[기술백서] 우리가 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)에 대해 알아야 할 것(1)

당신의 컴퓨팅 환경을 가속화할 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)

빠른 속도의 성능으로 작업하는데 가장 큰 역할을 하는 컴퓨터 부품은 무엇보다도 ‘솔리드 스테이트 드라이브(SSD)’이다. 솔리다임(Solidigm)의 기술백서를 통해 컴퓨터 스토리지와 SSD 기술의 기본부터 새로운 컴퓨터 시스템을 새로 구입하거나 기존 시스템을 업그레이드할 때 적합한 SSD를 선택하는 방법에 대해 2회에 걸쳐 알아본다. [편집자 주]

노트북을 부팅하고, 애플리케이션을 실행하고, 대용량 파일을 여는 모든 작업을 빠른 속도로 실행할 수 있다고 상상해 보자. 빠른 속도의 작업을 가능하게 하는 데 가장 큰 역할을 하는 컴퓨터 부품은 바로 “솔리드 스테이트 드라이브(SSD)”이다. 프로세서가 아무리 초당 수 십억 번의 사이클을 처리할 수 있더라도 빠른 스토리지가 없다면 불가능할 것이다.

새로운 노트북을 구매하거나 현재 시스템이 느리다면 적합한 SSD로 교체하여 컴퓨팅 환경을 가속화할 수 있다. SSD는 컴퓨팅 환경에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으므로, 사전에 SSD에 대해 자세히 알아보는 것이 좋다.

이 백서에서는 더 빠른 컴퓨팅 경험을 위해 SSD에 대해 알아야 할 사항을 설명하고자 한다. 컴퓨터 스토리지와 SSD 기술의 기본부터 새로운 컴퓨터 시스템을 새로 구입하거나 기존 시스템을 업그레이드할 때 적합한 SSD를 선택하는 방법에 대해 자세하게 다룬다.

컴퓨터 스토리지

SSD는 솔리드 스테이트 스토리지 디바이스로, 액추에이터 암(Actuator Arm)과 스피닝 디스크(spinning disk)가 있는 하드 디스크 드라이브(HDD)와 달리 움직이는 부품이 없다. 그 결과, SSD는 HDD보다 더 빠른 속도를 제공한다. 또한 SSD는 결함이 발생하기 쉬운 부품이 없어 더욱 안정적이다. SSD는 HDD보다 크기가 더 작으며(그림 1 참조), 시스템에 중요한 공간을 절약하고, 더 적은 전력을 소비한다. HDD는 일반적으로 SSD보다 용량 대비 저렴한 가격에 구입할 수 있으나 그 격차는 점차 줄어들고 있다. (그림 2 참조)

오늘날의 SSD는 낸드 플래시(NAND flash) 기술을 사용한다. 낸드 플래시 기술은 시스템이 꺼져 있을 때에도 데이터를 유지하는 스토리지 기술의 일종이다. 읽기, 쓰기 및 지우기 속도가 빠른 고밀도 스토리지라는 점이 특징이다.

SSD 가격이 하락하면서 OEM 컴퓨터 제조업체들은 HDD 대신 SSD를 기본 스토리지 드라이브로 채택하고 있다. 심지어 더 큰 게임기도 이제 SSD와 함께 제공된다. 경우에 따라, 데스크톱에는 부트 드라이브(boot drive)로 설치된 SSD와 대용량 기억 매체(storage medium)로 설치된 HDD가 함께 제공된다.

SSD 기술

SSD 내 낸드 플래시는 정보를 2진법 형태의 비트로 저장하는데 트랜지스터(Transistor, 셀이라고도 함)를 사용한다. SSD는 비휘발성으로, 전원이 꺼져도 정보가 유지된다. 1980년대 후반에 출시된 최초의 비휘발성 낸드 플래시는 싱글 레벨 셀(SLC, Single-Level Cell)로, 셀당 1비트와 1 또는 0을 나타내는 두가지 레벨의 전하가 있음을 의미한다.

낸드의 발전
낸드 플래시의 초기 비용이 높고(1991년 SSD의 비용은 약 50,000달러였으나, 현재는 0.10달러로 저렴함) 사용자는 계속해서 증가하는 데이터를 저장해야 했기에, 플래시 제조업체는 각 낸드 플래시 셀에 저장되는 전하의 수를 늘리기 위해 노력해왔다. 이는 1990년대 후반 멀티 레벨 셀(MLC, Multi-Level Cell) 낸드의 개발로 이어졌다.

트리플 레벨 셀(TLC, Triple-Level Cell)과 쿼드 레벨 셀(QLD, Quad-Level Cell)은 2010년경 시장에 출시됐으며, 훨씬 더 낮은 비용으로 대용량 스토리지를 제공한다. 과거, 밀도가 높은 셀은 더 느린 컴퓨팅 경험과 더 빠르게 셀의 마모를 초래했다. 제조업체의 혁신으로 이 두 가지 문제가 해결되어, 지금은 컨슈머 SSD(consumer SSD)에 TLC와 QLC 낸드와 같은 낸드 플래시 기술이 가장 많이 사용된다.

다음은 다양한 플래시 유형이다:

• SLC (single-level cell): 2가지 레벨의 전하에 셀당 1개 비트 저장
• TLC (Triple-Level Cell): 8가지 레벨의 전하에 셀당 3개 비트 저장
• MLC (Multi-Level Cell): 일반적으로 4가지 레벨의 전하에 셀당 2개 비트 저장
• QLC (Quad-Level Cell): 16가지 레벨의 전하에 셀당 4개 비트 저장

모바일 디바이스의 발전으로 플래시 제조업체들은 낸드 플래시에 필요한 전체 공간을 줄이기 위해 노력했다. 3D 낸드 플래시는 2012년에 등장하기 시작했으며, 이 기술은 셀을 여러 층으로 수직으로 쌓아 더 높은 밀도를 가진다.

인터페이스 기술
최초의 플래시 기반 SSD는 HDD 스토리지용으로 설계된 레거시 PATA(Parallel Advanced Technology Attachment), SAS(Serial-Attached SCSI), SATA(Serial ATA) 물리적 인터페이스, 프로토콜 및 폼팩터를 사용했다. 이러한 접근법은 기존 컴퓨터 시스템의 변화를 최소화한 반면, 인터페이스와 프로토콜은 고속 기억 매체를 위해 설계되지 않았다. 그래서 SSD 속도가 증가함에 따라 인터페이스에 성능 병목 현상(performance bottlenecks)이 발생하게 되었다.

더 빠른 SSD를 가능하게 하기 위해 제조업체들은 고속 부품 연결용으로 특별히 개발된 인터페이스 표준인 PCIe(PCI Express)로 전환했다. PCIe 표준은 2003년에 도입되었으며, 2000년대 중반까지 대부분의 컴퓨터에는 PCIe 슬롯이 함께 제공되었다. 오늘날 대부분의 SSD는 PCIe 3.0 또는 PCIe 4.0에서 실행된다. 다만, 상업적 생산은 새로운 기준에는 뒤떨어진다는 것에 유의해야 한다. (표 1 참고)

PCIe 슬롯은 x1, x4, x8, x16, x32 등 다양한 물리적 구성으로 제공된다. x 뒤의 숫자는 PCIe 슬롯의 레인 수(PCIe 카드로 데이터를 주고받는 방법)를 나타낸다. 예를 들어, PCIe x4에는 4개의 레인이 있는 것이다. 데이터는 각 레인에 걸쳐 순차적으로 전송되지만, 병렬 레인이 많을수록 데이터 전송률이 높아진다. 컨슈머 SSD는 일반적으로 2개 또는 4개의 PCIe 레인을 지원한다.

NVM 익스프레스(NVMe, NVM Express)는 PCIe 버스를 통한 고속 데이터 전송을 위해 개발된 고성능 프로토콜이다. NVMe 프로토콜은 지연 시간이 짧은 병렬 PCIe 데이터 경로를 활용한다. NVMe 프로토콜을 실행하는 PCIe 버스를 “PCIe NVMe”라고 하며, 단순하게 “PCIe” 또는 “NVMe”라고 쓸 수도 있다.

폼팩터

다양한 인터페이스 외에도 SSD는 다양한 폼팩터를 제공한다. HDD를 교체하거나 현재 보유한 SSD를 업그레이드하는 경우, 컴퓨터 시스템 매뉴얼을 참고하여 컴퓨터 시스템에 필요한 폼팩터, 인터페이스 및 데이터 전송 프로토콜을 확인해야 한다. 대부분 SSD 폼팩터는 2.5인치 SSD(그림 3) 또는 M.2 SSD(그림 4)일 가능성이 높다.

M.2 SSD의 가장 일반적인 버스 인터페이스는 NVMe 프로토콜을 실행하는 PCIe이다. 그러나, SATA 인터페이스가 있는 M.2 SSD도 보일 것이다. 2.5인치 SSD에는 SATA 인터페이스에 SATA 프로토콜을 실행하거나, 또는 PCIe 인터페이스에 NVMe 프로토콜을 실행할 수 있다. 표 2는 폼팩터와 공통 인터페이스 및 프로토콜을 설명한다.

내구성

낸드 플래시는 아키텍처로 인해 내구성에 한계가 있다. 즉, 낸드는 쓰기(혹은 프로그래밍)가 어려워지기 전에 지정된 횟수만큼만 다시 작성(혹은 프로그래밍)할 수 있으므로, 쓰기 및 읽기 오류가 발생한다. 다행히, 낸드 플래시 기술이 발전하여 소비자가 신뢰할 수 없는 데이터를 최신 TLC 또는 QLC 낸드 SSD에 사용할 가능성은 낮다. 예를 들어, 내구성 등급이 370TBW인 1TB Solidigm™ 670p SSD는 읽기와 쓰기에 오류가 생기기 전까지 5년의 보증 기간 동안 하루에 200GB 이상 기록할 수 있다. 이는 하루에 3만3700장(각 6MB JPEG) 이상의 사진을 불러와, 22만5000장(900KB 크기) 이상의 문서를 저장하거나 게임 도타 2(Game Dota 2) (15GB)를 5년간 하루에 13번 설치하는 것과 맞먹는다.

SSD 제조업체는 일반적으로 SSD의 TBW(Terabytes written)와 보증 기간을 지정한다. 예를 들어, 솔리다임은 2TB Solidigm 670p SSD를 740TBW로 지정하고 5년의 보증 기간을 제공한다.

안정성

낸드 플래시의 셀 밀도가 증가하면(셀이 서로 가까워지면) 발생할 수 있는 읽기 또는 쓰기 오류의 수도 증가한다. 이러한 오류를 제거하기 위해 SSD 내의 오류수정코드(ECC, Error correction code) 소프트웨어가 작동한다. SSD 산업 표준은 복구 불가능한 비트 오류율(UBER, Unrecoverable Bit Error Rate)을 1,000조 분의 1(10^15) 미만의 매우 작은 임계값 아래로 유지해야 한다. 예를 들어, 2TB Solidigm 670p Series 드라이브에 대한 UBER 사양을 읽는 경우 지정된 오류율이 10^15비트 읽기당 하나의 섹터 미만임을 알 수 있다.

일반적으로 소비자 애플리케이션은 SSD에 대한 내구성 쓰기 임계값에 도달하지 못하고, ECC 소프트웨어는 내구성과 안정성에 문제가 되지 않도록 오류를 관리한다.

플래시의 미래

오늘날 TLC는 노트북과 데스크톱용 SSD의 선두 주자이다. 그러나 이제는 4세대인 QLC가 강세를 보이고 있다. QLC 기술과 제조 공정이 진화하면서, QLC 속도와 내구성은 TLC에 근접하고 있다.

플래시 제조업체들은 하드웨어를 넘어 SSD의 성능을 높일 수 있는 혁신적인 방법을 찾고 있다. 예를 들어, 솔리다임은 SSD 펌웨어에서 더 높은 순차 읽기 및 쓰기 성능을 제공하는 혁신적인 캐싱(Caching) 접근 방식을 구현한다. 또한 스토리지와 검색 속도를 향상시키는 큐잉(queueing), 호스트 관리 캐싱 및 프리패칭(prefetching) 기능을 갖춘 새로운 스토리지 드라이버에 투자하고 있다.

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[기술백서] 우리가 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)에 대해 알아야 할 것(2) 편으로 이어집니다.