KR20180113346A - Usb 메모리 장치 - Google Patents

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KR20180113346A
KR20180113346A KR1020170044758A KR20170044758A KR20180113346A KR 20180113346 A KR20180113346 A KR 20180113346A KR 1020170044758 A KR1020170044758 A KR 1020170044758A KR 20170044758 A KR20170044758 A KR 20170044758A KR 20180113346 A KR20180113346 A KR 20180113346A
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Abstract

본 발명은 USB 메모리 장치에 관한 것으로, 외부 디바이스와 연결되어 데이터를 주고받기 위한 USB 입출력 인터페이스; 상기 USB 입출력 인터페이스에 연결되는 USB 컨트롤러 및 복수의 메모리칩과 병렬로 연결되는 레이드(RAID:Redundant Array of Inexpensive Disk) 컨트롤러가 시스템 온 칩(SoC: System On Chip) 방식으로 집적된 컨트롤러; 및 NAND 플래시 메모리 및 상기 NAND 플래시 메모리를 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive) 메모리로 기능하도록 하는 SSD 제어칩이 시스템 온 칩 방식으로 집적된 적어도 둘 이상의 메모리칩;을 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기둘 이상의 메모리칩에 대해 SSD 제어방식으로 데이터 읽기 및 쓰기 신호를 전송하고, 상기 NAND 플래시 메모리를 레이드 방식으로 제어하며, 상기 레이드 컨트롤러는 시스템 온 칩된 저전력 휘발성 메모리를 캐쉬 버퍼로 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

USB 메모리 장치{USB MEMORY DEVICE}
본 발명은 USB 메모리 장치에 관한 것이다.
USB(Universal Serial Bus) 메모리 장치는 오늘날 우리 생활 곳곳에서 널리 사용되고 있다.
USB 관련 표준이 꾸준하게 업그레이드되고 있으며, 이에 따라 USB 표준기술이 지원할 수 있는 데이터의 입출력 속도도 비약적으로 발전하고 있다.
그러나 USB 표준기술이 지원할 수 있는 이론적 대역폭과 실제 상용화된 USB 메모리 장치가 제공하는 대역폭에는 차이가 있다. 이론적 대역폭을 실제로 구현하기 위해서는 다양한 어플리케이션에 맞는 상용화 기술의 뒷받침이 필수적이기 때문이다.
다시 말해서, USB 표준기술을 지원하는 USB 메모리 장치의 상용화를 위해서는 고속의 성능을 비롯하여 안정성과 휴대성이 고려되어야 한다. 그러나, 종래의 USB 메모리 장치는 USB 3.X(X=1, 2, 3…9) 표준에 걸맞는 상용화 기술이 충분히 구현되지 못했다.
본 발명의 목적은 고속의 데이터 입출력 성능을 비롯하여 안정성과 휴대성을 두루 갖춘 USB 메모리 장치를 제안하는 것에 있다.
또한, 본 발명은 RAID(Redundant Array of Inexpensive Disk) 기능을 구현할 수 있는 USB 메모리 장치를 제안한다. 본 발명은 RAID 1에 따라 데이터 백업을 구현하는 장치 또는 RAID 0에 따라 입출력속도가 개선된 장치를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 휴대 가능한 USB(Universal Serial Bus) 메모리 장치는 외부 디바이스와 연결되어 데이터를 주고받기 위한 USB 입출력 인터페이스; 상기 USB 입출력 인터페이스에 연결되는 USB 컨트롤러 및 복수의 메모리칩과 병렬로 연결되는 레이드(RAID:Redundant Array of Inexpensive Disk) 컨트롤러가 시스템 온 칩(SoC: System On Chip) 방식으로 집적된 컨트롤러; 및 NAND 플래시 메모리 및 상기 NAND 플래시 메모리를 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive) 메모리로 기능하도록 하는 SSD 제어칩이 시스템 온 칩 방식으로 집적된 적어도 둘 이상의 메모리칩;을 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기둘 이상의 메모리칩에 대해 SSD 제어방식으로 데이터 읽기 및 쓰기 신호를 전송하고, 상기 NAND 플래시 메모리를 레이드 방식으로 제어하며, 상기 레이드 컨트롤러는 시스템 온 칩된 저전력 휘발성 메모리를 캐쉬 버퍼로 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서 상기 레이드 컨트롤러는 RAID 0 방식(stripping)으로 상기 둘 이상의 메모리칩에 데이터를 저장할 수 있다.
바람직한 실시예에서 상기 레이드 컨트롤러는 RAID 1 방식으로 상기 둘 이상의 메모리칩에 데이터를 저장하여 데이터 백업 기능을 실행할 수 있다.
바람직한 실시예에서 상기 USB 메모리 장치는 인쇄회로기판을 더 포함하고, 상기 인쇄회로기판의 일단에는 상기 USB 입출력 인터페이스가 외부로 돌출되어 형성되고, 상기 인쇄회로기판의 상면에는 상기 USB 입출력 인터페이스에 인접하여 상기 컨트롤러가 형성되고, 상기 인쇄회로기판의 상면과 하면에는 각각 제1메모리칩 및 제2메모리칩을 형성할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 고속의 데이터 전송이 가능한 USB 메모리장치를 제공할 수 있다. 본 발명은 NAND 플래시 메모리를 SSD로 기능하도록 하고, NAND 플래시 메모리를 SSD 제어칩과 함께 SoC하여 집적도를 향상시키는 동시에 데이터 처리의 속도와 안정성을 향상시켰다. 또한 캐쉬 버퍼로 사용되는 휘발성 메모리를 SoC하여 인터페이스되는 양방향의 데이터를 버퍼링 해줌으로써 보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명은 RAID 1에 따라 데이터 백업을 구현하거나 또는 RAID 0에 따라 입출력속도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 USB 포트를 이용하여 전력을 공급받기 때문에 자체적으로 배터리를 포함하지 않아도 되며, 별도의 전원선을 포함할 필요가 없어 장치구성이 간편하다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 USB 메모리 장치 구성의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 USB 메모리 장치 레이아웃의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 USB 메모리 장치의 데이터 흐름의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 USB 2.0 메모리 장치의 입출력 속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 USB 3.0 메모리 장치의 입출력 속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 USB 메모리 장치가 RAID 0 방식으로 동작할 때의 입출력 속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 USB 메모리장치 구성의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명은 휴대 가능한 USB 메모리 장치(100)로서, USB 입출력 인터페이스(110), 컨트롤러(120), 적어도 둘 이상의 메모리칩(130)을 포함한다.
USB 입출력 인터페이스(110)는 외부 디바이스와 연결되어 데이터를 주고받기 위한 입출력 인터페이스를 제공한다. 바람직한 실시예에서 USB 입출력 인터페이스(110)는 USB type-C 혹은 기타 단자일 수 있다.
컨트롤러(120)는 USB 입출력 인터페이스(110)에 연결되는 USB 컨트롤러 및 둘 이상의 메모리칩(130)과 병렬로 연결되는 레이드(RAID) 컨트롤러를 포함한다. 바람직한 실시예에서 컨트롤러(120)는 시스템 온 칩(System On Chip:SoC) 방식으로 집적되어, 크기와 부피를 줄일 수 있으며, 데이터 처리 속도와 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 시스템 온 칩(SoC: System On Chip)된 컨트롤러(120)는 직접적인 DMA제어(Direct Memory Access)를 통해 SoC된 휘발성 메모리를 제어하여 입출력 속도를 향상시킬 수 있다.
컨트롤러(120)에 포함된 USB 컨트롤러는 USB 표준에 따라서 외부 디바이스가 USB 메모리 장치(100)에 데이터를 읽고 쓸 수 있도록 제어한다.
컨트롤러(120)에 포함된 레이드(RAID) 컨트롤러는 USB 컨트롤러의 데이터 입출력 신호를 수신하고, RAID 방식으로 둘 이상의 메모리칩(120)에 데이터를 읽고 쓴다. 바람직한 실시예에서 레이드(RAID) 컨트롤러는 둘 이상의 메모리칩(130)에 SSD 제어방식으로 데이터 읽기신호 및 쓰기신호를 전송하고 직접적으로 제어한다.
바람직한 실시예에서 레이드 컨트롤러는 RAID 0 방식(stripping)으로 둘 이상의 메모리칩(130)에 데이터를 저장할 수 있다. 레이드 컨트롤러는 데이터를 블록 단위로 분할하여 복수의 메모리에 읽거나 쓸 수 있다. 이 실시 예를 이용하면 둘 이상의 메모리칩(130)에 읽고 쓰는 속도를 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 다른 실시예에서 레이드 컨트롤러는 RAID 1 방식으로 둘 이상의 메모리칩(130)에 데이터를 저장한다. 레이드 컨트롤러는 동일한 데이터를 복수의 메모리에 저장하여 데이터 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이 실시예를 이용하면 데이터 백업 기능을 실행할 수 있는 효과가 있다.
이러한, 레이드 컨트롤러는 시스템 온 칩된 저전력 휘발성 메모리를 캐쉬 버퍼로 사용할 수 있고, 직접적인 DMA제어를 통해 저전력 휘발성 메모리를 제어하여 입출력 속도를 향상시킬 수 있다.
둘 이상의 메모리칩(130)은 NAND 플래시 메모리 및 SSD 칩을 포함한다. 둘 이상의 메모리칩(130)은 시스템 온 칩 방식으로 집적되어, 크기와 부피를 줄일 수 있으며, 데이터 처리 속도와 안정성을 향상시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서 둘 이상의 메모리칩(130)은 NAND 플래시 메모리를 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive: SSD) 메모리로 기능하도록 하는 SSD 제어칩이 시스템 온 칩 방식으로 집적되어 있다. SSD 제어칩이 NAND 플래시 메모리를 SSD 메모리로 동작하도록 제어한다. 따라서, 둘 이상의 메모리칩(130) 외부에 있는 컨트롤러(120)는 NAND 플래시 메모리를 포함하는 둘 이상의 메모리칩(130)에 대해 SSD 제어방식으로 데이터 읽기 및 쓰기 신호를 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 USB 메모리 장치 레이아웃의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2에서 알 수 있듯이, USB 메모리 장치(100)는 USB 입출력 인터페이스(110), 컨트롤러(120), 제1메모리칩(131), 제2메모리칩(132) 및 인쇄회로기판(140)을 포함할 수 있다.
USB 입출력 인터페이스(110)는 인쇄회로기판(140)의 일단에서 외부로 돌출되어 형성될 수 있다. 인쇄회로기판(140)의 상면에는 USB 입출력 인터페이스(110)에 인접하여 컨트롤러(120)가 형성될 수 있다. 인쇄회로기판(140)의 상면과 하면에는 각각 제1메모리칩(131) 및 제2메모리칩(132)이 형성될 수 있다. 컨트롤러(120)는 복수의 메모리칩(131, 132)에 병렬로 연결될 수 있다.
컨트롤러(120), 제1메모리칩(131), 제2메모리칩(132)은 각각 시스템 온 칩 방식으로 접적되어 형성될 수 있다. 따라서, USB 메모리 장치(100)는 전체적으로 매우 가볍고 소형으로 제작될 수 있다. 예를 들어, USB 메모리 장치(100)는 가로 35mm(L), 세로 16mm(W), 높이 4.2mm, 무게 6.5g으로 제작될 수 있다.
도 3은 본 발명의 USB 메모리 장치의 데이터 흐름의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 컨트롤러(120)에 포함된 USB 컨트롤러가 USB 입출력 인터페이스(110)를 통해서 외부 디바이스로부터 데이터의 읽기/쓰기 명령을 수신한다(S1100).
USB 컨트롤러가 수신한 읽기/쓰기 명령을 컨트롤러(120)에 포함된 레이드 컨트롤러로 전송한다(S1200).
레이드 컨트롤러는 읽기/쓰기 명령에 따라 둘 이상의 메모리칩(130)에 데이터를 쓰거나, 둘 이상의 메모리칩(130)으로부터 데이터를 읽는 과정에서 DMA를 통해 캐쉬 버퍼인 저전력 휘발성 메모리를 이용한 동작을 제어한다(S1300). 바람직한 실시예에서 레이드 컨트롤러는 SSD 제어방식으로 데이터를 읽거나 쓴다(S1400). 레이드 컨트롤러는 RAID 0 방식 또는 RAID 1 방식을 이용하거나 이를 혼용하는 방식으로 데이터를 읽고 쓸 수 있다. 이러한 과정에서 레이드 컨트롤러는 읽기/쓰기 명령을 수행하면서 시스템 온 칩된 캐쉬 버퍼인 저전력 휘발성 메모리를 DMA(Direct Memory Access) 통해 제어하여 입출력 속도를 향상시킬 수 있다.
SSD 제어칩(도 3의 SSD 컨트롤러)은 데이터 읽기/쓰기 명령을 수신하고, 이를 이용하여 NAND 플래시 메모리에 데이터를 읽고 쓴다(S1500). SSD 제어칩과 NAND 플래시 메모리는 시스템 온 칩 방식으로 집적되어 있기 때문에, 데이터 처리의 속도와 안정성을 향상시킬 수 있음은 물론 디바이스의 크기와 무게를 감소시킬 수 있다.
도 4 내지 도 6은 종래기술 대비 본 발명의 데이터 입출력속도를 비교 설명하기 위한 도면이다. 아래 설명에서 알 수 있듯이, 본 발명은 종래기술의 한계를 극복하고 현저하게 향상된 입출력 속도를 구현하였다. 속도측정을 위해 크리스탈 디스크 마크(Crystal Disk Mark) 프로그램을 사용하였으며 비교실험의 객관성을 확보하기 위해 다양한 항목에 대해 실험을 실시하였다. 테스트 항목의 의미는 다음과 같다. 순차(Seq) 읽기/쓰기: 단일 쓰레드에서 순차적으로 읽고/쓰기 테스트(Sequential (Block Size 1MiB) Read/Write with single Thread), 4K 읽고/쓰기: 단일 큐와 쓰레드에서 4KiB 파일을 읽고/쓰기 테스트(Random 4KiB Read/Write with single Queue and Thread), 512K: Random 512KiB Read/Write with single Queue and Thread, 순차 Q32T1 읽고/쓰기(Seq Q32T1): 복수의 큐와 쓰레드에서 순차적으로 읽고/쓰기 테스트(Sequential (Block Size 128KiB) Read/Write with multi Queues and Threads), 4K Q32T1: Random 4KiB Read/Write with multi Queues and Threads,4K QD32: Random 4KiB Read/Write with Queue Depth of 32.
도 4는 종래 기술에 따른 USB 2.0 메모리 장치의 입출력 속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4를 보면 USB 2.0 메모리 장치의 순차 읽기/쓰기(Seq) 속도가 16.92MB/s 및 5.55MB/s 임을 알 수 있고, 4K 읽기/쓰기 속도는 2.22MB/s 및 0.040MB/s로 특히 쓰기 속도가 현저하게 낮음을 알 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 USB 3.0 메모리 장치의 입출력 속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5를 보면 USB 3.0 메모리 장치의 순차 읽기/쓰기(Seq) 속도가 87.64MB/s 및 16.97MB/s 임을 알 수 있고, USB 2.0 메모리 장치에 비해서는 대략 5배 가량 속도가 향상되었음을 알 수 있다. 하지만, 4K 읽기/쓰기 속도는 7.260MB/s 및 0.065MB/s로 여전히 낮음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 USB 메모리 장치가 RAID 0 방식으로 동작할 때의 입출력 속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6을 보면 본 발명의 USB 메모리 장치의 순차 읽기/쓰기(Seq) 속도가 819.6MB/s 및 523.3MB/s 임을 알 수 있다.
이는 도 5의 결과와 비교했을 때 대략 9배 가량 향상된 속도이다. 또한 4K 읽기/쓰기 속도는 24.80MB/s 및 40.30MB/s 임을 알 수 있다. 이는 도 5의 결과와 비교했을 때 읽기는 3배, 쓰기는 종래의 USB 3.0 메모리 장치에 비해 현저하게 큰 속도 향상이 있음을 알 수 있다.
[캐쉬 메모리에 관한 실시예]
본 발명에서 메모리칩은 SSD 제어칩과 NAND 플래시 메모리를 시스템 온 칩하는 구성임을 설명한 바 있다. DRAM과 같은 휘발성 메모리를 캐쉬 메모리로 추가하는 경우 메모리칩의 부피와 단가가 증가하는 문제가 있다. 특히, 캐쉬 메모리를 버퍼로 사용하는 경우 발열문제가 발생할 수 있다. 하지만 발열의 문제점은 기술의 발전으로 인하여 저전력 휘발성 메모리를 적용하여 발열로 인한 쓰로틀링(대역폭 강제 다운)하는 현상을 해결함과 시스템 온 칩 기술로 인하여 발열을 최소화하였으며, 기술적으로는 60Gbps이상의 성능을 구현할 수 있도록 기존기술보다 보완 설계되었다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (4)

  1. 휴대 가능한 USB(Universal Serial Bus) 메모리 장치로서,
    외부 디바이스와 연결되어 데이터를 주고받기 위한 USB 입출력 인터페이스;
    상기 USB 입출력 인터페이스에 연결되는 USB 컨트롤러 및 복수의 메모리칩과 병렬로 연결되는 레이드(RAID: Redundant Array of Inexpensive Disk) 컨트롤러가 시스템 온 칩(SoC: System On Chip) 방식으로 집적된 컨트롤러; 및
    NAND 플래시 메모리 및 상기 NAND 플래시 메모리를 솔리드 스테이트 드라이브(SSD: Solid State Drive) 메모리로 기능하도록 하는 SSD 제어칩이 시스템 온 칩 방식으로 집적된 적어도 둘 이상의 메모리칩;
    을 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 둘 이상의 메모리칩에 대해 SSD 제어방식으로 데이터 읽기 및 쓰기 신호를 전송하고, 상기 NAND 플래시 메모리를 레이드 방식으로 제어하며,
    상기 레이드 컨트롤러는 시스템 온 칩된 저전력 휘발성 메모리를 캐쉬 버퍼로 사용하는 USB 메모리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이드 컨트롤러는 RAID 0 방식(Stripping)으로 상기 둘 이상의 메모리칩에 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 USB 메모리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이드 컨트롤러는 RAID 1 방식으로 상기 둘 이상의 메모리칩에 데이터를 저장하여 데이터 백업 기능을 실행하는 것을 특징으로 하는 USB 메모리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 USB 메모리 장치는
    인쇄회로기판;
    을 더 포함하고,
    상기 인쇄회로기판의 일단에는 상기 USB 입출력 인터페이스가 외부로 돌출되어 형성되고, 상기 인쇄회로기판의 상면에는 상기 USB 입출력 인터페이스에 인접하여 상기 컨트롤러가 형성되고, 상기 인쇄회로기판의 상면과 하면에는 각각 제1메모리칩 및 제2메모리칩을 형성하는 것을 특징으로 하는 USB 메모리 장치.
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CN115857806A (zh) * 2022-11-30 2023-03-28 深圳市亿诚伟业电子有限公司 一种多功能存储器的集成电路系统及其控制方法

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