gbit 용량의 쿼드 레벨 셀을 갖춘 동적 램(DRAM) 칩을 시연했다. ST마이크로일렉트로닉스 또한 2000년에 64Mbit NOR 플래시 메모리 칩으로 쿼드 레벨 셀을 시연했다.

MLC는 4개의 전하 값 또는 레벨을 사용하여 셀당 2비트를 저장하는 셀을 지칭하는 데 사용된다. 2비트 MLC는 다음과 같이 가능한 모든 1과 0의 조합에 단일 전하 레벨이 할당된다: 약 25%가 찼을 때 셀은 이진 값 11을 나타내고, 50%에 가까울 때 01, 75%에 가까울 때 00, 100%에 가까울 때 10을 나타낸다. 여기서도 값들 사이에 셀에 저장된 데이터를 정확하게 읽을 수 없는 불확실한 영역(읽기 마진)이 존재한다.

 일부 솔리드 스테이트 드라이브는 MLC NAND 다이의 일부를 마치 단일 비트 SLC NAND인 것처럼 사용하여 더 높은 쓰기 속도를 제공한다.Samsung. "Samsung Solid State Drive: TurboWrite Technology White Paper". 2013.

 거의 모든 상업용 MLC는 평면 기반(즉, 셀이 실리콘 표면에 구축됨)이며 따라서 스케일링 제한의 영향을 받는다. 이 잠재적인 문제를 해결하기 위해 업계는 이미 오늘날의 한계를 넘어 저장 밀도 증가를 보장할 수 있는 기술을 모색하고 있다. 가장 유망한 것 중 하나는 셀을 수직으로 쌓아 평면 스케일링의 한계를 피하는 3D 플래시이다.

과거에 일부 메모리 장치는 더 낮은 비트 오류율을 제공하기 위해 비트당 두 개의 셀을 사용하는 반대 방향의 방식을 취하기도 했다.

엔터프라이즈 MLC(eMLC)는 상업적 용도에 최적화된 MLC의 더 비싼 변형이다. 일반 MLC보다 수명이 길고 신뢰성이 높으면서 전통적인 SLC 드라이브보다 비용 절감 효과를 제공한다고 주장한다. 많은 SSD 제조업체가 엔터프라이즈용 MLC 드라이브를 생산했지만, 마이크론만이 이 명칭으로 가공되지 않은 NAND 플래시 칩을 판매한다.

 트리플 레벨 셀 
섬네일|alt=2TB 3D NAND SSD 이미지|트리플 레벨 셀 저장 장치
트리플 레벨 셀(TLC)은 셀당 3비트의 정보를 저장하는 NAND 플래시 메모리의 한 유형이다. 도시바는 2009년에 트리플 레벨 셀을 갖춘 메모리를 도입했다.

현재 기술로는 최대 3,000회의 프로그램/삭제 주기 수명을 달성할 수 있다.

삼성은 총 8개의 전압 상태(값 또는 레벨)를 사용하여 셀당 3비트의 정보를 저장하는 NAND 플래시 유형을 발표하고 "트리플 레벨 셀"("TLC")이라는 용어를 만들었다. 삼성전자는 2010년부터 이를 양산하기 시작했으며, 삼성의 840 시리즈 SSD에서 처음 확인되었다. 삼성은 이 기술을 3비트 MLC라고 부른다. MLC의 부정적인 측면은 TLC에서 증폭되지만, TLC는 여전히 더 높은 저장 밀도와 낮은 비용의 혜택을 받는다.

2013년, 삼성은 128Gbit의 메모리 용량을 가진 트리플 레벨 셀 기반의 V-NAND(Vertical NAND, 3D NAND라고도 함)를 도입했다. 그들은 2015년에 TLC V-NAND 기술을 256Gbit 메모리로, 2017년에는 512Gbit로 확장했다.

엔터프라이즈 TLC(eTLC)는 상업적 용도에 최적화된 TLC의 더 비싼 변형이다.

 쿼드 레벨 셀 
섬네일|right|alt="Samsung Solid State Drive"라는 문구가 적힌 회색 SSD|삼성 870 QVO: 8 TB 저장 용량을 가진 QLC SSD
셀당 4비트를 저장하는 메모리는 TLC에서 설정된 관례에 따라 일반적으로 쿼드 레벨 셀(QLC)이라고 불린다. QLC가 발명되기 전에는 "QLC"라는 용어가 4개의 전압 상태를 가질 수 있는 셀, 즉 현재는 DLC라고 명확하게 불리는 셀당 2비트를 저장하는 셀을 지칭하는 MLC와 동의어로 사용되기도 했다.

더 높은 레벨의 플래시를 위해 기하급수적으로 증가하는 전압 단계 수로 인해 QLC의 수명은 최대 1,000회의 프로그램/삭제 주기로 더욱 단축된다.

2009년, 도시바와 샌디스크는 셀당 4비트를 저장하고 64Gbit 용량을 가진 쿼드 레벨 셀 기반 NAND 플래시 메모리 칩을 도입했다.

2009년에 도입된 샌디스크 X4 플래시 메모리 카드는 각 개별 트랜지스터에서 16개의 이산 전하 레벨(상태)을 사용하는, 일반적으로 쿼드 레벨 셀(QLC)로 불리는 셀당 4비트 저장 NAND 메모리를 기반으로 한 최초의 제품 중 하나였다. 이 메모리 카드에 사용된 QLC 칩은 도시바, 샌디스크 및 SK하이닉스에 의해 제조되었다.

2017년, 도시바는 최대 768Gbit의 저장 용량을 가진 쿼드 레벨 셀 기반 V-NAND 메모리 칩을 도입했다. 2018년, ADATA, 인텔, 마이크론 및 삼성전자는 QLC NAND 메모리를 사용하는 일부 SSD 제품을 출시했다.

2020년, 삼성은 고객을 위해 최대 8TB의 저장 공간을 가진 QLC SSD를 출시했다. 이는 2020년 기준 소비자를 위한 가장 큰 저장 용량을 가진 SATA SSD이다.

엔터프라이즈 QLC(eQLC)는 상업적 용도에 최적화된 QLC의 더 비싼 변형이다.

 참고 자료 
 Micron's MLC NAND Flash Webinar: https://web.archive.org/web/20070722200149/http://www.micron.com/products/nand/mlc-webinar.aspx

 같이 보기 
 비휘발성 메모리
 솔리드 스테이트 드라이브

 각주 

 외부 링크 
  What is NAND Flash
  NAND Flash Applications
  Linux Memory Technology Devices - NAND
  https://web.archive.org/web/20070927204538/http://www.st.com/stonline/products/literature/anp/12672.htm
  Open NAND Flash Interface

분류:비휘발성 메모리