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1. 개요
Dynamic Random Access Memory (동적 랜덤 접근 메모리).1966년 IBM 왓슨 연구소의 로버트 데나드 박사[1]가 발명해, 1968년 DRAM에 대한 특허를 취득했다. 최초의 DRAM 상용 제품은 1969년 이 특허의 사용권을 취득한 Advanced Memory System에서 나왔다. IBM의 특허는 1985년 6월 4일에 만료되었다.
DRAM는 SRAM에 비해 속도가 느리지만 구조가 간단하여 집적도를 높일 수 있어 고용량을 만들 수 있다. SRAM이 보통 트랜지스터 사이에서 루프를 돌리고 '상정되지 않은 입력'을 걸러내는 게(SDRAM의 경우 클럭에 대한 반응도) 필요한 플립플롭의 구조상 최소 4개 이상으로 셀 하나를 만들지만 DRAM은 트랜지스터 하나와 캐패시터 하나로 만들어져 있기에 고집적화가 가능하다. 그나마 커패시터도 트랜지스터 제조 시 생길 수밖에 없는 기생 커패시터를 극대화하여 활용하기에 필요 면적이 매우 작다. 또한 정적 램에 비해서 가격이 매우 싸고 전력 소비도 그렇게 많지 않아 기존의 컴퓨터의 주 기억 장치로 쓰이던 SRAM를 완전히 대체하였고 SRAM는 캐시 용도로 쓰이게 되었다. 파워 서플라이와 같은 다이오드 계열이 기초 소자 중 가장 비싸다.
DRAM는 기본적으로 축전기를 사용하여 충전 상태로 데이터를 기록하는 식으로 동작하기 때문에 기록된 데이터를 유지하기 위해서는 주기적으로 재충전(Refresh)이 필요하다. 이는 캐퍼시터가 시간이 지나면 저절로 방전되기 때문이다.[2]
우리가 말하는 '램'은 보통 DRAM이다. DRAM 구조에 따라 비동기식이니 동기식이니, 동기식 중에서도 SD이니 RD이니 DDR이니 붙는 것.
2. 상세
DRAM 모듈은 우리가 데이터를 접근할 때 비트 단위가 아닌 바이트 또는 워드 단위로 접근하므로 이에 따른 병렬성을 활용하기 위해 여러 개의 bank로 구성되어 있으며, 각 bank는 데이터를 읽을 row를 지정하는 row decoder, 메모리 값을 증폭해 0 또는 1로 만드는 sense amp, 데이터가 저장되어 있는 array를 포함한다.2.1. 셀 구조
DRAM 셀은 기본적으로 1개의 축전기와 1개의 트랜지스터로 이뤄져 있다. (1C1T 구조) DRAM 셀의 구조를 말할 때 nF2라는 표현을 사용하는데, 여기서 F는 feature size로, metal의 half pitch를 의미한다.2.1.1. 8F²
서로 보수(complementary) 관계에 있는 비트라인 2개를 활용해 값을 읽고 쓰는 방식이다. 그러나 면적 효율이 나빠 선단 공정에서는 6F2 구조로 대체되었다.2.1.2. 6F²
8F2와 달리 비트라인을 1개만 사용하고, 셀을 대각선으로 배치해 면적 효율을 높인 구조이다. 여담으로 이름과는 달리 실제 6F2 구현의 셀 면적은 6F2와는 다소 차이가 있다. 현재 선단 공정에서 사용하는 방식이다.2.1.3. 4F²
셀을 수직으로 세워 워드라인과 비트라인의 교차점마다 배치하는 방식으로, 최대의 면적 효율을 가진다. 현재 활발히 연구되고 있으나 아직 실제품에 채택되지는 못하였다.2.1.4. 3D
DRAM 셀을 3D NAND처럼 수직으로 적층해 밀도를 높이는 방식으로, DRAM 미세화의 한계가 다가오면서 주목받고 있다.3. 분류
3.1. ADRAM
Asynchronous Dynamic Random Access Memory - 비동기식 DRAM1969년부터 출시된 최초의 DRAM 규격으로, SDRAM이 등장한 현재 시점에서는 이와 구분하기 위해 비동기식 DRAM으로 명명되었지만 당시에는 그냥 DRAM이라고 불렀다. 1990년대 중반까지 활발하게 사용되었으며, SDRAM이 등장한 이후에도 1990년대 말까지는 간간히 보이다가 2000년대 이후부터 SDRAM 계열로 완전히 대체되었다.
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PM DRAM - Page Mode Dynamic Random Access Memory - 페이지 모드 DRAM
초기 비동기식 DRAM의 인터페이스를 약간 수정하여, 다른 행에 액세스하기 위해 동일한 행을 미리 사용하는 비효율성을 회피함으로써 행에 대한 읽기 및 쓰기 성능을 향상시킨 규격.
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FPM DRAM - Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory - 고속 페이지 모드 DRAM
기존 PM DRAM의 개선판 규격으로, 레이턴시가 단축되었다.
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EDO DRAM - Extended Data Out Dynamic Random Access Memory - 확장 데이터 출력 DRAM
이전 페이지의 데이터 출력을 활성 상태로 유지하면서 새로운 액세스 사이클을 시작할 수 있는 DRAM으로, 하이퍼 페이지 모드 DRAM라고도 불렀다. 이를 통해 어느 정도의 파이프라이닝이 가능하여 성능이 FPM DRAM 대비 최대 30% 향상되었다.
메인 메모리용으로는 1995년 인텔 430FX 칩셋을 통해 처음 지원되었으며, 그래픽 카드에서는 1990년대 후반까지 사용되었다. 비동기식 DRAM 시대의 마지막 전성기였다.
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BEDO DRAM - Burst Extended Data Out Dynamic Random Access Memory - 버스트 확장 데이터 출력 DRAM
BEDO DRAM은 EDO DRAM에서 추가적인 최적화를 거친 후속 규격이자 최후의 비동기식 DRAM 규격으로, 주소 카운터(PC)가 추가되었고 페이지 엑세스 사이클을 두 가지 영역[3]으로 나눌 수 있도록 파이프라인 단계가 추가되었다. 일부 성능에서는 SDRAM보다 더 뛰어나기도 했지만, SDRAM의 강점 때문에 결국 널리 쓰이지 못 하고 묻혀졌다.
3.2. SDRAM
Synchronous Dynamic Random Access Memory (SRAM이랑 DRAM을 합쳐 놓은 게 아님)|| 규격 || 실효 클럭 || 전압 || 개발 || 표준화 || 출시 || 적용 ||
| PC-66 SDRAM | 66 MHz | 3.3 V | 1992년 | 1993년 | 1993년 | 1996년 |
| PC-100 SDRAM | 100 MHz | 1998년 | ||||
| PC-133 SDRAM | 133 MHz | 1999년 |
SDRAM의 개념 자체는 1970년대 인텔이 IBM의 DRAM에 대한 특허의 사용권을 취득해 제작한 반도체에서 기인한다. 그래서 기술 구성 요건의 일부가 IBM의 DRAM 특허에 걸린다. 이 제품이 나온 이후 여러 제조사에서 동기 방식의 다양한 DRAM을 생산했다.
오늘날 SDRAM은 1992년에 삼성전자에서 개발되어 1993년 JEDEC에서 채택된 표준안을 따른다. 이름에서 알 수 있듯이 기존 DRAM의 파생형이다. 기존 DRAM은 변화가 생기면 최대한 빠르게 반응하는 비동기식 전송 방식이었으나 이것은 동기식 전송 방식을 이용해 클럭 신호와 동시에 반응하므로 컴퓨터의 시스템 버스와 동기화된다. 동기식 DRAM 방식은 기존 비동기식 DRAM보다 빠른 속도로 진행이 가능하며, 이를 통해 칩에 더욱 복잡한 형태의 명령을 주는 것이 가능해진다. 비표준 규격으로 166 MHz의 PC-166 SDRAM도 있다.
인텔에서는 1996년 펜티엄 시리즈와 조합되는 430VX 칩셋부터, AMD에서는 1996년 K5 시리즈와 조합되는 VIA의 Apollo VP 칩셋부터, 애플의 매킨토시 계열에서는 1997년 파워맥 G3, 1998년 파워북 G3s부터 지원되었다.
2000년에 DDR 방식의 메모리가 나오자 기존의 SDRAM을 구분하기 위해 SDR(Single Data Rate) SDRAM으로 통용되고 있는데, 클럭 사이클당 한 번만 전송을 하는 것에서 명명했다.
3.2.1. RDRAM
미국의 반도체 회사인 램버스에서 1992년에 개발한 고속 데이터 전송 메모리였다. 대한민국에서는 삼성전자와 SK하이닉스가 제조 기술을 보유하고 있다. 자세한 내용은 RDRAM 참조.3.2.2. DDR SDRAM
Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory1998년에 개발되어 2000년에 표준화 및 출시된 기존 SDRAM의 개선판 규격. 기존 SDRAM에 비해 메모리 대역폭이 2배 늘어난 것이 주된 특징으로, 원래는 SDR SDRAM에서의 성능 향상을 위해 메모리 셀 2개를 엮어 대역폭을 2배로 늘리려고 했었는데 이는 I/O 버퍼의 속도도 2배가 되어야 한다는 말이다. 하지만 그 시절의 기술력으로는 한계가 있었고 이를 해결하기 위한 방법으로 상승 에지(Rising Edge)와 하강 에지(Falling Edge) 두 개를 모두 데이터를 전송하는 용도로 사용한 것이 이 DDR SDRAM의 기원이다. SDR SDRAM은 상승 에지에서만 데이터를 전송한다.
당시 인텔이 1999년부터 RDRAM을 밀어주고 삽질[4]하는 바람에 2000년 11월에 AMD가 DDR SDRAM을 지원하는 AMD-760 칩셋을 내놓았으며, 2001년에 VIA도 인텔 CPU 호환용인 Apollo Pro 266 칩셋과 AMD CPU 호환용인 VIA KT266 칩셋을 내놓았다. 2002년에 들어서야 인텔도 DDR SDRAM 지원 칩셋[5]을 뒤늦게 투입하여 현재는 PC계의 대세 메모리로 자리 잡았다.
|| 규격 || 프리
페치 || 전압 || 개발 || 상용화 || 동작속도[6] || 적용 ||
페치 || 전압 || 개발 || 상용화 || 동작속도[6] || 적용 ||
| DDR | 2n | 2.5 V | 1998년 | 2000년 | 200 MT/s | 2000년 |
| 266 MT/s | 2001년 | |||||
| 333 MT/s | 2002년 | |||||
| 400 MT/s | 2003년 | |||||
|
DDR2 (또는 PC2) |
4n | 1.8 V | 2001년 | 2003년 | 400 MT/s | 2004년 |
| 533 MT/s | 2004년 | |||||
| 667 MT/s | 2005년 | |||||
| 800 MT/s | 2006년 | |||||
| 1066 MT/s | 2007년 | |||||
|
DDR3 (또는 PC3) |
8n | 1.5 V | 2005년 | 2007년 | 800 MT/s | ? |
| 1066 MT/s | 2007년 | |||||
| 1333 MT/s | 2009년 | |||||
| 1600 MT/s | 2011년 | |||||
| 1866 MT/s | ? | |||||
| 2133 MT/s | ? | |||||
| DDR3L | 1.35 V | 2010년 | 2011년 | 1333 MT/s | 2012년 | |
| 1600 MT/s | 2013년 | |||||
| DDR3U | 1.25 V | ? | 2010년 | 1333 MT/s | ? | |
|
DDR4 (또는 PC4) |
1.2 V | 2011년 | 2012년 | 1600 MT/s | ? | |
| 1866 MT/s | ? | |||||
| 2133 MT/s | 2014년 | |||||
| 2400 MT/s | 2016년 | |||||
| 2666 MT/s | 2018년 | |||||
| 2933 MT/s | 2019년 | |||||
| 3200 MT/s | 2019년 | |||||
| DDR5 | 16n | 1.1 V | 2018년 | 2020년 | 4800 MT/s | 2021년 |
| 5333 MT/s | 2022년 | |||||
| 5866 MT/s | 2022년 | |||||
| 6400 MT/s | 2022년 |
3.2.2.1. DDR2 SDRAM
DDR2은(는) 여기로 연결됩니다.
리듬 게임에 대한 내용은
DanceDanceRevolution 2ndMIX 문서 참고하십시오.2004년에 기존 DDR에서 업그레이드된 DDR2 SDRAM이 출시되었으며, DDR에서 DDR2로, DDR2에서 DDR3으로의 전환 초기에는 신 규격 메모리 가격이 비싸고 구하기도 쉽지 않아 보급 속도가 느린 편이었으며, 신형 소켓 메인보드도 한동안은 DDR/DDR2와 DDR2/DDR3을 사용하는 제품이 동시에 출시되었다.
DDR2 ECC RAM 중에는 높이가 낮은 FB-DIMM이라는 규격이 있는데, 방열 면적이 작아서 그런지 발열로 악명높았다. 사용 환경에 따라 80~90도를 넘나들기도 한다. 그래서 방열판을 달거나 CPU와 일렬로 배치해 같이 냉각시키거나 슬롯을 기울여 배치하는 등 서버/워크스테이션 제조사는 RAM 냉각을 위한 노력을 기울여야 했다. 이때는 척 봐도 달랐지만 이후에는 ECC RAM도 일반적인 RAM과 모양이 비슷해진다. 그래도 외형으로 구분하는 방법은 있다. ECC Unbuffered RAM은 모듈 자체는 UDIMM이라고 하고 일반적인 RAM보다 메모리 모듈이 1개 많아 홀수개이다. ECC Registered RAM(ECC/REG RAM이라고도 함)은 모듈 자체는 RDIMM이리고 하고 메모리 모듈이 일반 RAM의 것보다 훨씬 많고 불규칙하게 배치되어 있다. 이외에 노트북용 짧은 RAM 규격은 SO-DIMM이라고 한다.
3.2.2.2. DDR3 SDRAM
DDR3은(는) 여기로 연결됩니다.
리듬 게임에 대한 내용은
DanceDanceRevolution 3rdMIX 문서 참고하십시오.2007년에 DDR3 SDRAM이 출시되었다.
3.2.2.3. DDR4 SDRAM
DDR4은(는) 여기로 연결됩니다.
리듬 게임에 대한 내용은
DanceDanceRevolution 4thMIX 문서 참고하십시오.2014년에 DDR4 SDRAM이 출시되었다.
2015년부터는 DDR4 SDRAM 가격이 빠르게 하락되면서 동년에 중저가 이하의 신형 메인보드에도 DDR4 메모리를 기본 지원되기 시작했으며, AMD도 AM4 기반 메인보드부터 DDR4를 지원하기 때문에 DDR3 메모리 시절보다 빠른 속도로 보급되고 있다. 서버/워크스테이션에는 일반 소비자용 제품보다 한 세대 정도 앞서 신규격 메모리가 적용되는 경우도 있다.[7] DDR4는 이전의 DDR3과 구조적으로 큰 차이가 없다.
최종 소비자용 DDR 메모리는 메모리 칩셋과 칩셋을 제어하는 컨트롤러로 구성되는데, 칩셋에 대한 특허는 IBM과 인텔이, 컨트롤러는 램버스가 상당 부분 소유하고 있다. 이 중 IBM과 인텔은 제품 수량당 일정 금액을 사용료로 챙기고, 램버스는 컨트롤러 제조사와 부착업체에 매년 상당한 금액의 사용료를 정액 부과하고 있다. 다만, DDR4는 삼성전자에서 개발한 안이 JEDEC에서 표준으로 채택되어 삼성전자 입장에선 DRAM의 원천 기술에 대한 특허 사용료를 제외하곤 특허 사용료 부담이 크게 경감되었다고 한다. DRAM 원천 기술은 IBM이 아직까지도 유효하다. 이 특허는 DRAM 자체에 대한 특허라서 피해나갈 길이 없다.
3.2.2.4. DDR5 SDRAM
2020년 7월에 DDR5 SDRAM의 표준이 정식 발표되었다. 보드나라 기사2020년 10월에 SK하이닉스에서 세계 최초로 DDR5 SDRAM를 출시했다. 한국경제 기사
2021년 3분기에 팀그룹에서 DDR5 SDRAM 16GB를 출시할 예정이다. 보드나라 기사
DDR5는 용량과 대역폭을 향상하고 전압을 낮추고, 그 외에도 몇가지 추가적인 기능을 제공한다. DIMM 하나당 64bit의 대역폭을 쪼개서 32bit의 듀얼 채널로 구성되어있다. 램 자체는 듀얼 채널 구성이지만 예전 DDR처럼 2개를 장착해야 진짜 듀얼 채널로 작동한다. 그리고 램 다이 내에 ECC 컨트롤러를 내장하여 램 다이 내부의 데이터에 대한 무결성을 유지한다. 다만 기존과 같이 램-메모리 컨트롤러 간의 통신에 대한 ECC 제어는 별도사양이다. on-DIMM 전압 조정기가 장착되어 있어, 메인보드의 전원 부담을 덜어줄 것으로 기대된다.
핀 수는 288개로 DDR4와 같으나, 핀 배열이 완전히 바뀌어 호환성은 전혀 없다. 다만 ASUS에서 DDR4 메모리를 DDR5 슬롯에 꽂을 수 있게 하는 어댑터를 개발 중인 것으로 보인다. PCGAMER 기사 그리고 같은 클럭으로 구동을 가정해도 DDR5가 명령 최적화 등을 통해 DDR4 대비 약 1.36배 빠를 것이라는 추산이 있다.
2024년 현재까지는 DDR5 규격의 메모리는 메모리 컨트롤러-메모리 간 클럭 동기화 모드[8]가 1:1로 되지 않고, 2:1이 최대치이다. 정확히는 DDR5 램이 지원하지 않는 게 아니라 CPU 멤컨 수율이 딸려서[9] 지원이 안 되는 것이다. 1:1 비율일 때가 최대치의 성능을 내기에 2:1 모드로 작동하게 되면 DDR4 수준으로의 클럭 하향 손실이 어느 정도 있는 편이다. 즉 채널수에 맞게 혹은 채널수보다 적게 메모리를 장착한 게[10] 아닌 이상 메인보드 메모리 슬롯 칩셋에 DDR5 규격의 메모리를 풀뱅시키면 클럭이 무조건 내려가버린다.[11] 때문에 조립 컴퓨터/견적을 맞출 때는 DDR5 메모리를 2개만 장착하는 것이 낫다. 메모리 용량이 문제라면 32 GB 이상의 고용량 메모리를 장착시키면 된다. DDR4는 채널수를 넘어서 풀뱅크 시 순정램은 이상없으나 튜닝램 듀얼킷일 경우 다소 높은 확률로 오류가 뜬다. 쿼드킷을 장착해야 안정적으로 사용이 가능하다.
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| DDR4와 DDR5 메모리 성능 비교 동영상. DDR4 vs DDR5 벤치마크. |
2024년 출시 예정인 AMD RYZEN 9000 시리즈에서 최초로 1:1:1 모드를 지원할 것으로 보인다. #[12]
3.2.3. LPDDR SDRAM
데스크탑 및 노트북에 사용되는 일반 DDR SDRAM이 아닌 스마트폰이나 태블릿 컴퓨터 용도로 모바일 플랫폼을 위해 칩의 크기가 기존 메모리보다 훨씬 더 작은 크기이면서 저발열, 저전력 버전의 메모리로 개발된 LPDDR(Low Power DDR)도 나왔다.[13] 본래 모바일 DDR(Mobile DDR)로 명명된 규격이었으나 LPDDR2부터 현재의 명칭으로 변경되면서 이전 규격도 DDR 앞에 LP가 붙는 걸로 통일되었다. LP는 LOW Power의 약어다.이 LPDDR 메모리를 모듈화 시킨게 LPCAMM 규격이다. 기존 DIMM 규격보다 전력소모가 적고, 면적 대비 우수한 성능을 자랑하기에 차기 DRAM 규격으로 주목받고 있다. 현재는 일부 영역에서 노트북용 SO-DIMM을 대체하는 중이다.
LPDDR 메모리 컨트롤러가 탑재된 칩셋 자체는 2007년에 발표된 퀄컴 스냅드래곤 1세대 S1 시리즈부터 처음 적용되었고, 제품화는 2009년 여름에 출시된 아이폰 3GS부터 등장하기 시작했으며, 이후에 나온 스마트폰, 아이패드나 갤럭시 탭을 비롯한 태블릿 컴퓨터 등의 다양한 모바일 기기에 탑재되고 있다.
|| 규격 || 실효 클럭 || 전압 || 전송속도[14] || 개발 || 표준화 || 적용 ||
| LPDDR SDRAM | 400 MHz | 1.8 V | 3.2 GB/s | 2005년 | 2006년 | 2007년 |
| LPDDR2 SDRAM | 800 MHz[15] | 1.2 V | 6.4 GB/s | 2008년 | 2009년 | 2010년 |
| LPDDR3 SDRAM | 1600 MHz[16] | 1.2 V | 12.8 GB/s | 2011년 | 2012년 | 2012년 |
| LPDDR4 SDRAM | 3200 MHz[17] | 1.1 V | 25.6 GB/s | 2013년 | 2014년 | 2015년 |
| LPDDR4X SDRAM | 4266 MHz | 1.1 V | 34.1 GB/s | 2016년 | 2017년 | 2017년 |
| LPDDR5 SDRAM | 6400 MHz[18] | 가변[19](최대1.1 V) | 51.2 GB/s | 2018년 | 2019년 | 2020년 |
| LPDDR5X SDRAM | 8533 MHz[20] | 가변(최대1.1 V) | 68.3 GB/s | 2021년 | 2021년 | 2022년 |
| LPDDR5T[21] SDRAM | 9600 MHz | 가변(최대1.1 V) | 76.8 GB/s | 2023년 1월 | 미정 | 미정 |
3.2.3.1. LPDDR2 SDRAM
2010년 말에 LPDDR2 규격이 팬택의 베가 X에 처음 채택되었다.3.2.3.2. LPDDR3 SDRAM
2012년 가을에 LPDDR3 규격이 넥서스 10에 처음 채택되었다.3.2.3.3. LPDDR4 SDRAM
2015년 초에 들어서 LPDDR4 규격이 LG G Flex 2에 처음 채택된 이후 안드로이드 진영과 애플 진영 모두 자사의 플래그십 스마트폰에 LPDDR4 SDRAM 채택률이 점점 높아지고 있다. 2017년부터 LPDDR4X SDRAM이 탑재된 스마트폰들이 등장하고 있다.3.2.3.4. LPDDR5 SDRAM
2020년부터는 엑시노스 990, 스냅드래곤 865를 필두로 LPDDR5 SDRAM이 채택된 스마트폰들이 출시되고 있다. 그리고 2022년 상반기에 삼성전자가 기존의 LPDDR5보다 클럭이 높은 LPDDR5X를 출시했다.[22] 다만 갤럭시 S22 시리즈에는 탑재하지 않았다가 2023년 2월 갤럭시 S23 시리즈와 2023년 8월 갤럭시 탭 S9 시리즈에 LPDDR5X SDRAM[23]를 탑재하여 출시되었다.이후 2023년 1월경 SK하이닉스에서 기존의 LPDDR5X보다 더 빠른 LPDDR5T를 개발 완료했다고 발표했다. 표준 명칭은 아니지만 자체 상품명으로 우선 "LPDDR5T(Low Power Double Data Rate 5 Turbo)" 라고 명명하여 출시할 예정이다.[24] https://news.skhynix.co.kr/presscenter/sk-hynix-lpddr5t-release, https://news.skhynix.co.kr/post/lpddr5t-performance-verification SK하이닉스에서는 2026년 이후 출시 예정인 LPDDR6에서 구현 가능하다고 내다봤으나 SK하이닉스의 LPDDR5의 확장 버전인 LPDDR5T가 연내 양산이 시작되면 시기를 3년이나 앞당기게 된다. 다만 2023년 시점으로는 아직 개발 단계여서 표준화에서 적용 단계까지 가려면 최소 2024~2025년은 되어야 한다.
한편 2023년 10월 마이크론에서 기존의 LPDDR5X 보다 더 빠른 LPDDR5X 개량형 모델을 공개했다. 이는 앞서 SK하이닉스가 개발한 LPDDR5T와 동일한 성능(9600 MHz)을 발휘한다. 이어서 동월 20일엔 삼성에서도 동일한 속도로 동작하는 LPDDR5X를 공개했다.
3.3. GDRAM
Graphics Dynamic Random Access Memory. 그래픽 DRAM.3.3.1. VDRAM
Video Dynamic Random Access Memory. 비디오 DRAM.그래픽 하드웨어에 있는 프레임 버퍼를 저장하는데 사용되었던 DRAM의 이중 포트 버전. 2개의 데이터 출력 핀 세트가 존재해서 동시에 사용할 수 있는 원리인데 첫 번째 포트인 DRAM 포트는 기존 DRAM과 매우 유사한 방식으로 호스트 컴퓨터에 의해 액세스되며, 두 번째 포트인 비디오 포트는 일반적으로 읽기 전용이며 그래픽 칩셋에서 고성능의 직렬화된 데이터 채널을 제공하기 위해 사용되었다.
1986년 IBM의 RT PC부터 처음 사용된 이후 당시에는 고급 워크스테이션에나 볼 수 있을 정도로 상당히 비싼 규격이라 널리 채택되지 못 했으나, 1990년대에 들어서야 널리 채택되었다. 비록 1990년대 중후반부터 후속 규격들에게 밀려 더이상 채택되지 않게 되었지만, 그래픽용 메모리의 기본적인 원리가 정립된 의의 있는 규격이라고 볼 수 있다.
현재는 VRAM을 그냥 그래픽용 메모리를 지칭하는 것으로 주로 사용되고 있다.
3.3.2. WDRAM
Window Dynamic Random Access Memory. 윈도우 DRAM.그래픽 카드에 사용된 VRAM의 변종 규격. 이전 VRAM보다 성능이 좋고 비용이 적게 들도록 설계되었으며, 최대 25% 높은 대역폭을 제공했었다.
3.3.3. MDRAM
Multibank Dynamic Random Access Memory. 멀티뱅크 DRAM.MoSys가 개발한 특수 DRAM. 인터리브 방식으로 작동하는 256 KB의 작은 메모리 뱅크로 구성되어 그래픽 카드에 적합한 대역폭을 저렴한 비용으로 SRAM과 같은 메모리에 제공하는 규격이다. 또한 이름답게 단일 클록 사이클에서 두 뱅크에 대한 작업을 허용하여 액세스가 독립적인 경우 이들을 동시에 액세스 하는 것이 가능하다. Tseng Labs ET6x00 칩셋이 탑재된 그래픽 카드에 사용되었다.
3.4. SGRAM
Synchronous Graphics (Dynamic) Random Access Memory. 동기식 그래픽 (D)RAM.|| 규격 || 전압 || 모듈 타입 || 비트레이트 || 개발 || 표준화 || 적용 ||
| SGRAM | ? V | ? 레인 | 83~275 Mbps | 1994년 | ? | 1995년 |
그래픽 하드웨어를 위한 특화된 SDRAM 형태로 시스템 메모리용 말고도 그래픽 카드에서 볼 수 있는 그래픽 전용 메모리도 존재한다. 이름에 걸맞게 그래픽 카드에 있는 텍스쳐 메모리 및 프레임 버퍼와 같은 그래픽 관련 작업을 위해 설계되었다. 다른 비트에 영향을 주지 않고 지정된 비트 평면에 쓰기 작업을 수행하는 비트 마스킹, 단일 색상으로 메모리 블록을 채우는 블록 쓰기 작업 등의 기능이 추가되었다.
한 번에 읽기 또는 쓰기 동작 한 가지만 가능한 싱글 포트 구조로 이루어진 일반 DDR 메모리와는 달리 그래픽 DDR 메모리는 듀얼 포트에 가까운 구조로 되어 있어 입출력을 동시에 할 수 있다. 그러니까 실제 대역폭이 일반 DDR에 비해 두 배. 사실 이는 절반만 맞는 표현으로, I/O 포트는 1개 존재하나, Activate 된 Page를 2개 가질 수 있다. 일반 DDR 메모리가 Activate Page를 1개만 가질 수 있는 점을 생각하면 Precharge 후 Activate 하는 시간을 아낄 수 있으므로 대역폭 확대에 도움이 되지만, 엄밀히 따지면 듀얼 포트 구조와는 다르다. 동시에 쓰고 읽기가 가능한 포트가 따로 존재하지는 않는다. 이는 일반적으로 기존에 존재하던 비디오램이 프레임 메모리에 쓰고, 화면 출력을 위해 읽을 수 있는 듀얼 포트 구조임을 반영한 것이다. 따라서, 기존의 VRAM 및 WRAM과는 달리 싱글 포트이지만, 한 번에 두 개의 메모리 페이지를 열 수 있으므로 다른 비디오 RAM 기술의 듀얼 포트와 비슷한 효과를 구현할 수 있는 구조인 것. 쉽게 비유하면, 단방향 무전기와 양방향 전화기의 차이라고 할 수 있으나 정확한 표현은 아니다.
1994년에 히타치의 HM5283206, NEC µPD481850를 통해 처음 소개되었으며, SGRAM이 탑재된 가장 오래된 제품은 1995년 12월에 투입된 소니 플레이스테이션 1의 2세대 리비전 모델인 SCPH-5000이다. 그래픽 카드의 경우 ATI는 1996년 RAGE II 시리즈부터, NVIDIA는 1997년 RIVA 128부터 탑재되었다가 2002년 지포스 4 시리즈를 마지막으로 더 이상 채택되지 않고 있다.
3.4.1. GDDR SGRAM
Graphics Double Data Rate Synchronous Graphics (Dynamic) Random Access Memory.그래픽 성능이 향상됨에 따라 처리해야 할 데이터의 용량도 늘어났기 때문에 이를 받쳐줄 대역폭이 필요했다. 시스템 메모리에 사용되는 SDRAM이 DDR SDRAM으로 발전되었 듯이 그래픽용 메모리도 이와 비슷한 양상으로 발전하기에 이르렀다. 처음에는 DDR SGRAM으로 알려졌다가 지금은 GDDR SDRAM로 통용되고 있는데, 표준화 조직인 JEDEC에서는 GDDR SGRAM으로만 명시하고 있으므로 공식 명칭은 GDDR SGRAM이 맞다.
용도가 확실한만큼 성능 또한 GPU에 특화된 양상을 보여준다. GPU에서 가장 중요한 읽기/쓰기 속도는 일반 DDR 메모리와는 비교불허의 수준을 갖추었으나, 메모리의 지연시간도 엄청나게 늘어났다. 노스브리지 메모리 컨트롤러와 통상 DDR 메모리의 지연시간을 합한 것보다도 느릴 정도.
단, 이는 그래픽 카드의 특성에 맞추어 설계되었으므로 실제 GPU에서는 문제되지 않는다. CPU는 적고 빠른 코어 몇 개를 이용하여 연산을 진행하기에 캐시, 메모리, 스케쥴링 등이 시시각각 완료되어야 성능 문제를 막을 수 있지만, GPU는 수 백, 수 천 개의 코어들을 이용하여 연산을 수행하므로 메모리의 지연시간이 비교적 길어도 되기 때문이다.
2000년 지포스 256 DDR, 라데온 DDR (7200)을 통해 처음 출시되었으며, GDDR 이후로 성능과 전력 효율을 높이기 위해 DDR 기반의 GDDR2, DDR2 기반의 GDDR2(DDR 기반의 GDDR2와는 다른 규격)와 GDDR3, DDR3 기반의 GDDR4, GDDR5, GDDR5X, DDR4 기반의 GDDR6 순서로 발전했다. 각각 세대별 기술적인 호환성은 없다. 원래는 시스템 메모리의 DDR 규격과 구별하기 위해 그래픽용 DDR을 의미하는 GDDR로 표기되고 있지만 실제 제품에서는 G자를 빼고 사용되는 경우도 있다.
|| 규격 || 전압 || 모듈 타입 || 비트레이트 || 개발 || 표준화 || 적용 ||
| GDDR | 2.5 V | 64 레인 | 300~950 Mbps | 1998년 | 1999년 | 2000년 |
| GDDR2 | 1.8 V | 64 레인 | 400~1000 Mbps | 2002년 | 2003년 | 2004년 |
| GDDR3 | 1.8 V | 64 레인 | 900~2484 Mbps | 2003년 | 2003년 | 2004년 |
| GDDR4 | 1.5 V | 64 레인 | 1400~2252 Mbps | 2005년 | 2005년 | 2006년 |
| GDDR5 | 1.5 V | 64 레인 | 3000~9028 Mbps | 2007년 | 2008년 | 2008년 |
| GDDR5X | 1.5 V | 64 레인 | 10008~11008 Mbps | 2015년 | 2016년 | 2016년 |
| GDDR6 | 1.35 V | 64 레인 | 12000~20000 Mbps | 2017년 | 2018년 | 2018년 |
| GDDR6X | 1.35 V | 64 레인 | 19000~21000 Mbps | 2020년 | 2020년 | 2020년 |
| GDDR7 | 1.2 V | 64 레인 | 32000~40000 Mbps | 2023년 | 2024년 | 2024년 |
고도의 기술이 사용되는 만큼 가격도 매우 매우 비싸다. 초창기의 GDDR5 메모리는 일반 DDR3 메모리 가격의 10~15배 이상을 호가했고, DDR4 메모리 기준으로도 5~6배 이상의 가격을 자랑한다(...) 이 때문에 최근 그래픽카드 가격이 천정부지로 치솟는 원인으로 지목되기도 하는데, 실제로 보급형 라인의 그래픽 카드 가격에서는 가장 비싼 칩셋과 GDDR5 메모리 파트의 원가가 비슷하기 때문이다. 특히 메모리 반도체 시장을 주도하는 삼성전자가 장기간 이어져온 치킨게임을 끝내면서 메모리 반도체 가격이 배 이상으로 뛰고 있다.
그래픽카드의 세대가 거듭되면서 탑재된 메모리 용량이 대체로 증가되고 있는데 게임의 그래픽 옵션에서 가장 중요한 고해상도 텍스처를 불러오기 위해서는 그만큼의 그래픽 메모리 용량이 필요하다. 2019년 기준 엔트리 레벨의 그래픽 카드는 2~4GB, 메인스트림 그래픽 카드는 4~8GB, 하이엔드 및 플래그십 그래픽 카드는 8~16GB가 주로 탑재된다. 그래픽 전용 메모리의 가격이 결코 저렴하지 않다 보니 카드에 장착되는 GPU의 레벨과 더불어 각 레벨의 그래픽 카드 티어를 강제적으로 구분하고 있는 요소이다.
3.4.1.1. GDDR2 SGRAM
2003년까지는 GDDR을 주력으로 채용했다. 지포스 FX 5800 Ultra, 5700 Ultra 모델에서 DDR 기반의 GDDR2가 채용된 적이 있었지만 상위 모델이었던 FX 5900에서는 안정성이 있는 GDDR로 회귀할 정도로 전압 문제, 과열 문제가 심각했다. 이후 GDDR은 2004년에도 지포스 6800 노멀을 비롯한 일부 하이엔드 모델에서만 채용되었다가 2005년을 마지막으로 더 이상 채택되지 않았다.3.4.1.2. GDDR3 SGRAM
2004년에 그래픽카드부터 중저가형은 DDR2 기반의 GDDR2 메모리, 중급형 이상은 DDR2 기반의 GDDR3 메모리가 적용되기 시작했고 2005년 늦가을에 출시된 Xbox 360의 경우는 GDDR3 메모리를 CPU와 GPU가 공유하여 사용하는 특이한 구조로 설계되었다. 2006년부터 더 이상 GDDR이 채택되지 않게 됨으로써 DDR2 기반의 GDDR2와 GDDR3로 양분하고 있었다.3.4.1.3. GDDR4 SGRAM
2005년에 GDDR4 메모리를 개발하여 2006년 늦여름에 ATi 라데온 X1900 시리즈 일부 모델에 처음 채택되었으나 기술적인 문제점으로 인해 성능이 GDDR3보다 그다지 향상되지 못했고 전력 소모의 급격한 증가 → 효율 저하로 이어져 널리 사용되지 못했다. NVIDIA는 DDR 기반의 GDDR2로 곤욕을 치른 경험이 있었기에 중급형 이상의 모델에서는 GDDR3에 올인하면서 GDDR4를 건너뛰었다.3.4.1.4. GDDR5 SGRAM
2007년에 GDDR5 메모리가 개발되었는데 GDDR4에서 나타난 문제점들이 개선되고 DDR이 아닌 QDR이라고 불러도 좋을만큼 실효 클럭이 더블 펌핑이 아닌 쿼드 펌핑으로 작동하여 장기 집권할 수 있는 원동력이 되었다. 2008년 중반 AMD 라데온 HD 4000 시리즈의 일부 모델부터 채택되어 메모리 클럭이 750~900MHz(실효 클럭 3000~3600MHz)를 시작으로 2000~2250MHz(실효 클럭 8000~9000MHz)대까지 10년 동안 끌어올렸으며, 2016년에 마이크론 테크놀로지에서만 개발된 확장 규격인 GDDR5X가 출시되어 GDDR5와 같은 전압이지만 실효 클럭이 쿼드 펌핑이 아닌 옥타 펌핑으로 뻥튀기되면서 기존 GDDR5보다 훨씬 낮은 클럭으로도 10~11GHz의 실효 클럭을 보여주고 있다.3.4.1.5. GDDR6 SGRAM
2018년에 GDDR6가 투입되면서 GDDR5X보다 더 낮은 전압으로 12~16GHz까지 더 높은 실효 클럭을 구현할 수 있다고 한다.2020년 RTX 30 시리즈가 발매되면서, 3070 Ti, RTX 3080, RTX 3090에 GDDR6X가 탑재되었다. 마이크론 테크놀로지가 공급하는데, 심각한 문제가 두 가지 있다. 첫째는 공급이 수요를 못따라가서 품귀 현상이 극심하고, 둘째는 메모리 발열이 지나치게 심하다는 점[25]이다.
GDDR6X 메모리의 엄청난 발열 덕분에 이전 상위 라인업에만 들어가던 메모리 온도 센서가 하위 라인업이든 상위 라인업이든 가릴 것 없이 GDDR6X를 사용하는 그래픽 카드엔 대부분[26] 들어가게 되었다.
2021년 AMD는 플레이스테이션 5에 들어가는 4700S APU 중 수율이 부족한 몇몇 APU들의 iGPU를 비활성화 한 후 4700S 데스크탑 키트로 판매하고 있다. 이 키트의 가장 큰 특이점은 GDDR6 메모리로 시스템이 작동한다는 것인데, 벤치마킹 일부에서 상술한 일반 DDR 메모리와의 차이점이 드러난다. 메모리 지연시간이 과거 메모리 컨트롤러가 CPU가 아닌 노스브리지에 탑재되던 시기의 펜티엄 D의 수준도 못 미치는 것이다. 실질적 시스템 작동에는 문제가 없는 수준이지만, 메모리 읽기/쓰기 속도에 전념한 메모리임을 다시 알려주는 셈이다.
3.4.1.6. GDDR7 SGRAM
3.5. HMC
2011년에 개발된 차세대 메모리로, 복수의 DRAM을 수직 방향으로 적층하는 방식. 메모리뿐만 아니라 CPU, GPU 같은 프로세서 위에서도 적층할 수 있어 컴팩트한 모습으로 더 많은 여유 공간을 확보할 수 있지만 열이 발생하는 부품들이 모두 한곳에 집적된 형태이기 때문에 발열에 민감해지며 성능을 끌어올리기엔 기술적인 난이도가 높아 이를 채택한 상용 제품이 아직까진 없는 상태. 인텔 제온 파이에 쓰였으나, 인텔이 제온 파이를 버리면서 더 이상 사용되지 않는다.3.6. HBM
2013년에 선보인 차세대 메모리로, SDRAM(DDR 계열 포함)과 RDRAM과는 완전히 다른 구조를 띤다. 먼저 개발된 HMC의 높은 난이도로 인해 메모리만 적층하는 것으로 절충된 규격으로써 대신에 적층된 메모리와 프로세서 사이를 연결하는 인터포저의 역할이 중요해졌다.
하이엔드~플래그십 그래픽 카드에 먼저 적용되었으며, 기존 GDDR SGRAM 대비 낮은 소비 전력과 작은 메모리 컨트롤러 및 물리 계층(PHY) 면적이라는 장점이 있어서 저전력 및 소형화에 유리하다. 문제는 아직 초기라서 그런지 그 인터포저의 제조가 상당히 까다로워서 이를 채용한 제품을 제조하는 업체들이 대량 생산에 어려움을 겪고 있다는 점. 당장은 도입하기 어렵지만 차후에 시스템 메인 메모리에도 적용될 가능성이 높다. 현재는 Radeon VEGA와 Radeon VII, TITAN V을 제외하면 아직은 탑재된 그래픽카드는 많이 없다. 인텔 제온 플래티넘 94xx(골든 코브) 시리즈 CPU에 64 GB의 HBM2e 메모리가 사용될 예정이다.
[1]
2024년에 사망했다. 그가 1972년에 제시한 데나드의 법칙도 유명하다. 반도체의 1W 당 성능 즉 전성비는 2년마다 2배로 증가하고 트렌지스터 크기가 줄면 전력소모량도 줄어든다는 법칙이다.
[2]
이상적으로는 스위치가 off 되면 전류가 흐르지 않아 방전이 일어나지 않아야 하지만 실제로는 커패시터와 연결된 스위치가 off되더라도 미세한 전류가 흐르기 때문에 방전된다.
[3]
첫 번째 영역은 메모리 배열로부터 출력 스테이지(latch)로 엑세스 하는 단계, 두 번째 영역은 래치(latch)에서 데이터 버스가 동작하는 단계.
[4]
3.2Gb/s 대역폭 성능문제에 집착
[5]
intel i845 칩셋
[6]
JEDEC 표준 기준. 오버클럭 메모리는 이보다 더 높은 클럭을 지원한다.
[7]
예시로 인텔 기준으로 서버/워크스테이션에는
하스웰 세대에 DDR4가 적용되었지만 일반 소비자용 제품에는 다음 아키텍처인
스카이레이크 세대에 DDR4가 적용되었다. 다만 일반 데스크톱 프로세서용 소켓을 사용하는 제온 E3 제품군은 스카이레이크 세대에 전환되었다.
[8]
인텔로 치자면 Gear1, Gear2, Gear4 모드이며,
AMD로 치자면 IF(Infinity fabric)이다.
[9]
수율이 아무리 좋아도 4800MHz에서조차 Gear1이 안 되며, AMD는 6600MHz까지 UCLK:MCLK는 1:1 모드가 지원되나, FCLK가 2000MHz를 넘기기가 힘들어 완전한 1:1 모드는 아니다.
[10]
듀얼채널일 경우 2개 이하, 쿼드채널일 경우 4개 이하, 옥타채널일 경우 8개 이하인 셈이다.
[11]
5600MHz 기준 4000MHz 수준까지 내려간다. 다만 듀얼채널이어도 메모리 칩셋 슬롯을 2개만 지원하는 메인보드는 2개를 모두 장착하여 풀뱅시키면 클럭이 내려가지 않고 그대로 유지된다.
[12]
물론 지원해봤자 FCLK가 2400MHz가 최대라고 하여 4800MHz에서만 1:1:1을 지원할 것으로 보인다.
[13]
다만 노트북임에도
온보드 메모리로 LP 규격 RAM을 탑재시킨 제품도 많다.
[14]
x64 기반
[15]
1066 MHz(8.5 GB/s)인 모델까지 개발되었다.
[16]
2133 MHz(17.1 GB/s)인 모델까지 개발되었다.
[17]
4266 MHz(34.1 GB/s)인 모델까지 개발되었다.
[18]
2019년에 5500 MHz(44 GB/s)인 모델이 먼저 생산되었고, 2020년에 6400 Mhz인 모델이 생산되었다.
[19]
DVFS
[20]
2022년 상반기에 7500 MHz(60 GB/s)인 모델이 먼저 생산되었고, 동년 하반기에 8533 MHz인 모델이 생산되었다. 2024년 4월 기준 10700 MHz(85.6 GB/s)인 모델까지 개발되었다.
[21]
아직 JEDEC 표준 스펙은 아니고 제안 단계이다.
[22]
뒤에 X가 붙은것은 기술적 개선이 아닌 단순
오버클럭 버전이다.
[23]
단, 2023년 상반기 삼성 제품에 탑재된 LPDDR5X는 동시기 타사 제품에 탑재된 8533 MHz가 아닌 7500 MHz 제품이 탑재되었다. 이는 마이크론과 SK하이닉스가 8533 MHz LPDDR5X를 먼저 양산하는 동안 삼성은 그러지 못했기 때문이다. 삼성은 2023년 중반이 돼서야 뒤늦게 8533 MHz LPDDR5X를 양산하기 시작했고, 이는
갤럭시 Z 플립5/
갤럭시 Z 폴드5와
갤럭시 탭 S9 시리즈에 최초로 탑재되었다. 물론 삼성에서 탑재한 7500 MHz 역시 LPDDR5X며 8533 MHz와 비교해볼 때 1000 MHz 정도의 체감 속도 차이는 거의 없다고 봐도 무방하다.
[24]
2E, 4X, 5X처럼 업그레이드 된 신제품은 제조사가 우선 개발하고 JEDEC에 제안하여 표준 스펙에 포함시키는게 일반적으로 5T도 JEDEC에 표준 스펙으로 만들기 위한 절차를 진행하고 있고 마무리 단계라고 한다.
[25]
100도를 넘는다
[26]
FE외 온도 센서가 없는 그래픽 카드들이 몇 개 있다고 한다.