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SSD 대중화의 새로운 물꼬 틀 TLC 바로알기

2012-11-15 12:00
이상호 기자 ghostlee@bodnara.co.kr

2. SSD 수명/ 성능 차이의 근본 원인은?



전자의 유무로 데이터 기록, 덮어쓰기 불가능한 낸드 플래시

SSD를 비롯한 플래시 메모리 저장장치에 주로 사용되고 있는 낸드(NAND) 플래시의 데이터 기록을 위한 기본적인 셀의 구조는 다음 그림과 같으며, 컨트롤 게이트(CG)로 전압을 조절해 전자가 통과할 수 있도록 터널 효과를 발생시켜 절연체에 둘러싸인 플로팅 게이트(FG)의 전자 상태를 조절해 데이터를 기록한다.

 

낸드 플래시는 기본적으로 셀을 구성한 FG의 상태를 변화시켜 데이터를 기록한다

한편, OS 상에서의 데이터 삭제 명령은 실제 데이터 삭제가 아닌 어떠한 자료가 저장되어 있다는 '기록의 삭제'이기 때문에 낸드 플래시의 FG에는 여전히 데이터가 남아있게 된다. 이때 다시 데이터 기록 명령을 주면 이미 남아있는 전자에 추가 전자가 이동하게 되므로 비정상적인 데이터가 기록 되므로, 낸드 플래시는 실제 셀에 남아있는 데이터를 삭제하고 다시 기록해야 하므로 데이터의 덮어쓰기가 되지 않는다.

이와 같이 기록에서는 삭제하였지만 셀에 남아있는 데이터를 백그라운드 상에서 지우는 작업을 윈도우 7 같은 운영체제에서는 TRIM 명령어를 통해 지원하며, 이 점이 플래터의 자성 물질을 재배열해 덮어쓰기가 가능한 하드디스크와 낸드 플래시 기록 방식의 차이점이다.

 

셀 종류(SLC/ MLC/ TLC)별 수명, 기록 전압 미세화에 의해 차이 발생

현재 상용화된 낸드 플래시는 셀 당 저장할 수 있는 bit 수에 따라 1bit 저장이 가능한 SLC(Single Level Cell), 2bit 기록이 가능한 MLC(Multi Level Cell), 3bit 쓰기가 가능한 TLC(Triple Level Cell)로 구분된다.

한편, 일반적으로 PC에서 공급할 수 있는 전압의 한계가 정해져 있기에 셀 당 저장 bit 수가 늘어날수록 각 상태를 구별하기 위해 플로팅 게이트에 적용할 전압의 차이를 미세 조정해야 하는데, 이것이 셀 당 bit 수가 늘어날수록 성능과 수명에 영향을 미치게 된다.

 

셀 당 저장 bit가 늘어날수록 각 상태별 전압 간격은 급격히 감소한다
위 차트의 셀 종류별 y축 높이는 구분을 위한 것으로 특정 의미는 없다(가로축 : 전압)

즉, 셀 당 1bit의 기록이 가능한 SLC(Single Level Cell)은 0과 1을 구분하기 위해 두 단계의 전압만 설정해주면 되지만, 2bit나 3bit 기록이 가능한 MLC(Multi Level Cell)와 TLC(Triple Level Cell)와 같이 셀 당 저장 용량을 늘린 낸드 플래시는 각각의 경우를 구분하기 위해 전압을 보다 세부적으로 설정해야 하며, 이에 따라 각 전압의 구분과 해석에 걸리는 시간이 늘어나 전체적인 성능도 감소하게 된다.

또한, 낸드 플래시의 셀은 자주 사용할수록 절연층에 전자이동을 위한 터널 효과를 일으키는 과정에서 전자 이동 중 일부가 절연층에 축적되어 저항이 변화함에 따라 차츰 터널 효과를 일으키기 위해 초기와는 다른 전압을 요구하게 된다.

SLC는 기본 설정된 전압에서 정상적인 쓰기가 어려울 경우 각 상태별 전압별 차이가 커 장기간 대응이 가능하지만, MLC나 TLC의 경우 각 상태별 전압 폭이 좁기 때문에 인접 상태 전압과의 간섭 문제로 전압 조절을 통한 대응이 빨리 한계에 달하게 되며, 이것이 SLC와 MLC, TLC간 쓰기 수명 차이의 원인이 된다.

 

공정 미세화 = 셀 구조 약화 = 수명 감소

셀 별 저장 bit외에 낸드 플래시의 수명에 영향을 미치는 요소로 공정 미세화를 들 수 있는데, 공정 미세화는 단위 면적당 셀의 양, 즉 저장 공간을 늘릴 수 있어 용량 확대와 단가 하락이 가능해 낸드 플래시 생산업체들이 공정 미세화에 주력해왔다.

하지만, 공정이 미세화되면서 FG와 컨트롤 게이트(CG), 주변 절연체 등 셀을 이루고 있는 구조 역시 동시에 미세화되므로, 동일 재료를 사용했을 때 공정 미세와에 따라 이들 역시 얇아지며 동작시 수반되는 전기적 충격에 버틸 수 있는 절연체의 내구도와 수명, 흔히 언급되는 P/E Cycle이 감소하게 된다.

 

페이지/ 블록 단위의 쓰기/ 지우기 작업 = 수명 변수로 작용

한편, 셀의 기본 수명을 보통 P/E Cycle로 계산하기는 하지만 실제 SSD의 수명 계산에는 Write Amplification(이하 WA) 수치를 고려하게 되는데, 이는 낸드 플래시의 구성과 동작 방식에 기인한다.

 

WA는 '낸드 플래시에 쓰기 작업이 이뤄지는 양'을 '사용자가 쓰기 작업을 지시한 용량'으로 나눈 값으로, 실제 4KB의 데이터를 쓰기 위해 낸드 플래시에서 40KB의 데이터 쓰기 작업이 수행된다면 WA 값은 10이 된다.

WA는 일반적인 SSD의 경우 10으로 알려져 있으며, Garbage Collection, 오버 프로비저닝, TRIM, Wear Leveling등 SSD의 성능과 관리를 담당하는 컨트롤러의 알고리즘이 얼마나 효율적이냐에 따라 좌우된다.

 

낸드 플래시는 페이지/ 블록 단위로 쓰기/ 지우기 작업이 이뤄진다

WA를 고려하는 이유는, 낸드 플래시의 기본 데이터 저장 매체가 셀이기는 하나 실제 데이터 쓰기/ 지우기 작업은 셀의 집합인 페이지와 블록 단위로 이뤄지며, 여기에 앞서 언급한 '덮어쓰기 불가능'이라는 셀의 특성이 고려된 것으로, 실제 SSD의 수명은 단순히 셀의 수명만으로 계산하기는 어렵다.

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이 기사의 의견 보기
팝맨 / 12-11-15 13:41/ 신고
나중에는 SSD만으로 SLC는 OS용. TLC는 데이터 저장용으로 많이 이용될듯 하군요.
윈도리트윗 / 12-11-15 13:53/ 신고
거품드립을 프리미엄으로 포장하는 가격문제보다 삼성의 첫제품은 기본적으로 피하겠습니다.. 물론 삼성이 특히 심할뿐 다른 회사도 마찬가지긴 하지만 삼성은 첫제품의 소비자를 유료베타테스터로 삼는 아주 오랜 관행이 있거든요..
HDD, TV, 휴대폰, 스마트폰, MP3P, 예외는 없습니다..
자동차연비처럼 SSD의 수명이란 것도 결국 실험실의 수치와 실제는 다릅니다..
겨울이좋아 / 12-11-15 14:43/ 신고
TLC가 좀 더 발전되면 단순저장용으로 사용해도 되지않을까싶네요.
정말 HDD나 광학매체를 대체하게 되는 수단이 될수도 있겠구나 싶네요.
마프티 psywind님의 미디어로그 가기  / 12-11-15 14:53/ 신고
mlc가 여러모로 균형잡힌 것 같습니다.
하지만 어차피 ssd가 크게 신뢰성을 기대하기엔 힘든 매체이니 뭐 ...
newstar newstar님의 미디어로그 가기  / 12-11-15 15:03/ 신고
그런 SSD의 속사정이 있었군요. 그래서 안정성과 가격에서 840보다는 830을 추천하는 사람들이 많았던것도 그런 이유때문이었군요.
DJ Desperado / 12-11-15 16:31/ 신고
전 ssd뿐만 아니라 hybrid 하드디스크도 한번 기대해봅니다.
kimsy / 12-11-15 17:31/ 신고
-On Mobile Mode -
ssd 셀 수명이 다하면 어떻게 되나 궁금하네요
모든 셀이 균등하게 죽진 않을테니 가장 빨리 죽는 셀은 그것보단 빨리 죽겠죠
그럼 최초에 못쓰게 된 셀에 있는 데이터는 못 구할테고 관건은 데드셀 무시하고 사용 가능하느냐인데
하드같은건 배드섹터 표시하면 그부분 액세스 안하고 정상이용도 가능하던데...
ssd는 그부분에 액세스 안하길 운에 맡겨야 하는건지 아니면 그만큼 용량만 제외하고 사용가능한건지 말입니다
이오니카 ghostlee님의 미디어로그 가기  / 12-11-15 18:19/ 신고
SSD의 경우 쓰기/지우기 작업이 페이지/ 블록 단위로 진행되므로 보통 배드 블록 매니지먼트(Bad Block Management)라고 불리는 기능을 통해 말씀하신 문제가 생긴 셀이 포함된 블록을 관리합니다.
이 경우 오버프로비저닝에 사용된 영역을 불러와 전체 사용 가능 용량을 유지하거나, 배드 블록을 제외한 영역만 사용하는 방식을 이용하는데, SSD 제조사에 따라 방식이 다르므로 정확히 어떤 방식이 사용된다고 말씀드리기는 어렵습니다.
바람공자 pdjp님의 미디어로그 가기  / 12-11-15 17:46/ 신고
-On Mobile Mode -
가격만 떨어진다면 tlc 도 좋은 대안이 있을듯 한데 삼성의 840의 경우 가격이 비싸다는 논란이 있는건 당연한듯 합니다.
Exynos / 12-11-15 18:01/ 신고
조금 시간이 더지나면 어떻게 될지 궁금해지네요
가면갈수록 미세공정의 취약점이 다들 많이 나타나는대 ㅜㅜ
종건 whdrjs0731님의 미디어로그 가기  / 12-11-16 0:46/ 신고
앞으로도 ssd부분에 더많은 정보를 알려주세요^^
읽어 볼수록 많이 배웁니다.
아리마퐁퐁 tototro님의 미디어로그 가기  / 12-11-16 1:34/ 신고
많이 배우고 갑니다. TLC면서도 가격이 조금더 비싸다는것 애매했었죠 그래서 발주 넣을때 830으로 음흐흐흐 스사모에서 내구성 테스트 진행하던데 한번 구경해 봐야 겠네요
돌아온재떨이 / 12-11-16 5:08/ 신고
궁금했던점 잘 보았습니다, 감사합니다.
토피아 ljck5765님의 미디어로그 가기  / 12-11-16 7:33/ 신고
참으로 어렵네요. 어찌되었던.. 저장능력 증대를 위하여 개발이 수명단축으로 이어졌다는 것인데... 급하지 않은 저로써는 그냥 HDD를 사용하여야 겠네요.
ndd247 / 12-11-16 10:06/ 신고
결론은 지금 삼성 840 tlc ssd 사는 사람은 '호구' 라는거. 가격이 싸면 이해라도 하겠는데, 뻔히 성능 수명 떨어지는 tlc 가지고 프리미엄 운운하면서 비싼 가격 받아처먹고 있으니...
donkey yookj79님의 미디어로그 가기  / 12-11-16 13:32/ 신고
결국 용량을 늘리기위해 모든제조사들이 다 tlc를 도입하긴할것같습니다.
용량=수명이라는 공식도 있으니 일단 초기제품 수명이 어떻게 될것인지는 관건이겠네요
꾸냥 / 12-11-17 22:58/ 신고
미세 공정이나 TLC나 가격과 용량 확대 용이긴 하지만 둘 다 이래 저래 문제가 있는거 같네요.
낸드 플래시의 특성 때문인거 같은데 어쨌든 이제 삼성이 총대 메고(?) TLC를 낸 이상 다른 곳에서도 줄줄이 나오겠죠.
다른데 것들은 좀 싸게 나오면 좋겠네요.
와카나팬 / 12-11-18 9:29/ 신고
TLC는 3bit을 1Cell에 저장하는 거라서 MLC의 2배입니다. ^^
2^3 (2의 3제곱) 이기 떄문에 3bit이라도 저장하는 내용은
000~111까지 총 0~7까지를 1Cell에 저장가능합니다. ^^;;
MLC는 2^2라 0~3까지를 1Cell에 저장하죠 ^^
Meho ho5945님의 미디어로그 가기  / 12-11-18 20:56/ 신고
SSD 데이터 관리에 대한 표준이 없어서 HDD랑 달리 제조사마다 많이 차이가 있나 보네요. 하긴, OS의 스케쥴링 알고리즘이 HDD에 맞춰서 설계된 탓에 이를 SSD 컨트롤러에서 많이 해주고 있는데, OS가 나서서 중매역할을 해 준다면 좋을 것 같군요. 해당 분야 연구중에 상당히 관심이 많이 갑니다.
ndd247 / 12-11-20 18:17/ 신고
와카나팬/
뭔가 착각하신것 같은데, n bit 로 표현할 수 있는 숫자 범위와 저장매체의 용량은 다른 개념이죠. 저장용량을 얘기할 때는 2 -> 3bit 는 1.5 배로 증가(50% 추가 증가)한게 맞습니다.
와카나팬 / 12-11-24 14:05/ 신고
아 죄송합니다. 제가 Address관련 접근하는 것하고 약간 착각을 했나보네요 ^^;;;
프리스트 rubychan님의 미디어로그 가기  / 12-11-22 10:59/ 신고
TLC는 SSD가 HDD 수준으로 가격이 내려가면 데이터 저장용으로는 쓸만할지 모르지만 수명이 짧아서 PC에 장착하고 쓰기에는..
로멜린디 / 12-11-23 11:43/ 신고
기가바이트당 가격보니 TLC를 사용한 삼성이 얼마나 폭리를 취하고 있는지 알겠네요...
몰라몰라 / 12-11-24 1:39/ 신고
PC에 장착하지 못할만큼의 수명을 가진 제품을 만들지는 않습니다.
그리고 수명이 걱정된다면 256GB이상의 고용량을 선택하시면 ^^
슈퍼굼벵이 yassyy님의 미디어로그 가기  / 12-11-24 17:09/ 신고
좋은 내용 잘 봤습니다...

솔까말 / 12-11-27 11:37/ 신고
솔직히 까놓고 말해서

아직 TLC는 시기상조입니다.

이번 840 과 840 pro는 혼선만 가져온 네이밍 실패로 보입니다.

TLC는 라인업을 따로 가던가 아예 850으로 분리했어야 했는데 전략 미스네요.
시골 남자 kyta123님의 미디어로그 가기  / 12-12-15 8:41/ 신고
TLC SSD를 더 비싸게 팔아먹는 삼성이 야속 하네요.
초보 궁구미 / 12-12-23 20:19/ 신고
수명에 관해 제가 궁금한 게 한가지가 있는데, 데이터 보존용으로만 쓰고 지웠다쓰기 반복을 안하고 그냥 꽉 채워서 블루레이 영화같은 것만 저장해놓고 플레이(읽기)만 한다면 수명 걱정은 없는 건가요?
AClass / 13-01-01 16:02/ 신고
점점 TLC제품들이 보급화되나가겠지요. 대신 대용량이 보급되나가기를 기대해봅니다.
게스트 / 13-01-04 21:05/ 신고
좋은 기사 잘 읽었습니다.
기업체들은 항상 음흉한 면을 가지고 있죠!
처리 / 13-01-19 4:29/ 신고
이 글에선 840논프로 120G 모델 3.3년 수명이군요. 제가 본건 10년정도 되는 자료였는데 http://www.anandtech.com/show/6459/samsung-ssd-840-testing-the-endurance-of-tlc-nand 이 리플이 작성되는 시점의 840논프로의 실구매 가격은 $100 정도
슈퍼맨 / 13-02-13 0:55/ 신고
3.3년은 완전히 잘못된 정보네요 이 기사때문에 다나와가 시끄러워진게 아닌가하는 생각이드네요.....한셀만 기준으로 든것인지 뭔지 모르겠는데 보통 용도로는 10년정도 수명을 갖췄습니다만 840자체는 그런데 이글만 보면 오류가많아보입니다 정정이 필요한듯 더군다나 TLC와 eTLC는 엄연히 차이가 나는데......삼성 알바아니고요 현재 가격도 10~11만원선으로 안정화가되있는데 이상한 소문이많네요
TLC 사는 멍청이 / 13-10-31 12:52/ 신고
같은 돈 주고 TLC사는 멍청이는 되지맙시다.
삼성의 기술력은 인정하지만, 생산단가 줄였으면 소비자한테도 그에 걸맞는 가격으로 판매해야는데,
매번 폭리를...
840 PRO도 은근슬쩍 리비전 해놓고....가격은 동일하게 받으니~원!
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