2010년 이후 SSD에 밀려 관심의 저편으로 밀려나고 있지만 1956년 메인프레임
대응을 위해 처음으로 일반 공개된 하드디스크는 60년 이상의 역사가 담긴, 플로피 디스크가 사라진 지금도 PC 스토리지
시장의 한축을 담당하고 있는 제품이고, 지금 당장 당신 주변의 PC만 살펴봐도 SSD 없는 제품은 있어도 하드디스크 없는
제품은 찾아보기 어려울 정도로 친숙하다.
하드디스크는 '플래터'라 불리는 원반에 코팅된 자성 물질을 '암(Arm)'의 끝에 달린
'헤드'를 이용해 기록하고 읽어 들이는 아날로그 방식이 쓰여 왔는데, 그 구조상 성능과 저장 용량은 간단하게 개선할 수
있다.
플래터와 암, 헤드를 늘리거나 자성 물질의 밀도는 높이면 성능과 기록 용량을 단번에 높일
수 있고, 플래터의 회전 속도를 높이면 성능을 높일 수 있지만, 규격화된 폼펙터와 발열 대응, 아날로그 구동부의 제어 기술
개발 등 여러 요인으로 인해, PC 컴포넌트 중 가장 느린 만큼 실제 개선 속도 역시 상당히 느린 편에 속한다.
SSD 또한 3D 낸드의 도입으로 공정 개선의 한계에 따른 용량 증가 속도가 개선되었지만
하드디스크에 비할바는 못 되는데, 이렇게 독보적인 하드디스크의 용량 증가에는 어떤 기술이 뒷받침 되었는지 정리해 보는 것도
흥미롭지 않을까 생각한다.
하드디스크 용량 증가의 역사, 시작은 자성체를 세우는 PMR부터
요즘 SSD의 용량 증가를 이야기할 때 빼놓을 수 없는 것이 바로 3D 낸드다. 기존에
단일 평면과 달리 아파트를 짓듯 위로 기록층을 더하는 방식인데, 현재 64단에 이어 96단까지 생산이 시도되고 있으며,
앞으로 더 높은 적층 수준을 구현할 예정이다.
이러한 수직 기록 방식은 하드디스크 영역에서는 2005년 HGST가 처음으로 트래블스타
5K 160 시리즈에 도입하면서 기존 평면형 기록 방식(LMR, Longitudinal Magnetic
Recording)의 한계를 뛰어넘었다. 이해하기 쉽게 3D 낸드의 예를 들었지만 하드디스크의 수직 기록 방식(PMR,
Perpendicular Magnetic Recording)은 기록층을 더하는 방식이 아니다.
기존에 '면'으로 재배열하던 플래터의 자성물질을 '수직'으로 배열해 기록 밀도를 높이는
방식으로, 기존 방식에 비해 데이터 기록 밀도가 높아지면서 헤드가 같은 거리를 움직일 때 더 많은 자료를 읽고 쓸 수 있어
용량 뿐 아니라 성능 개선 효과도 이뤄내는데, 씨게이트는 2006년 첫 PMR 하드디스크를 출시하며 전세대보다 약 30%
성능 개선을 이뤄냈음을 발표했다.
LMR 방식은 자성 물질을 작게 만드는 방법이 연구되어 왔지만 크기를 줄일수록 자성 물질
내 저장 가능한 자화 에너지가 작아지고, HDD 동작 에 의한 열에너지 증가로 인한 열적 산란 현상, 기록된 정보 비트의
S극과 N극이 반발하는 방향으로 정렬하기 때문에 밀도를 높일수록 정보 기록 상태가 불안정해진다.
PMR은 S극과 N극이 위아래 방향으로 교대 배치되어 기록 정보의 보존에 유리한 것으로
알려졌으며, 히타치에 따르면 LMR방식은 10년 후 기록된 데이터의 무결성을 보장할 수 없는 반면 PMR 방식은 처음 기록
상태와 거의 차이없는 기록 상태를 유지한다.
불필요한 자료를 줄이면 되지, 4K AF의 등장
PMR 방식이 도입되면서 하드디스크의 용량은 급격히 확대되었지만 이 역시 한계가 찾아와
2010년 경 잠시 2TB에 머물던 시기가 있었는데, 이러한 상황을 개선하기 위해 AF(Advanced Format)가
등장했다.
AF는 기존 512byte에 머물던 하드디스크의 물리 섹터 크기를 8배에 달하는
4K(4096Byte)로 전환한 것인데, 이에 따라 섹터당 시작을 알리는 Sync/DAM 부분과 에러정정을 위한 ECC
필드, 각 섹터 구분을 위한 섹터 갭을 줄여 데이터 저장 밀도를 높여 성능과 용량 증대를 꾀했다.
하지만 30년 이상 사용되어온 512byte 레거시 포맷과의 호환을 위해 도입한
에뮬레이션 기능과 XP 이하의 윈도우 운영체제에서 규격 차이로 쓰기 성능이 떨어지는 문제가 발생했고, 한동안 하드디스크
제조사에서는 이에 대응하기 위해 하드디스크에 점퍼를 제공하거나, 하드디스크와 운영체제의 차이를 보정해 성능을 회복하는
SW를 제공했다.
결과적으로, 현재 출시되고 있는 하드디스크는 모두 AF 포맷과 PMR 방식을 기반으로
하고 있다.
PMR, AF의 한계 4TB를 넘어라, 헬륨 충전과 SMR의 등장
하드디스크 용량 한계 돌파를 위한 PMR과 AF의 등장은 의외로 빠르게 한계에
도달했는데, 2011년 첫 4TB 제품이 등장한 이후 2014년까지 정체되어 왔다.
하지만 안되면 되게하라는 영원한 진리. HGST에서 공기보다 밀도가 낮은 헬륨을 충전해
더 많은 플래터를 집어넣은 울트라스터 He6 시리즈의 6TB 제품을 선보이며 마의 벽 4TB 돌파의 포문을 열었다.
헬륨 하드디스크는 내부에 공기 대비 1/7 밀도인 헬륨을 충전, 플래터의
구동과 헤드, 암등 하드디스크의 기계적 움직임에 의한 저항을 줄여 소비전력과 발열을 낮추고 수명과 성능 개선 효과가 있다.
이에 따라 플래터와 헤드/ 암 사이의 간격을 줄여 기존 다섯 장이 한계였던 공기 충전
하드디스크보다 2장 더 많은 7장의 플래터를 탑재할 수 있으며, 시험 단계에서는 일반 하드디스크와 비교해 전력 소비는
23%, TB당 소비전력은 45%, 동작 온도는 4℃ 개선된 모습을 보여주었다.
헬륨 충전을 통한 플래터 확대와 조금 다른 방식으로 하드디스크 용량 한계 돌파 시도가
거의 비슷한 시기에 이뤄졌는데, 바로 씨게이트가 적극적으로 도입하고 있는 SMR(Shingled Magnetic
Recording) 방식이 그것이다.
하드디스크는 섹터외에도 육상 경기장의 트랙과 같이 '트랙'으로 불리는 원형의 구역으로
데이터 기록 구간을 구분하는데, 보통 간섭을 피하기 위해 여유 공간을 두는데, SMR은 이 트랙간의 공간을 최소화하고 겹쳐
기록 밀도를 높이는 방식이다.
SSD에 비유하자면 TLC 낸드와 비교할 수 있는데, 셀 하나에 3bit 기록이
가능하지만 1bit만 수정이 필요한 상황에서도 그 이상의 쓰기 작업이 필요한 것과 같이, SMR은 트랙이 겹친 부분의 일부
데이터만 수정하는 경우라도 인접 트랙의 정보를 같이 갱신해야 하기 때문에 쓰기 성능이 저하될 수 있다.
이 때문에 SMR 하드디스크는 쓰기 작업이 많지 않은 데이터 장기 보관용으로는 적합해도 ,
일상적으로 쓰기 작업이 이뤄지는 환경에는 일반 PMR 하드디스크보다 불리하다고 평가된다.
앞으로의 HDD 용량 극복, 상용화가 코 앞인 신기술은?
2018년 현 시점에서 하드디스크는 헬륨으로 더 많은 플래터를 넣고, SMR로 기록
밀도를 높이고 있지만 언젠가 또 다시 용량 증가의 한계에 부딪칠 것이다. 이에 따라 하드디스크 업계에서는 용량 확대를 위한
또 다른 기술 개발에 열을 올리고 있다.
현 시대의 하드디스크는 플래터에 코팅된 자성 물질의 극성을 바꾸고 판독하는 방식으로
읽기/ 쓰기가 이뤄지는데, 용량과 성능 개선을 위해 자성 물질의 밀도를 높이기 위해서는 크기를 줄여야 한다. 하지만 이
경우 LMR 방식에서 이야기되었던 안정성이 문제가 대두되는데, 대체 물질을 찾고는 있지만 현재 자기 기록 방식으로는
상용화가 쉽지 않다.
이러한 한계를 돌파하기 위해 개발된 기술 중 하나가 바로 씨게이트가 2002년 발표한
HAMR(Heat-assisted magnetic recording) 방식으로, 자기 기록 방식의 기록 물질보다 작은
크기(높은 밀도)의 기록 물질에서 더 안정적인 새로운 물질에 열을 가해 기록하기 쉽게 만드는 방식이다.
상온에서는 가공이 어려운 유리를 적절한 온도로 가열해 모양을 잡고 무늬를 새기는 것과
비교할 수 있겠다. 씨게이트는 발표 당시 HAMR 기술을 통해 기록 밀도를 100배 높일 수 있다고 주장했다.
한편, WD에서는 2017년 10월 씨게이트의 HAMR에 대응해 자체적으로 고용량
하드디스크 구현을 위한 MAMR(Microwave Assisted
Magnetic Recording) 기술을 발표했는데, 마이크로웨이브 발생시 이용하는 스핀 토크
오실레이터(spin torque oscillator)를 이용해 안정성을 희생하지 않고도 고밀도 구현이 가능하다고 전했다.
WD는 MAMR 기술을 통해 2025년 40TB, 씨게이트는 HAMR 기술 기반으로
2023년 40TB 구현을 목표로 하고 있는데, WD는 자사의 MAMR 기술이 PMR 방식과 유사해 신뢰성과 비용면에서
유리하다는 주장을 펴고 있다.
씨게이트의 HAMR 기술이 2002년 처음 발표된 후 실제 출시까지 20년 가까운 시간이
걸린 것은 WD측에서 주장하는 이슈에 대응하기 위함으로 판단되며, 양 사의 기술 경쟁이 어떻게 진행될지 주목할 대목이다.
HDD의 미래를 내다본 기술 개발은 현재 진행형
지금까지 하드디스크는 기본적으로 플래터에 도포된 자성 물질의 극성에 변화를 주어 데이터를
기록하였다. 즉 자석의 N-S 극 상태에 대응해 0과 1을 표현하는 방식이었지만, 지난해 말 0과 1 외에 제 3의 상태
기록이 가능한데다 기록 밀도를 현재보다 100배 이상 늘릴 수 있는 기술이 발표되었다.
현재 하드디스크에 쓰이는 자성 물질이 10nmx10nm 공간을 차지하는 것과 달리 새로운
기술은 1nm 크기의 '스핀 크로스 오버 분자'를 사용해 단숨에 단순 저장 용량을 100배 향상 시킬 수 있고, 0과
1외에 제 3의 형태를 기록할 수 있어 실제 용량 증가는 그 이상 가능하다.
아직은 실험 단계로, 상용화를 위해서는 플래터 표면에 분자를 고정하면서 스위칭 특성을
유지하는 방법을 해결하는 것이 숙제로 남아있어 단 시간에 상용화를 기대하긴 어려워 보인다.
이 외에도 3D 자석과 열 래칫(Thermal Rachet), 자기 나노와이어 등 하드디스크의 용량 확대를
가능케할 여러가지 기술들이 발표되고 있어, 실용화까지 시간이 걸리더라도 당분간 하드디스크 용량의 증가는 계속될 것으로 전망된다.
기록 방식을 바꾸고, 트랙간 간격을 좁히며, 기록 단위를 512Byte에서 4Kbyte로
확대하는 등, 지금까지 살펴본 모든 하드디스크의 기술 발전은 기본적으로 하드디스크의 용량을 늘리는데 초점을 맞추고 있다.
물론 그에 따라 부차적으로 성능 향상이 이뤄지긴 했지만 성능 개선을 위한 근본적 기술
개선은 매우 한정적이며, 가장 쉽게 택할 수 있는 플래터 속도 증가는 발열 상승과 그에 따른 데이터 안정성 이슈, 데이터를
읽고 쓰는 헤드가 달린 암의 제어 기술 등 신경 쓸 부분이 급작스레 늘어나는 부작용을 감수해야 한다.
때문에 아직까지 하드디스크 플래터의 최대 속도는 15000RPM이 한계로, 대중적인
하드디스크의 플래터 속도는 7200RPM과 5400RPM에 머물고 있는데, 씨게이트에서 플래터의 속도를 늘리지 않고 성능을
최대 두 배 개선할 수 있는 멀티 액츄에이터 기술(Multi Actuator Technology)을 2017년 12월
발표했다.
전체 암이 하나의 액츄에이터에 연결되어 동작하는 지금까지의 하드디스크와 달리 두 개
이상의 액츄에이터를 이용해 각각에 연결된 암과 헤드를 따로 움직이게해 성능을 개선하는 컨셉이다. 비슷한 예로는 하드디스크
RAID 0 구성을 들 수 있겠다. 1세대는 멀티 액츄에이터 기술은 2개의 액츄에이터 제어를 위해
설계되고 있으며, 2세대에서는 그 이상의 액츄에이터가 기대되지만, 언제 관련 제품이 등장할지는 미지수다.
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