이중 셀 EEPROM 미사용 시 데이터 유실 위험 증가

엔지니어라면 직업상 다양한 개인 랩톱을 사용해 보았을 것입니다. 저의 경우는 첫 랩톱으로 IBM ThinkPad 라인을 사용했는데, 대단히 견고한 구조에 매우 안정적인 성능을 갖추고 있었기 때문입니다. 한때는 20년 전의 동일한 제품만큼이나 휴대가 용이하며 CD 또는 플로피 디스크(기억하신다면)는 필요 없는 ThinkPad 560X를 사용했고, 그 후로 수많은 다른 랩톱도 사용해 보았죠.

약 10여 년 전, 저는 자리를 많이 차지하지 않는 콤팩트하면서도 성능 좋은 랩톱으로 제어할 수 있는 디지털 홈 스테레오 시스템을 설계해 보기로 했습니다. 이를 위해 구형 하드웨어의 용도를 변경해 사용하는 것이 최선으로 판단되었습니다. ThinkPad 560X의 Pentium이 내장형 3.5mm 드라이브를 통해 오디오를 제공하는 것은 어려운 문제가 아니었으므로, 랩탑을 꺼내어 랩탑 주위에 홈 오디오 시스템을 구축했습니다.

어느 화창한 일요일 아침, 커피 한 잔을 들고 제가 만든 스피커에서 웅장한 사운드가 흘러나오기를 기대하며 랩톱을 켰죠. 그러나 곧 일요일 아침의 평화는 깨지고 말았습니다. ThinkPad의 스피커가 예사롭지 않은 소리를 냈기 때문이죠.

삐이이이익! 삐이이이익!

구형 BIOS 시스템을 알고 계신다면 랩탑 파워온 자체 테스트(POST) 경고음이 얼마나 공포스러운 것인지 잘 아실 것입니다. 화면을 확인하니 3자리의 오류 POST 코드가 떠 있었습니다.

매일 사용하는 랩톱에서 그 오류 코드를 찾아보며, 그저 큰 문제가 아니기만을 바랬습니다. 하지만 그 코드는 BIOS 구성을 유지하는 데 사용된 EEPROM이 더 이상 데이터를 유지하지 않는다는 것을 의미하는 것이었습니다. 컴퓨터를 여러 번 재부팅 해봐도 소용이 없었습니다. 컴퓨터는 완전히 망가져 버렸죠.

좀 더 알아본 결과 그 당시 ThinkPad는 메인보드에 납땜된 직렬 EEPROM에 BIOS 구성 데이터를 저장한다는 사실을 알게 되었습니다. 당시 EEPROM 기술은 아직 개선 단계에 있었고, 반도체 제조업체는 장치의 속도와 안정성을 개선하는 동시에 데이터 보존 기능을 향상시키고 비용을 낮추기 위해 힘쓰고 있었습니다.

그 랩톱을 창고에 두고, 다시 부팅이 되길 바라며 이따금 켜 보기도 했지만 랩톱은 더 이상 그런 기적을 일으키진 않았습니다.

오늘날의 EEPROM 데이터 보존은 어느 때보다 더욱 중요합니다. 신뢰성 개선으로 훨씬 더 긴 데이터 보존을 요구하는 사물 인터넷(IoT), 산업용 IoT(IIOT) 및 노드를 통해, EEPROM 제조업체는 데이터를 수십 년 동안 안전하게 보호하도록 혁신적인 발전을 거듭해 왔습니다.

예를 들면 Rohm Semiconductor는 매우 오랜 시간의 데이터 보존 및 신뢰성을 지닌 다양한 자동차 등급 EEPROM을 제공합니다. BR24G64NUX-3ATTR은 I²C 인터페이스가 포함된 64킬로비트(Kbit) 자동차용 EEPROM으로, Rohm은 이 EEPROM에서 40년 이상의 데이터 보존 및 1백만 회 이상의 쓰기 주기가 보장된다고 명시한 바 있습니다. 8핀 UFDFN 노출형 패드 패키지(그림 1)로 제공됩니다. I²C 직렬 인터페이스는 1.7V ~ 5.5V의 V_CC 범위로 1 메가헤르츠(MHz)에서 호스트 마이크로 컨트롤러에 접속할 수 있습니다.

그림 1: BR24G64NUX-3ATTR은 이중 셀 메모리 구조의 64Kbit EEPROM으로, 40년 이상의 데이터 보존이 가능합니다. (이미지 출처: Rohm Semiconductor)

BR24G64 EEPROM 제품군은 여러 가지 데이터 보호 기능을 갖추고 있습니다. 쓰기 보호(WP) 핀을 사용하면 외부 회로에서 EEPROM 데이터의 하드웨어 쓰기 보호가 시행됩니다. WP = GND인 경우 데이터 쓰기가 허용됩니다. WP = V_CC인 경우 EEPROM 메모리 어레이에 대한 모든 데이터 쓰기가 차단됩니다. 읽기는 허용되며, 내부 레지스터에 대한 읽기와 쓰기는 허용됩니다. 외부 이벤트로 인해 쓰기 기능이 방해받을 수 있는 경우 EEPROM에 대한 마이크로 컨트롤러 호스트 펌웨어의 쓰기 시행 방지를 지원하는 데 사용될 수 있습니다.

많은 EEPROM 단일 비트 오류는 정상 작동 중이 아닌 짧은 파워온 및 파워오프 이벤트 중에 발생합니다. 이러한 이벤트는 스퓨리어스 저전압 과도 상태를 일으켜, 실수로 급작스런 쓰기 신호가 EEPROM 셀에 적용되어 단일 비트 오류가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 Rohm의 자동차용 EPROM에는 두 가지 내부 보호 회로가 있습니다. 파워온 리셋 보호 회로는 V_CC가 최소 내부 전압까지 상승할 때까지 기다린 후, 칩의 나머지 부분에 V_CC를 적용합니다. 따라서 내부 저전압 과도 현상이 방지되며, 파워온 이벤트 중에 EEPROM 메모리 어레이가 손상되지 않습니다. 두 번째로는 저전압 보호 회로인데, V_CC가 너무 낮아졌을 때 메모리에 대한 불필요한 쓰기를 방지합니다. V_CC가 너무 낮아져서 최소 작동 전압 이하로 내려가면, EEPROM는 EEPROM 스퓨리어스 쓰기를 방지하기 위해 자동 리셋을 실시합니다.

EEPROM 데이터 메모리는 빠른 읽기 작동 및 비교적 빠른 쓰기가 가능하도록 설계됩니다. EEPROM은 터널 산화막 필름을 통해 전자를 통과시킴으로써 메모리 셀에 데이터를 씁니다. 필름은 시간 경과와 온도에 따라 기능이 저하될 수 있으며, 셀 기록을 할 때마다 약해집니다. 보관 중에도 고온에 의해 필름의 기능은 저하될 수 있습니다. 결국 셀의 기능이 저하되어 메모리 비트 오류가 발생하여 셀이 로직 1에서 막혀 있게 됩니다. 바로 이러한 이유로, 수년 동안 EEPROM이 단일 비트 메모리 오류로 어려움을 겪었던 것이며, 제가 강력한 사운드를 기대하며 ThinkPad 560X를 부팅했을 때 이러한 문제가 발생했던 것입니다. EEPROM이 기능을 잃자, 단일 비트 오류로 인해 560X에 체크섬 오류 코드가 표시되는 슬픈 결말을 선사했던 것입니다.

Rohm의 자동차용 EEPROM은 각 메모리 비트에 이중 셀 구조를 사용합니다. 감지 회로는 첫 번째 셀의 상태를 모니터링합니다. 셀이 오류에 가까워지는 경우 첫 번째 셀이 비활성화되는 동안 두 번째 셀이 해당 역할을 감당합니다. 사이즈가 약간 커지긴 하지만 이로 인해 40년의 데이터 보존과 1백만 회 이상의 쓰기 주기가 가능해집니다. 그 정도면 아주 훌륭하죠.

결론

Rohm Semiconductor의 고신뢰성 자동차용 EPROM이 20년 전에 존재했다면, 제 ThinkPad 560X는 그 화창했던 일요일 아침에 삑! 삑! 하는 소리를 낸 대신 지금까지도 아름다운 음악을 선사해 주었겠지요.