6. Memory

6.1 메모리란 무엇인가?

메모리의 하드웨어는 1과 0의 상태를 기억하는 장치를 말한다. 사실 이렇게 얘기하면 하드 디스크나 자기 테입과 같은 보조기억 장치도 이에 포함되는 것이 아닌가라고 물을지도 모른다. 그에 대한 대답은 '맞을 수도 있다'라는 것이다. 우리가 보통 메모리라고 부르는 것은 1과 0의 디지탈 값을 기억시키고 또 다시 읽어낼 수만 있으면 해당되는 말이다. 생각해보면 수십년전과 같은 컴퓨터의 초기시대에는 오늘날과 같은 메모리 칩이 없었고 종이 테입에 프로그램과 데이타를 기록하는 것부터 시작되었다. 그것이 시간이 흐름에 따라 발전해 나가면서 자기 테잎, 자기 디스크, 자기드럼, 자기 코어 등과 같은 자성체를 이용한 메모리로 옮아가기 시작하다가 약 20년전에서야 반도체 메모리가 개발되어 오늘날에 이르게 된 것이다.

하지만 오늘날에는 자성을 이용한 기억장치를 메모리라고 부르는 경우는 별로 없게되었다. 왜냐하면 이러한 기억장치는 대용량 기억장치를 만들기가 비교적 용이하고 가격이 저렴하게 만들 수 있는 점 때문에 사용되기는 하지만 데이타를 읽고 쓰는 속도에 있어서는 반도체 메모리 소자에는 결코 따라가지 못하기 때문이다. 또한 나날이 반도체 메모리 칩의 가격이 급격하게 떨어져가면서 더이상 자기 메모리 장치를 사용할 필요 자체도 많이 사라져버렸다. 그래서 보통 반도체 메모리를 주 메모리로 사용하고 보조기억장치를 보조 메모리로 사용하는 것이 보통이다. 또한 일반적으로 메모리라고 하면 반도체 메모리 칩을 가리키는 말로 통용되고 있기도 하다.

6.2 메모리의 동작 원리

비단 메모리 칩 뿐만 아니라 모든 반도체 부품이 동작하기 위해서는 전원공급이 필요하다. 그래서 메모리 칩에는 전원(VCC) 핀과 그라운드(GND) 핀이 마련되어 있다. 일반적으로 우리가 사용하고 있는 컴퓨터 내부의 메모리 칩들은 거의 대부분 5볼트의 직류전원을 필요로 한다. 최근에 노트북 컴퓨터의 분야에서는 배터리 소비를 줄여서 재충전을 하지 않고 좀 더 오래 사용하기 위해서 3 볼트, 혹은 3.3 볼트의 직류전원을 사용하도록 하는 메모리 칩들을 개발해서 사용하기 했지만 이제 막 걸음마 단계일 뿐 우리가 책상 위나 옆에 놓고 사용하는 컴퓨터와는 거리가 먼 이야기이다.

그 다음으로 메모리 칩에는 데이타 버스가 있게된다. 여기서 버스(Bus)라고 하는 것은 어떤 한 종류의 신호가 2개 이상의 단일신호로 이루어졌을 때 부르는 말이다. 가령 예를 들어서 우리가 보통 컴퓨터에서 데이타를 다룰 때에는 애스키 코드를 만드는 바이트 단위로 처리함을 알고 있을 것이다. 이때 비트 0에서 비트 7까지 8개의 신호가 있게 되는데 이 8개 전체의 신호를 한꺼번에 처리하기 때문에 버스라는 용어를 사용하는 것이다. 메모리 칩에 데이타를 써 넣을 때에나 혹은 읽을 때에도 데이타 버스를 통해서 한꺼번에 읽고 쓰게 된다. 행여나 데이타를 읽기 위해 사용하는 데이타 버스와 데이타를 써넣기 위해서 사용하는 데이타 버스가 따로 있는 것이 아닐까 생각할 지도 모르겠지만 일반적인 메모리에 있어서 데이타 버스는 한가지가 있을 뿐이다. 따라서 메모리 칩에 데이타를 읽을 때와 써넣을 경우는 동시에 일어나지 않음을 알 수 있다. 용량을 가진다고 하는 것은 이처럼 1024 개의 내용을 따로따로 동시에 저장할 수 있다고 생각해보자. 그렇다면 칩 내부에는 1024 개의 서로 구분할 수 있는 영역이 필요해진다. 그리고 이 영역들을 일일히 분간해내기 위해서 외부에서 선택하도록 하는 신호가 필요하게된다. 이 역할을 하는 것이 바로 어드레스 버스이다.

1024 바이트, 즉 1 킬로 바이트의 각 영역을 분간해내는 것을 어드레싱이라고 말하는데 제대로 어드레싱을 하기 위해서는 모두 10개의 핀만 있으면 된다. 왜냐하면 210 = 1024이기 때문이다. 10개의 어드레스 핀에 주는 값이 0과 1의 두가지 중의 하나이므로 조합을 해 보면 이 계산이 나온다.

보통 이런 경우에는 A0, A1, A2,.... , A9 등으로 표기한다. 이때 데이타 버스의 경우와 마찬가지로 항상 0 부터 시작하는 것에 유의해야 한다. 아뭏든 1 킬로바이트 용량을 가진 메모리 칩에는 이같은 10개의 핀으로 이루어진 어드레스 버스가 있게된다.

다음으로 필요한 것은 Read, Write 신호이다. 메모리 칩에는 데이타와 어드레스 버스가 각각 하나씩 있기 때문에 이들을 통해서 메모리에 데이타를 써 넣을 때와 여기에서 데이타를 읽어낼 때의 구분이 필요하다. 그래야만 칩 내부에서 제대로 외부와 연결을 할 수 있기 때문이다. 가령 Read 신호를 메모리 칩에 인가하게되면 이 경우는 이 메모리 칩 내부에 데이타를 적어넣는 동작 을 한다는 것을 의미하고 Write 신호가 주게되면 메모리로부터 데이타를 읽어내는 동작을 하는 것을 의미한다. 칩의 종류에 따라서는 단 한개의 선만 가지고 읽고 쓰는 동작을 분간하기도 한다. 이때 핀의 이름을 R/W와 같이 표기하는데 이 핀의 논리값이 'High'(5 볼트)일 때에는 칩에서 데이타를 읽어내는 동작을 하고, 'Low'(0 볼트)일 때에는 칩에 데이타를 써넣는 동작을 하는 것을 의미하게 되는 것이다.

이제 마지막으로 필요한 핀이 있다. 바로 칩선택신호인 CE(Chip Enable), 혹은 CS(Chip Select) 신호이다. 컴퓨터의 내부에는 반드시 CPU가 있어서 메모리 칩들을 비롯한 모든 하드웨어들과 연결되어 있는데 실제로는 동시에 모든 것들과 연결되어 사용되지는 않는다. 이 경우에 외부적으로는 연결되어 있지만 메모리 칩의 내부에서는 외부의 버스와 연결을 끊어서 CPU가 자신이 원하는 메모리 칩에만 실제로 연결될 수 있도록 할 필요가 있게된다. 칩 선택 신호는 바로 이 같은 경우에 사용된다. 즉 CPU는 자신이 원하는 데이타가 있는 메모리 칩들을 선택해서 데이타를 읽어오거나 적어넣는 것이다.

이상과 같은 요소를 가지고 메모리 칩은 구성된다. 물론 여기서 설명한 것은 가장 간단한 구조를 가지는 SRAM의 경우를 들었을 뿐 DRAM이나 다른 여러가지 메모리 칩들의 경우에는 훨씬 더 복잡한 구조와 동작 원리를 가지고 있다. 하지만 근본적으로는 위와 같은 원리를 기본으로 하여 고안된 것이기 때문에 이 정도만으로도 충분한 설명은 될 것이다.

6.3 ROM

일단 저장된 데이타가 전원의 공급이 끊어진 뒤에도 계속 남아있으면 비휘발성 메모리라고 부르고 그렇지 않으면 휘발성 메모리라고 부르는데, 비휘발성 메모리의 대표적인 것은 ROM(Read Only Memory)이다. 이 메모리 소자는 그 이름 그대로 한번 내부에 데이타가 저장되면 그 이후에 있게되는 정상 동작시에는 오직 읽기만 할 수 있을 뿐이고 내부의 내용을 다시 써 넣거나 지우는 것을 못 하게 되어있다. 그러나 여기에 데이타를 써 넣는 방법과 횟수에 의해서 ROM의 종류는 다시 여러가지로 다시 나누어진다.

ROM 칩을 공장에서 처음 만들때 아예 내부에 있는 데이타까지 집어넣어서 생산하는 방법을 사용하면 각각의 칩 하나 당 가장 적은 비용으로 생산을 할 수 있다. 이런 ROM을 마스크 롬(Mask ROM)이라고 부른다. 우리가 사용하는 컴퓨터 내부에 있는 비디오 카드와 같은 보드에는 화면에 표시될 수 있는 수천가지 문자의 형상을 저장해 놓은 롬이 있는데 이것을 보통 폰트 롬(Font ROM)이라고 부르며 보통은 마스크 롬을 사용하게 된다. 여기에 마스크 롬을 사용하는 이유는 폰트는 보통 다시 변경할 필요가 거의 없기 때문이다.

그런데 마스크 롬에 데이타를 집어넣기 위해서는 반드시 반도체 회사에 주문을 해서 특별히 만들어야하는 번거로움이 수반된다. 더구나 공장까지 오가는 시간을 감안하면 하루라도 빨리 제품을 만들어내야하는 오늘날에 있어서는 이것이 시간낭비라고 느껴질 수도 있을 것이다. 더 큰 문제는 만약 필요로 하는 롬의 갯수가 수십개 내지는 수백개 정도에 불과하다면 공장에서 만드는 것이 오히려 더 많은 비용이 들어가게 되는 점이다. 이런 문제가 있을 때 사용되는 롬이 바로 OTPROM(One Time Programmable ROM)이다. 이 롬은 롬 라이터(ROM Writer)같은 간단한 장비를 사용하여 내부에 데이타를 써 넣을 수 있도록 만들어져있다. 그러니까 구태여 반도체 회사와 통하고 공장까지 오갈 필요가 없이 칩에 써 넣을 데이타만 결정되면 그 자리에서 롬에 데이타를 집어넣을 수 있는 것이다. 이처럼 사용자가 써넣을 수 있도록 되는 칩을 PROM이라고 통칭하기도 한다.

OTPROM은 단 한번만 프로그램할 수 있을 뿐이고 더 이상 내부의 내용을 변경하거나 다시 써 넣을 수는 없다. 만약 내부의 내용이 잘못 되었다면 그저 칩을 버리는 수 밖에 없다. 이에 비해서 EPROM(Erasable PROM)은 한 번 데이타를 칩 안에 써 넣었다고 하더라도 나중에 그 데이타를 지우고서 다른 데이타를 집어넣을 수 있는 롬이다. 따라서 EPROM은 컴퓨터 관련 제품의 개발을 하는 개발회사에서 사용하거나 컴퓨터 내부에서 바이오스와 같이 나중에 변경이 필요할 지도 모르는 곳에 사용하는 것이 보통이다.

EPROM은 그 내부에 기록되어 있는 내용을 어떻게 지우느냐의 방법에 따라서 UV-EPROM(Ultra Violet Erasable PROM)과 EEPROM(Electrically Erasable PROM)으로 구분된다. 독자 여러분의 눈에 익숙한 것은 아마도 칩의 가운데에 유리로 된 동그란 창이 있는 UV-EPROM일 것이다. 이 창안을 들여다 보면 내부에 반도체 회로판인 다이(die)가 있음을 알 수 있는데 여기를 통해서 일정 시간동안 자외선을 쬐여주면 내부에 기록되어 있던 데이타가 지워지고 새로운 데이타를 기록할 수 있다. 우리가 사용하는 PC에서는 마더보드와 VGA 카드 등에 바이오스 롬이 들어가는데 이것이 거의 모든 경우에 UV-EPROM을 사용하고 있다.

EEPROM은 이런 유리창같은 것은 없고 단지 칩의 특정 핀을 통해서 전기적인 신호를 줌으로써 내부의 데이타를 지울 수 있는 특징을 가진다. 사용에 있어서는 EEPROM이 더 편리하지만 가격이 UV-EPROM보다 더 비싼 것은 물론이다. EEPROM은 흔히들 E2PROM이라고 적기도 한다.

6.4 RAM

RAM(Random Access Memory)은 원래 10여전까지는 RWM(Read Write Memory)말과 동격으로 쓰였던 말이었다. 분명히 RAM의 특징은 데이타를 읽을 수도 있고 쓸 수도 있는 것이기 때문에 사실상은 RWM이란 명칭이 더 정확한 것이다. 그러나 무슨 이유에서건 오늘날에 있어서는 RWM이란 단어를 쓰는 사람은 찾아볼 수가 없게 되었고 RAM이면 누구나 다 그런 메모리 칩이구나라고 간주를 하게끔 되었다. RAM을 RAM이게 하는 특징은 전원이 연결되어 있는 상태에서 그 칩의 내부에 데이타를 읽거나 쓰는 것이 가능함이다. 이때 전원이 끊어진 이후에 데이타가 지워지거나 말거나의 여부는 문제가 되지 않는다.

RAM은 다시 SRAM(Static RAM)과 DRAM(Dynamic RAM)으로 구분이 된다. 어찌 보면 SRAM이야말로 진정한 RAM이라고 말할 수 있을 것이다. 앞에서 메모리 칩의 동작원리를 설명할 때 보인 것이 바로 RAM인데 단지 전원만 끊임없이 연결해주기만 하면 한번 내부에 기록된 데이타는 저절로 지워짐없이 그대로 유지되는 사실상 '당연한' 특징을 지닌다. 그렇다면 전원을 연결해 놓은 상태에서도 내부에 저장된 데이타가 지워지는 경우도 있을까? 그리고 그런 것을 메모리라고 할 수 있을까? 이에 대한 대답은 불행히도 '그렇다'이다. DRAM이 바로 그런 경우인 것이다.

DRAM은 내부에서 데이타를 저장하는 방법으로서 커패시터에 충전시켜놓는 방법을 사용하고 있다. 그런데 한번 생각해 보자. 4 M DRAM의 경우에 그 손톱만한 칩에 백만개 이상의 커패시터 및 다른 회로들을 집어넣는다고 하면 그 하나 하나의 커패시터는 얼마나 작은 크기가 되겠는가. 그리고 거기에 전하가 충전된다고 해 봤자 얼마나 미세한 양이 충전이 되겠는가? 이같은 사실을 염두에 두면 DRAM에 데이타를 써 넣었을 때 단지 2 밀리초, 즉 1천분의 2초의 시간 밖에는 그 데이타가 유지되지 못한다는 점이 오히려 자연스럽다고 생각이 들 것이다. 아뭏든 그렇다고 치고 내부의 데이타가 지워지면 그것이 어떻게 메모리로서의 기능을 할까라고 의심을 할 수 있다. 이에 대한 유일한 해결 방법이 있다. 바로 '데이타를 다시 써 넣어 주는 일'이 그것이다.

이때 실제로는 외부에서 데이타를 다시 써주는 일을 하지는 않는다. 그 대신에 단지 데이타를 한번 읽어주면 내부의 데이타를 그 값 그대로 다시 써 넣는 효과를 가지기 때문에 그것으로 충분한 것이다. 이 과정을 리프레시(Refresh)라고 부른다. 그런데 1M DRAM은 백만개 이상의 기억장치가 내부에 있으니까 2밀초 안에 2백만 번의 리프레시를 시키고 다시 또 처음부터 리프레시를 다시 시작해야되지 않는가라고 생각할런지도 모르겠지만 전혀 그렇지는 않다. DRAM은 내부에서 기억장치들이 행과 열을 이루어서 구성되어 있기 때문에 단지 행, 또는 열 단위로 리프레시를 시키면 된다. 그러므로 컴퓨터 내부에서의 시간개념으로 따지면 그다지 많은 시간이 필요하지는 않은 것이다.

그렇다면 독자 여러분들의 컴퓨터 안에서 동작하고 있는 RAM은 어떤 종류일까? 거의 반드시 DRAM이다. 왜 하필 DRAM을 사용하는가 하면 바로 값이 싸기 때문이다. 사실상 그 밖의 이유는 없다. SRAM을 사용하면 DRAM처럼 리프레시를 해 주지 않아도 되기 때문에 더 안정된 동작을 하게되고 또 리프레시에 필요한 시간을 절약할 수 있어서 훨씬 빠른 동작을 할 수 있는데도 불구하고 쓰지 못하는 것은 바로 돈 때문인 것이다. 이런 가격차가 생기는 것은 동일한 용량을 가진다고 할 때 SRAM은 DRAM보다 내부 구조가 4배가량 더 복잡하기 때문이다. 그래서 세계적으로도 4메가 DRAM이 개발되는 시기에는 항상 그 1/4 크기인 1메가 SRAM이 개발되고 16메가 DRAM이 나오면 그 제서야 4메가 SRAM이 겨우 나오는 현상을 보이는 것이다.

6.5 플래시 메모리

플래시 메모리(Flash Memory)는 ROM과 RAM의 중간의 위치라고 할 수 있는 메모리이다. 이렇게 말하는 이유는 플래시 메모리가 평소에는 ROM으로의 역할을 하지만 필요에 따라서는 내부의 데이타를 다른 것으로 써 넣는 것이 가능하기 때문이다. 그래서 이 메모리는 마더보드 상에서 BIOS ROM 용으로 사용하는 경우가 많다. 사실 한번 바이오스 메모리를 바꾸기 위해서는 어느 정도 숙련된 기술자가 컴퓨터를 분해하고 이 바이오스 롬을 빼고 새로운 것으로 갈아끼워야 하기 때문에 시간도 비용이 만만치 않다. 그런데 만약 플래시 메모리를 사용한다면 컴퓨터를 사용하는 일반 유저가 바이오스 코드가 들어있는 디스켓을 드라이브에 꽂아서 명령을 실행시키는 것 만으로 이 모든 것이 끝날 수 있다. 컴퓨터를 분해할 필요도 칩을 뽑고 다시 꽂을 필요도 없어지고 그에 따르는 다른 문제들이 발생할 염려도 없어지는 것이다.

최근에는 이 플레시 메모리를 하드디스크 대용으로 사용하기 시작했다. 이른바 카드 메모리의 분야에서는 PCMCIA라는 규격이 세계적으로 통용되고 있는데 플레시 메모리를 가지고 카드 크기의 보조기억장치를 만들어서 하드 디스크 대신 사용하게 되면 액세스 속도도 하드 디스크보다 훨씬 빠를뿐더러 반도체 메모리이기 때문에 어지간한 충격에는 강한 장점을 가진다. 더구나 전력소모 도 하드 디스크에 비하면 매우 작기 때문에 특히나 노트북 컴퓨터나 팜탑 컴퓨터에서는 향후에 주된 보조기억장치의 자리를 차지할 것이 확실해지고 있다. 단지 문제라면 가격이 비싼 것이지만 시간이 가면서 가격이 떨어지고 있어서 하드 디스크와 경쟁을 하게 되는 것은 시간 문제이다.

플래시 메모리로 만든 하드 디스크 규격의 보조기억 장치를 여러분이 가지고 있다면 가지고 있는 컴퓨터를 열고 기존의 AT-Bus 방식의 HDD 인터페이스 커넥터에 그대로 연결하기만 하면 된다. 그대로 동작되도록 만들어 놓은 것이다. 보통의 사용자들에게는 아직 부담스러운 물건일 것이다. 왜냐하면 같은 용량의 하드 디스크보다 몇배 더 값이 비싸기 때문이다.

한가지 알아둘 점은 이 플래시 메모리는 비록 읽고 쓰는 일을 할 수 있는 메모리이지만 RAM의 대용으로서는 쓸 수 없다는 사실이다. 왜냐하면 여기서 데이타를 읽어내는 과정은 일반 RAM과 비슷하게 할 수 있지만 데이타를 써 넣기 위해서는 시간이 오래 걸리는데다가 RAM처럼 쉽게 하지도 못하는 점 때문이다. 그리고 RAM은 데이타를 읽고 쓰는 횟수가 거의 무한대, 즉 칩의 수명이 다하는 동안 가능한 반면에 플래시 메모리는 십만번 정도 써 넣기를 한 뒤로는 더 이상 써넣는 기능을 사용할 수가 없다. 그러므로 RAM과는 다른 것이다. 원래 EEPROM은 RAM과 비슷한 동작을 할 수 있고 플래시 메모리보다도 더 사용하기도 편리하지만 가격이 상당히 비싼 데다가 큰 용량을 만들 수가 없어서 이처럼 ROM의 대용 혹은 보조기억장치의 용도로는 사용할 수는 없다. 그래서 현재 메가비트 단위의 용량을 가지게 만들 수 있는 플래시 메모리를 사용하는 것이다.

6.6 RAM의 변형들

DRAM은 외부에서 리프레시를 일일히 시간을 맞춰서 해 줘야하기 때문에 이 칩을 사용해서 회로를 만드는 일은 꽤나 피곤한 일이다. 그 모든 것이 바로 이 리프레시 때문에 벌어지는 것이다.

그래서 나타난 것이 PSRAM(Pseudo SRAM), 즉 가상 SRAM이다. 이 칩은 내부적으로는 DRAM의 메모리 구조를 그대로 가지고 있지만 칩의 외부에서 볼 때는 그저 SRAM과 비슷하게 사용하면 되는 특징을 가진다. 그 얼마나 편리한가. PSRAM이 이같은 모습을 가지는 것은 바로 리프레시 기능을 칩의 내부에 내장하기 때문에 가능한 일이다. 물론 가격은 일반 DRAM 보다는 약간 비싸지지만 충분히 그 가치를 해 내기 때문에 이 칩의 사용하는 것이다.

한편 DRAM은 리프레시를 해야하고 그밖에 재충전시간도 필요한 특성때문에 액세스 시간(Access time), 즉 동작속도가 빠른 칩을 만들기 어려운 문제를 가진다. 그래서 보통의 방법을 사용해서는 DRAM의 동작 속도를 높이는 것은 한계가 있다. 그런데 DRAM 칩의 내부에 아예 캐시(Cache) 메모리를 내장시켜서 동작속도를 빨리 하는 방법을 사용하는 칩이 최근에 등장을 했다. 이런 칩의 이름을 Cached DRAM이라고 부르는데 판매중인 것은 100MHz의 클럭에서까지도 동작이 가능하다. 가령 똑같이 25MHz의 클럭을 사용하는 386PC라고 하더라도 내부 캐시를 사용하고 안하고에 따라서 그 성능이 상당히 큰 차이를 보이는 것을 보면 이러한 캐시 롬이 일반 롬에 비해서 얼마나 더 빠른 동작을 할 수 있을지는 가히 상상하고도 남을 것이다.

6.7 비디오 램(VRAM)

VRAM(Video RAM)은 특히나 VGA 카드와 같이 비디오 회로에 사용하게끔 만든 칩이다. 그래서 컴퓨터의 비디오 회로 쪽뿐만 아니라 디지탈 효과를 가지는 텔리비젼에서도 VRAM을 사용하고 있기도 하다. 앞에서 이미 메모리 칩의 동작원리에 대해서 간단히 설명을 했었는데 그 내용은 일반적인 대부분의 메모리에만 해당되는 것이고 VRAM에는 맞지 않는 것들이다. 일반 RAM과 VRAM이 다른 점은 바로 동시에 읽고 쓰는 동작을 할 수 있느냐의 여부이다. 일반 RAM은 어드레스 버스와 데이타 버스가 한 시점에 한가지 동작밖에 하지 못한다. 그래서 데이타를 써 넣을 때에는 읽어오는 동작은 하지 못하고 데이타를 읽어낼 때에는 써넣는 일을 하지 못하게 된다. 하지만 VRAM은 데이타를 써 넣는 핀과 읽어내는 핀이 따로 마련되어 있어서 한쪽에서는 데이타를 칩 안에 써 넣고 있는 동안에 동시에 다른 쪽으로는 데이타를 읽어낼 수가 있는 것이다. 이런 특징 때문에 VRAM을 Dual-Port RAM, 즉 입출력 포트가 2 개 있는 RAM이라고 부르기도 한다.

VRAM의 이같은 특징은 VGA 카드와 같은 비디오 보드에서 큰 잇점을 가진다. 일반 RAM을 사용하는 비디오 카드에서는 VGA 제어회로가 화면에의 표시를 위해 메모리로부터 데이타를 읽어내는 동안에 CPU는 자기 맘대로 데이타를 비디오 메모리에 써 넣지 못하기 때문에 잠시 기다려야하는 낭비가 생기는 반면 VRAM은 이를 해소할 수 있기 때문이다. 하지만 VRAM은 내부 구조가 상당히 복잡해지기 때문에 가격도 함께 비싸져서 그다지 많은 회사에서 사용하고 있지는 않는 실정이다.

6.8 시리얼 메모리

디지탈 기기에 따라서는 되도록이면 크기가 작은 메모리를 사용해야 할 경우가 많이 생긴다. 이럴 경우에 사용하는 것이 바로 시리얼(Serial) 메모리다. 여기에는 ROM과 RAM이 다 있는데 시리얼 메모리에는 어드레스 버스 핀이 없다. 그렇다면 어떻게 어드레싱을 할까라고 반문할테지만 이름 그대로 '시리얼'이라는 단어가 그 해결방안이 된다. 즉 데이타를 한 비트씩 직렬로 나열하여 차례로 핀 하나를 통해서 메모리 칩에 넣어주면 내부에 저장이 된다. 이때 각 비트 데이타의 구분은 따로 클럭 신호에 맞춰서 해 주면 문제는 생기지 않는다. 데이타를 읽어낼 때에도 이같은 방식으로 클럭에 맞춰서 한 비트씩 끄집어내면 되는 것이다. 얼마나 메모리 칩의 크기가 줄어들 것인지는 독자들 상상에 맞기겠다. 그저 시리얼 메모리 중에는 전자손목 시계에 들어가는 수은이나 리튬 전지같은 모양과 크기의 것도 있음을 상상해 보라.

6.9 FIFO

FIFO(First-In-First-Out, 보통 파이포라고 읽는다)는 어드레스 버스가 없는 메모리이지만 데이타 버스는 2개가 있다. 한 쪽 데이타 버스는 써넣기 전용의 입력 데이타 버스이고 다른 한 쪽 데이타 버스는 읽기 전용의 출력 데이타 버스이다. 입력 데이타 버스에 데이타를 써 넣으면 이 데이타는 칩의 내부에서 바로 앞에 입력되었던 데이타의 바로 뒤에 놓이게 된다. 그리고 그 다음에 입력되는 데이타는 다시 그 밑에 놓이게 되어 입력된 차례대로 배열이 되는 것이다. 출력 데이타 버스에서 데이타를 읽어낼 때에는 입력 데이타 버스에서 데이타가 들어간 순서대로, 즉 먼저 들어간 데이타가 먼저 나오는 그런 순서대로 데이타가 읽혀지게 된다. 입력과 출력 데이타 버스는 서로 동시에 사용될 수도 있고 만약 입력된 것이 다 읽혀지고 더 이상 입력 데이타가 없으면 출력 쪽으로 FIFO-Empty 신호가 발생되어 더 읽는 것을 방지한다. 그 반대로 입력 데이타 버스 쪽에서 계속 데이타를 넣는데 출력쪽에서 읽어내는 속도가 느리거나 읽어내지 않으면 메모리 칩이 꽉 차는 경우가 생기는데 이 경우에는 FIFO-Empty 신호가 발생되어 데이타를 더 이상 집어넣지 않게 해 준다. 이러한 FIFO는 서로 속도가 다른 두 시스템의 인터페이스에 주로 사용되는데 PC에서는 VGA 칩셋이나 고속 통신용 RS-232C 인터페이스 칩의 내부 등에서 사용되고 있다.

우리가 사용하는 애스키 코드가 8 비트 체계를 가지는 것처럼 컴퓨터의 메모리도 항상 8 비트 단위를 기본으로 하여 구성되어진다. 일반적인 DRAM의 경우에는 칩 하나당 1 개씩의 데이타 핀이 있으므로 8 비트 데이타를 위해서는 8 개의 DRAM이 병렬로 나란히 연결되어야 한다.

비디오 보드에 사용되는 DRAM 칩은 보통 4 비트 단위로 데이타가 입출력되므로 한 바이트 단위로 만들기 위해서는 한번에 칩 2 개가 병렬로 연결되어서 8 비트를 만들게 된다. 80486 등과 같이 32비트 마이크로프로세서를 사용하는 컴퓨터에서는 32비트 버스를 사용하는데 이 경우에도 기본은 8 비트 단위의 메모리가 2 개 혹은 4 개씩 또 다시 병렬로 연결된다.

그런데 실제의 경우에 메모리 칩을 구성하게 되면 기본이 되는 8 비트마다 각각 1 비트씩의 메모리가 더 필요하게 된다. 이는 바로 패리티(parity)를 위해서이다. 예를 들어 컴퓨터 메모리 상에 100킬로 바이트 길이의 프로그램이 저장되어서 실행중이라고 가정해보자. 이때 이 중에서 단 한 비트라도 잘 못 되어 있다면 이 프로그램은 제대로 수행되지 못하고 컴퓨터의 전체 메모리 체계를 엉망으로 만들어 버릴 가능성까지도 생긴다. 프로그램 메모리에서는 이러한 작은 오류도 허용하면 안 되기 때문에 패리티 비트를 따로 만들어서 에러가 발생하는 것을 감지할 수 있도록 해 놓은 것이다.

패리티라는 것은 다음과 같이 동작을 한다. 가령 짝수(Even) 패리티 체계에서라면 데이타와 패리티를 합한 9개의 비트 중에서 1의 갯수는 항상 어느 어드레스에서건 짝수가 되도록 해야한다. 예를 들어 데이타 값이 '11001101'이라면 이것만으로는 1의 갯수가 5개, 즉 홀수가 되므로 나머지 패리티 비트를 '1'로 만들어서 데이타와 패리티 전체의 1의 갯수가 짝수가 되도록 만든다. 이와는 달리 8 비트 데이타가 '11001100'과 같이 이미 그 자체만으로도 '1'의 갯수가 이미 짝수가 되어 있다면 패리티 비트의 값은 그냥 '0'을 유지해서 계속 1개의 갯수가 짝수가 되도록 한다. 이렇게 하면 갑자기 어느 비트에서 문제가 생겨도 처리 도중에 금새 발견할 수 있는 것이다.

하지만 VGA 카드 등에서 사용되는 비디오 메모리에는 패리티 비트가 없다. 즉 단지 8 비트 체계 그대로만을 사용하는 것이다. 이렇게 하는 이유는 모니터 상에 보이는 것은 가끔 점 한 두개 가 잘못 표기될 때가 있더라도 그것은 단지 보이는 것에 문제가 있을 뿐이지 실제로 컴퓨터가 제 기능을 수행하는 데에는 아무런 문제가 없기 때문이다.

원래 가장 기본적인 메모리 칩의 외관은 DIP(Dual In-line Package) 타입이었다. 이 모습은 수 십년전부터 사용되어서 아직까지도 많이 사용되는 IC의 외관이 되고 있다. 하지만 최근에는 이보 다는 SOP(Small Outline Package)가 더 많이 사용되고 있는 추세이다. DIP 타입의 IC가 소켓을 사용할 수 있는 반면 SOP 타입의 IC는 보드에 직접 땜을 통해서 부착이 되어야하는 특징을 가진 다. 이를 SMT(Surface Mount Technology)라고 부른다. 한편 SOP 타입의 칩은 DIP 타입에 비해서 크기가 훨씬 작고 또한 보드에 구멍을 뚫지 않고 사용되므로 더 많은 공간을 활용할 수 있는 장 점이 있다. 물론 고장이 생겨서 수리를 해야될 필요가 있을 때에는 DIP 타입보다는 훨씬 다루기 어려운 단점은 있지만 요즘은 IC 부품의 질과 생산기술이 좋아져서 별로 큰 문제는 되지 않고 있 다.

DIP 타입의 메모리는 소켓을 이용하여 컴퓨터 사용자가 직접 설치를 할 수도 있는 반면에 SOP 타입의 메모리는 보드를 생산하는 시점에서밖에는 설치를 할 수가 없다. 그래서 SOP 타입의 칩을 그대로 사용하지 않고 조그만 보드에 패리티 비트를 포함하여 9 비트 또는 36 비트 단위로 SOP 칩들을 부착하여 메인 보드에 설치하기 쉽게 만든 SIMM(Single In-line Memory Module) 타입의 램이 최근에 많이 사용되고 있기도 하다. 우리가 보통 '모듈램'이라고 부르는 것들이 바로 SIMM 메모리이다.

메모리 칩의 윗 부분을 보면 반드시 문자로 그 칩에 대한 표시를 해 놓은 것을 볼 수 있다. 여기에는 그 칩이 어느 회사에서 만들고 어떤 용량을 가졌으며 언제 어디서 만들었는지의 여부가 기록되어 있다. 또한 메모리 칩의 중요한 성능 요소인 액세스 속도가 몇 나노초인지도 표시되어 있는 것이 보통이다.

가령 27C512-15이라는 표시가 되어 있는 메모리라면 이는 CMOS 기술을 이용하여 제작한 512킬 로 비트(바이트가 아님) 용량을 가진 EPROM이고 액세스 속도는 150나노초(15 나노초가 아님)라는 사실을 짐작할 수 있다. 여기서 27이라는 숫자가 EPROM을 가르키고 512이라는 숫자가 비트 용량 을 가리키는 것이다. 이 방식의 EPROM은 보통 칩에서 8 비트 데이타가 입출력되도록 되어있으므 로 64 킬로 바이트의 크기가 된다. 150 나노초의 액세스 속도를 가지면서도 27C512-150이라고 표 시하지 않는 이유는 실제로 PC 수준에는 25나노초의 속도를 가진 칩은 거의 사용되지 않기 때문 에 줄여서 말하는 것이다.

같은 원리로 41C256-70이라고 하면 41이라는 숫자는 1 비트 단위로 데이타를 입출력하는 DRAM 을 가리키고 256은 256킬로 비트의 용량을 가짐을 나타낸다. 그리고 이 경우에 액세스 속도는 70 나노초가 된다. 메모리 칩들에는 이런 식으로 표시가 되어 있지만 그런 명칭이 각 회사별로 통일 되어 있지는 않으므로 오해의 소지도 많은게 사실이다.

만약 이용자 여러분이 직접 메모리 칩을 만져야할 경우가 생긴다면 다음과 같은 점에 주의해야 할 것이다. 우선 정전기를 조심하도록 한다. 정전기는 눈에 보이지 않는 자연현상 중의 하나이지 만 메모리 칩과 같은 CMOS 계통의 반도체는 이러한 정전기에 대해서 무척 약한 특성을 가진다. 비단 메모리 뿐만 아니라 마이크로프로세서도 마찬가지로 정전기에 약하기 때문에 항상 주의가 필요하다. 시중에서 마더 보드나 확장 보드들을 운반하거나 보관할 때 반드시 정전기가 방지되는 (Anti-Static) 포장이나 혹은 알미늄 포일에 싸는 이유가 바로 이 정전기로 인한 반도체 칩들의 파괴를 예방하기 위한 것이다.

메모리 칩을 만지기 전에는 우리 몸에 충전되어 있을지도 모르는 정전기를 없애는 것이 필요하 다. 이때 가장 좋은 방법은 컴퓨터 자체를 이용하는 일이다. 컴퓨터의 뒷쪽을 보면 전원공급장 치에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위해서 환풍 팬이 있고 이것을 금속 망이 둘러싸서 보호 하고 있는 것을 볼 수 있을 것이다. 이곳을 손으로 한번 건드려주면 이 금속 망을 통해서 몸에 충전되어 있던 정전기가 방출된다. 그러나 일단 방전이 되었다고 해도 몸을 움직이면 입고 있는 옷 등에 의해서 다시 정전기가 충전되므로 계속 조심할 필요가 있다.

메모리를 보관할 때는 항상 정전기가 충전되지 않는 전용 포장이나 알미늄 포일, 혹은 금속 판 등에 두어야 한다. 보드의 소켓에 꽂기 위해서 임시로 칩을 놓는 곳도 그런 재질이어야 하고 소 켓으로부터 빼낸 칩도 그런 곳에 두어야 한다. 플라스틱이나 비닐, 합성섬유로 만들어진 옷 등은 정전기를 만드는 가장 중요한 원인이 되므로 이로부터 떨어지게 하는 것이 좋다.

메모리 칩을 보드 상의 소켓에 삽입할 때에는 극성에 유의해야 한다. 칩을 거꾸로 꽂은 뒤에 전원을 넣어서 칩이 파괴되어 버린다면 누구에게 하소연할 것인가. 이때 정전기로 파괴되는 것과 마찬가지로 밖에서는 그 칩이 정상인지 아닌지 알 수 없게끔 내부적으로만 파괴되는 것이 보통이 지만 심각한 경우에는 칩이 상당히 뜨거워지기도 하고 여기서 비롯되어 보드 상의 다른 칩들까지 영향을 받기도 한다.

요즘의 PC들은 SIMM 메모리들만 꽂게 되어있지만 혹시나 예전의 PC를 취급할 때, DIP 타입의 칩들을 소켓에 꽂을 경우에는 흔히 핀이 구부러지는 일이 발생하곤 한다. 특히 핀이 소켓의 안쪽 으로 들어가면서 구부러지면 얼핏 보아서는 잘못 되었는지 확인할 길이 없기 때문에 나중에 문제 해결을 위해서 많은 시간을 소비해야하는 경우가 생긴다. 혹시 메모리 칩의 핀 중에 약간이라도 구부러졌거나 다른 핀들과 다른 모습을 보인다면 바로 잡도록 시도해보고 그게 어려울 때에는 아 예 시도조차 하지 않는 것이 좋다.

SIMM 타입의 모듈 램은 메모리를 거꾸로 삽입하거나 핀이 구부러지는 경우는 생기지 않지만 여 전히 정전기를 경계하는 것이 필요하다. 또한 SIMM 용의 소켓은 일단 메모리를 설치하기는 어렵 지 않지만 메모리를 소켓으로부터 빼낼 때 문제가 생길 수 있다 잘 못하면 메모리를 고정하는 역 할을 하는 소켓의 양쪽 귀를 부러뜨릴 수도 있으므로 유의해야 한다.

PC 보드에 있어서 RAM은 사용자가 확장을 위해서 설치하는 경우도 많지만 바이오스가 저장되어 있는 EPROM을 사용자가 만지는 경우는 거의 없다. 보통 마더보드에 2개가 달려있고 VGA 카드에 하나, 혹은 두개씩 있게 된다. 2개씩 달려있는 EPROM의 경우에 하나는 HIGH라고 표시가 되어있고 다른 하나는 LOW라고 표시가 되어 있을 것이다. 이게 아니면 EVEN과 LOW로 표시하기도 한다. 이 같은 이유는 EPROM은 보통 8 비트의 데이타 폭을 가지는데 반해서 컴퓨터에서는 16 비트의 동작 을 시켜야하기 때문에 EPROM 두개를 병렬로 연결하여 16 비트를 만들기 위해서이다. 그러므로 당 연히 16 비트 중에서 위 아래가 바뀌면, 즉 두 칩이 서로 바뀌어서 꽂히면 동작이 되지 않는다. DRAM 보다는 나은 편이지만 EPROM도 여전히 정전기에는 약하므로 주의를 해야 한다.

요즘에는 486 등과 같이 32 비트 컴퓨터인데도 8 비트 단위의 EPROM을 바이오스 롬으로 설치해 놓은 마더보드가 많다. 만약 이런 EPROM을 그대로 바이오스 롬으로 이용한다면 컴퓨터의 속도가 많이 느려지겠지만, 실제로는 그대로 사용하지 않고 이 EPROM의 내용을 DRAM으로 옮겨서 사용하 는 '섀도우 메모리' 기법을 사용하고 있으므로 속도의 문제는 없어진다.

DRAM이 내부에서 정보를 기억하는 방법은 콘덴서와 비슷한 역할을 하는 커패시터(Capacitor)의 특성을 이용하여 이루어진다. 이런 방법으로 정보를 기억하는 것은 원리상 매우 간단하여 좁은 면적에 큰 용량의 메모리를 비교적 쉽게 만들어 넣을 수 있지만, 커패시터에 충전된 전류는 어느 정도 시간이 흐르면 방전되어 원래 기억되어 있던 정보가 지워지는 치명적인 단점이 있다.

DRAM 내부의 정보가 지워지는 시간은 기록한 뒤로 4ms 정도이며 DRAM이 원래의 정보를 잃어버 리지 않고 계속 가지고 있기 위해서는 컴퓨터 회로에서 계속 재충전을 해주어야 한다. 이러한 재충전 작용을 리프레시(Refresh)라고 한다. 여기서 DRAM을 일정한 주기에 따라 리프레시해 주는 데 걸리는 시간을 리프레시 주기(Refresh Cycle)라고 하는데, 이 주기마다 DRAM은 자기 자신의 데이타를 읽은 다음 다시 그 데이타를 써준다. 물론 이렇게 리프레시가 이루어지고 있을 동안 CPU는 이 메모리에 읽고 쓰는 일을 할 수 없다.

DRAM 속도의 규격에는 두 가지가 있다. 액세스 시간(Access Time)과 주기시간(Cycle Time)이 바로 그것인데 우리가 보통 70 나노 혹은 80 나노라고 말하곤 하는 것은 액세스 시간을 가리킨 다. CPU가 DRAM에 있는 정보를 읽으려 할 때는 우선 그 정보가 어디에 있는지를 가리키는 번지값 (Address)을 DRAM에 준다. 그러나 번지값이 주어진 즉시 정보가 출력되어 나오는 것은 아니다. 어느 정도 시간이 경과되고 나서야 그 정보가 DRAM의 핀(pin)에 나타나게 되고 CPU가 정보를 가 져갈 수 있는 것이다. 이 시간이 바로 액세스 시간이다. 우리가 보통 사용하는 486 급의 PC에서 는 70나노초 안팎의 DRAM이 사용되고 있다. 한편, 사이클 시간은 액세스 시간과 재충전 시간 (Precharge Time)을 합한 것으로, 메모리로부터 정보를 가져오거나 메모리에 정보를 쓰는데 실질 적으로 걸리는 시간을 말한다.

재충전 시간은 메모리에서 데이타를 한 번 읽고난 다음에 다시 읽을 수 있게 되기 전까지 기다 려야 하는 시간을 말하는데, 이 시간은 액세스 시간만큼이나 길기 때문에 실제 DRAM의 사이클 시간은 액세스 시간의 약 두 배 정도가 된다. 예를 들어 액세스 시간이 80ns인 DRAM의 사이클 시간은 190ns이다. 즉, CPU는 매 190ns 주기로 DRAM에 데이타를 읽거나 쓸 수 있는 것이다.

반도체 관련 전자공학이 발달되어 가면서 DRAM의 집적도는 계속 증가되어 왔다. 얼마전까지도 기본적인 메모리 소자로는 1M DRAM이 쓰여왔지만, 요즘에는 4M DRAM이 주로 사용되기 시작했고 16M DRAM도 흔해졌다. 최근에 삼성전자에서는 256MDRAM의 개발에 성공했고 1998년 경에는 대량 생산을 한다고 하는 정도로 발전이 되어왔다.

CPU의 속도가 빨라지면 빨라질수록 그에 비례해서 메모리의 속도도 빨라져야 시스템의 성능을 치대로 발휘할 수 있는 것이 당연한 일이지만, 물리적으로 DRAM의 속도가 CPU의 속도를 따라가지 못하기 때문에 이러한 속도문제를 해결하기 위해 일반적으로 캐시메모리, 대기상태(Wait State) 등과 같은 방법을 이용하고 있다.

CPU와 메모리 칩의 속도 차이를 해결하는 방법으로 가장 쉬운 것인 대기상태(Wait state)를 이 아무 것도 하지않고 시간을 보낸다. 그래서 이러한 사이 시간을 대기 주기(Wait Cycle)라고 말한 다. 메모리 속도가 조금 느리다면, 한번의 대기상태(One Wait State)만 가지고도 충분히 CPU의 속도를 따라갈 수 있겠지만 그보다 더 느리다면 2 번 혹은 3 번의 대기상태를 주어야 할 수도 있 다.

대기상태는 이렇게 CPU를 아무 일도 시키지 않고 기다리게 만들기 때문에 되도록이면 대기상태 를 주지않는, 무 대기상태(Zero Wait State)의 동작을 하는 컴퓨터가 당연히 바람직하다. 그러 나 대기 상태가 전혀 없는 컴퓨터를 만들려면 그만큼 빠른 DRAM을 사용하여야 하기 때문에 가격 이 비싸지는데 실제로 성능의 향상 정도는 별로 뛰어나게 커지지 않는다. 그래서 대기상태는 어 느 정도 주고, 그대신 캐시 메모리를 잘 활용하는 것이 보통이다.

486이 중심이 되는 요즘의 PC에서는 거의 대부분 캐시(Cache) 메모리를 사용하고 있는데 이 것은 가격대 성능비의 견지에서 보더라도 가장 바람직하고 확실한 메모리 속도 문제의 해결방안 이라고 할 수 있다. 캐시 메모리를 사용한 마더보드에서는 메인 메모리에는 가격이 저렴한 DRAM 을 사용된다.

CPU가 메인 메모리를 액세스할 때 메인 메모리의 정보는 CPU 뿐만 아니라 캐시 메모리에도 저 장된다. 이때 캐시 메모리는 그 정보가 있는 메인 메모리의 번지로부터 캐시 메모리 용량 만큼의 정보를 계속 읽어들인다. 다음번에 다시 CPU가 메인 메모리 상의 정보를 가져오려 할 때, 캐시 컨트롤러는 CPU가 원하는 정보가 캐시에도 들어있는 것인지를 검사하여 만약 캐시에 들어있는 것 이면 CPU가 캐시의 것을 읽게 만든다. 이때 CPU는 물론 DRAM에서 읽을 경우보다 훨씬 빠른 속도 로 정보를 읽게됨은 물론이다.

만약 CPU가 읽고자 하는 정보가 캐시 메모리에 들어있지 않다면 캐시 제어회로는 메인 메모리 로부터 그 정보를 가져오면서 동시에 캐시를 다시 새로운 위치의 데이타들로 채운다. 이런 식으 로 계속 수행하다 보면 다시 캐시에 들어있는 데이타를 CPU가 읽거나 쓰게 되는 것이다. 물론 모 든 캐시 회로가 이런 식으로 동작하는 것은 아니다. 캐시 회로가 어떤 알고리즘을 쓰는가에 따라 서 여러가지 모습의 캐시 메모리가 구성될 수 있다. 마더보드의 광고들을 보면 Write-Back 방식 이니 Write-Through 방식이니 하는 것이 캐시 메모리의 동작 방식의 차이를 말하는 것들이다.

CPU가 읽거나 쓰고자하는 데이타가 캐시 메모리 내부에 있을 경우의 확률을 적중율(Hit Ratio) 라고 하며, 없을 경우의 확률을 실패율(Hit Ratio)라고 한다. 보통 캐시의 용량이 크면 클수록, 즉 64KB 보다는 128KB의 경우가, 또 그 보다는 256KB의 캐시 시스템에서 더 적중률이 커지게 되 겠지만 반드시 그런 것만도 아니다. 어떤 프로그램이 내부에서 이곳 저곳으로 뛰어다니거나 데이 타가 여기 저기 흩어져있다면 그때마다 캐시 메모리를 새로운 데이타로 채워서 사용해야하기 때 문이고 이때는 오히려 캐시가 없느니 못할 수도 있는 것이다. 이런 경우에 발생하는 문제를 해결 하기 위해서 캐시 메모리를 조각내어서 운용하는 방법이 있는데 흔히 말하는 Two-Way Set Associated 방식이나 Four-Way Set Associated 방식이니 하는 것들이 그 것들이다.

캐시 메모리의 착안 원리는 CPU가 메인 메모리를 액세스할 때 대체로 어떤 한 영역에 집중되는 사실에 근거를 둔다. 서브루틴을 호출하거나 인터럽트가 걸리는 경우 등을 제외하고는 보통 어떤 특정 루프를 돌게 되면서 동일한 메모리 영역들을 계속하여 액세스하는데, 이것을 지엽성 (Locality)라고 한다.