1966년부터 이어져 온 RAM의 설계 결함, 드디어 우회할 수 있을까?

60년 된 설계를 아직도 쓰고 있다고?

우리가 매일 쓰는 컴퓨터의 RAM, 정확히는 DRAM(Dynamic RAM)에는 1966년부터 내려온 근본적인 설계 결함이 있어요. "그게 대체 뭔데?"라고 궁금하실 텐데요, 바로 리프레시(refresh) 문제예요.

DRAM이 뭔지부터 간단히 짚어볼게요. RAM은 크게 SRAM(Static RAM)과 DRAM(Dynamic RAM)으로 나뉘는데요, 우리가 컴퓨터에 꽂는 메모리 스틱은 전부 DRAM이에요. SRAM은 빠르지만 트랜지스터를 6개나 써서 비싸고, DRAM은 트랜지스터 1개와 커패시터(축전기) 1개만 쓰니까 훨씬 저렴하거든요. 그래서 대용량 메모리는 전부 DRAM을 쓰는 거예요.

커패시터라는 작은 양동이의 문제

문제는 이 커패시터라는 녀석에 있어요. 커패시터를 아주 작은 양동이라고 생각해보세요. 여기에 전하(물)를 채워 넣으면 1, 비어 있으면 0으로 데이터를 저장하는 건데요. 문제는 이 양동이에 미세한 구멍이 있어서 시간이 지나면 물이 새버린다는 거예요. 그래서 DRAM은 밀리초 단위로 계속해서 데이터를 다시 읽고 써줘야 해요. 이걸 리프레시라고 부르는데, 1966년 로버트 데나드(Robert Dennard)가 DRAM을 발명했을 때부터 존재한 태생적 한계예요.

이 리프레시가 왜 문제냐면, 리프레시하는 동안에는 해당 메모리 영역에 접근할 수가 없어요. 마치 도서관에서 책을 정리하는 동안 그 서가에 들어갈 수 없는 것과 비슷해요. 현대 DDR5 메모리 기준으로 약 32ms마다 전체 메모리를 리프레시해야 하는데, 메모리 용량이 커질수록 리프레시에 잡아먹히는 시간과 전력도 늘어나요. 서버급 메모리에서는 전체 메모리 대역폭의 약 5~10%가 리프레시에 소모된다는 연구 결과도 있을 정도예요.

이 결함을 우회하는 접근법

최근 이 오래된 결함을 우회하려는 시도가 주목받고 있어요. 핵심 아이디어는 리프레시가 필요한 셀과 아닌 셀을 구분해서, 정말 필요한 셀만 선택적으로 리프레시하는 방식이에요. 모든 셀이 같은 속도로 전하를 잃는 게 아니거든요. 어떤 셀은 수백 밀리초를 버틸 수 있고, 어떤 셀은 금방 데이터가 날아가요. 그래서 각 셀의 보존 시간(retention time)을 프로파일링해서 약한 셀만 자주 리프레시하면, 나머지 시간에는 메모리를 온전히 활용할 수 있게 돼요.

또 다른 접근으로는 에러 정정 코드(ECC)를 더 공격적으로 활용하는 방법도 있어요. 리프레시 간격을 늘려서 약간의 비트 에러가 생기더라도 ECC로 잡아내는 거죠. 리프레시 횟수를 줄이는 대신 약간의 연산 오버헤드를 감수하는 트레이드오프인 건데, 전력 효율 면에서는 오히려 이득이 될 수 있어요.

업계에서는 이미 움직이고 있어요

사실 이 문제를 해결하려는 시도는 학계와 업계 모두에서 계속되어 왔어요. 삼성, SK하이닉스, 마이크론 같은 메모리 제조사들은 LPDDR5X에서 리프레시 효율을 개선하는 기술을 적용하고 있고요, JEDEC(메모리 표준 기구)에서도 리프레시 관련 스펙을 지속적으로 업데이트하고 있어요. 한편으로는 DRAM 자체를 대체하려는 움직임도 있어요. MRAM이나 ReRAM 같은 비휘발성 메모리는 리프레시가 아예 필요 없거든요. 하지만 아직 DRAM의 속도와 가격 경쟁력을 따라잡지 못하고 있어서, 당분간은 DRAM의 리프레시 문제를 어떻게 완화하느냐가 현실적인 과제예요.

한국 개발자에게 주는 시사점

한국은 세계 메모리 반도체 시장의 중심이잖아요. 삼성전자와 SK하이닉스가 DRAM 시장의 대부분을 차지하고 있으니, 이런 근본적인 설계 개선은 국내 반도체 엔지니어들에게 직접적으로 연관된 이야기예요. 소프트웨어 개발자 입장에서도 고성능 시스템을 다루거나 임베디드 개발을 한다면 메모리 리프레시가 성능에 미치는 영향을 이해하는 것이 도움이 돼요. 특히 실시간 시스템이나 HPC(고성능 컴퓨팅) 분야에서는 리프레시 타이밍이 레이턴시 jitter의 원인이 되기도 하거든요.

마무리

60년 전의 설계 결정이 아직도 우리 컴퓨터의 성능과 전력 효율에 영향을 주고 있다는 사실이 놀랍지 않나요? 기술이 아무리 발전해도 하드웨어의 물리적 한계는 쉽게 바뀌지 않는다는 점, 그리고 그 한계를 소프트웨어와 아키텍처 설계로 우회하려는 시도가 계속되고 있다는 점이 이 이야기의 핵심이에요.

여러분은 혹시 메모리 관련 성능 이슈를 겪어본 적 있으신가요? DRAM을 대체할 차세대 메모리 기술이 언제쯤 주류가 될 수 있을지, 의견 나눠주세요!