SD 협회(SD Association, 이하 SDA)에서 PCI Express와 NVMe 인터페이스를 레거시 SD 인터페이스에 추가하는
새로운 SD Express를 발표했다.
2018년 6월말 SDA에서 발표한 새로운 SD 7.0 사양은 두 가지 주요 기능이 포함되었는데, 높은 대역폭과 낮은 레이턴시를 제공하는
PCIe 및 NVMe 인터페이스를 SD 카드에 적용할 수 있도록 통합시킨 SD Express, 다른 하나는 최대 128TB 용량까지 확장 가능한
SDUC 규격을 도입한 것이다.
진화하는 컴퓨팅 환경과 고속 스토리지 필요성
모바일 시장은 최신 Wi-Fi 및 Wi-Gig 무선 연결 또는 USB 3.x Type-C와 같은 유선 연결을 통해 인터페이스 레벨의 입출력
속도가 빨라졌으며, 모바일 애플리케이션 프로세서(Mobile AP)은 CPU 멀티 코어 및 클럭 향상, 임베디드 스토리지도 UFS, PCIe,
NVMe를 포함한 고급 프로토콜로 전환되면서 새로운 기회를 창출한다.
또한 클라이언트 컴퓨팅이나 자율주행차, 멀티 채널 비디오 캡처가 가능한 IoT 기기, 고품질 비디오 촬영을 위한 카메라 등 진화하는 기술
동향은 이동식 메모리 인터페이스에 높은 임의 및 순차 성능 향상을 요구한다.
구글 안드로이드를 포함한 주요 운영체제는 이제 애플리케이션을 SD 메모리 카드에서 직접 시작할 수 있지만, 외장 메모리에서 앱을 실행하려면
보다 높은 임의 및 순차 성능이 필요하다.
내부 스토리지용으로는 UFS 직렬 인터페이스를 사용한 제품들이 이미 SDA의 eMMC 규격 제품을 대체하고 있지만, 외장 메모리 시장에서는
아직 수십 억개의 장치 생태계와 호환성, 저렴한 가격으로 무장한 SD 카드가 각광을 받고 있다. 이 때문에 이미징 시장에서 주로 사용되는 전송
속도만 높인 UHS-II/III가 아니라 NVMe 및 PCIe 인터페이스를 지원하는 SD 카드에 대한 요구가 높아진 것이다
최대 128TB 용량 지원하는 SDUC 포맷 도입
고해상도 비디오, 3D 그래픽 게임, 소셜 미디어, 드론, 액션캠, 360도 카메라, 가상현실, 그리고 스트리밍 비디오 콘텐츠 등 SD
메모리 카드에 오프라인으로 저장 가능한 애플리케이션의 발전으로 고용량 메모리에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다.
SD(Secure Digital) 메모리 카드는 처음 SD 표준으로 시작해 스토리지 용량을 늘리기 위해 표준 사양을 확장하면서 SDHC(SD
High Capacity) 규격에서 최대 32GB, SDXC (SD eXtended Capacity)에서는 최대 2TB까지 용량을 확장시켜왔다.
이번에 SD 7.0 사양에서는 새로운 SDUC (SD Ultra Capacity) 규격을 도입하면서 microSD와 풀사이즈 SD 폼
팩터, 그리고 UHS-I, UHS-II, UHS-III, SD Express 인터페이스에 관계없이 최대 128TB 용량의 메모리 카드를 만들 수
있게 됐다.
UHS-II 대신 PCIe/NVMe 인터페이스 넣은 SD Express
SD 7.0 사양에서 처음 소개된 SD Express는 NVMe 및 PCIe 3.0 인터페이스와 기존 SD UHS-I 인터페이스를 포함하고
있다. 초기화
프로세스, 핀 할당 등 PCIe Gen3 인터페이스와 NVMe 1.3 프로토콜의 사용은 SD 규격에 맞게 정의되었지만, 일반적인 아이디어는 PCI SIG 및
NVMe 포럼에 의한 기존의 익숙하고 친숙한 프로토콜을 활용한다.
풀 사이즈 SD Express 카드는 기존의 SD UHS-II에서 정의된 것과 동일한 핀과 커넥터 구성을 사용한다. PCI Express
3.0의 차동 인터페이스 신호 레인은 SD UHS-II 인터페이스에서 사용했던 SD 메모리 카드의 두 번째 줄 패드(핀)를 이용하며, PCIe
REFCLK은 CLKREQ#, PERRST# 사이드 대역 신호와 함께 기존 UHS-I와 공유되며 첫번째 줄 패드를 활용한다.
즉, SD Express 메모리 카드의 물리적인 구조는 첫번째 줄(UHS-I) 아래에 두번째 핀을 배열한 UHS-II와 똑같지만,
이를 PCIe 인터페이스용으로 활용하기 때문에 핀 모양은 같아도 UHS-II/III 규격과 호환되지 않는다.
동작 전압에서 SD 7.0 사양은 풀사이즈 폼 팩터에서 전통적인 3.3V 및 1.8V 두 가지 전원 공급을 지원하지만, SD
Express에는 #18 핀을 추가해 미래에 추가적인 저전력 성능 최적화를 위해 필요한 1.2V 전원 옵션을 만들었다.
PCIe 및 NVMe 인터페이스를 사용하는 호스트 제품 제조사는 기존 SD 인터페이스와 PCIe 및 NVMe 빌딩 블록을 사용해 새로운
SD Express 호스트 인터페이스를 개발할 수 있다.
다만 SD Express 카드를 넣거나 뺄 때 REFCLK, CLKREQ#, PERRST# 같은 공유된 신호를 이를
정확히 인식해 IO 제어에서 레거시 SD 또는 SD Express로 변환하는 매커니즘을 구현해야 한다. IO 회로 제어 자체는 매우 간단할 수
있지만 초기화 및 각 단계에서 두 가지 모드가 정상적으로 작동할 수 있도록 두 인터페이스에 대한 연구와 이해가 필요하다.
레거시 SD 또는 PCIe/NVMe 저장장치로 사용 가능
SD Express 인터페이스 및 초기화 프로세스는 SD Express 호환 호스트에서 기존의 레거시 SD 인터페이스 또는 PCIe
인터페이스로 카드를 통해 카드를 초기화 할 수 있도록 유연성을 갖췄다.
SD Express는 SD Express PCIe 및 NVMe 호스트 장치에서 "표준 NVMe 장치(Standard NVMe
device)"로 표시되므로, 별도의 SD Express 드라이버를 설치하지 않아도 표준 NVMe 드라이버로 SD Express 카드에 액세스
할 수 있다.
레거시 SD 카드 인터페이스는 초기화 단계에서 3.3V, 읽기/쓰기 작업에서 1.8V를 소비하지만 SD Express 카드는 호스트로부터
최대 1.8V 전력으로 동작한다. 전송 속도는 UHS-I 호환으로 레거시 SD 카드 모드에서는 최대 104MB/s, PCIe Gen3
인터페이스로 동작할 땐 최대 985MB/s다.
PCIe 모드 전송 속도는 SATA3 SSD는 물론 삼성전자가 주력으로 밀고 있는 UFS 카드의 최대 속도(600MB/s)보다 빠른 것이지만, UFS
카드는 microSD 크기에 맞췄고 SD Express는 SD 풀 사이즈에 해당하니 같은 조건에서의 비교는 아니다.
SD Express 카드는 NVMe 1.3 버전을 사용한 PCIe 및 NVMe 인터페이스에서도 SD 프로토콜 기능을 부분적으로 지원하며, 향후 NVMe 모드에서도
SD 카드의 암호 잠금/해제 기능, 쓰기 보호 기능들 완벽하게 지원할 예정이다.
그러나 전통적인 SD 기능 중에 디지털 콘텐츠 보호를 위해 사용되는 SD CPRM 보안 기능은 PCIe 인터페이스에서는 지원하지 않기
때문에 SD Express 호스트가 CPRM 암호화된 파일을 포함한 카드에 액세스하면 SD CPRM 보안 기능을 지원하지 않는 기기에 카드를
넣었을 때처럼 암호화된 데이터로 읽게 되어 사용하지 못한다.
또한 SD 카드에서 사용되던 각종 속도 등급(Speed Class, UHS Speed Class, Video Class)도 PCIe에서는
지원하지 않는데, 어차피 PCIe 인터페이스가 훨씬 빠르기 때문에 이러한 속도 등급은 필요하지 않을 것이다.
시스템 개발자를 위한 NVMe/PCIe 옵션 지원
PCIe 및 NVMe 표준은 시스템 구현자가 선택할 수 있는 다양한 기능을 제공하는 고도화된 프로토콜로 SD Express에서도 PCIe와
NVMe 장점들을 활용할 수 있다.
버스 마스터링(Bus Mastering)은 PCIe에서 네이티브로 지원되어 CPU를 거치지 않고도 칩간 통신이 가능해진다.
예를 들어 모뎀이 스토리지에 I/O 요청을 보낼 때 기존 레거시 SD 카드에서는 애플리케이션 프로세서(AP)를 거쳐야 했지만, PCIe 및
NVMe 스토리지 모드에서는 스토리지에 직접 I/O 요청을 보낼 수 있다. 이를 통해 AP의 CPU가 저전력 모드로 전환해 배터리를 절약할 수
있고, 모뎀과 스토리지 장치 사이에 데이터 이동 경로도 단축된다.
잠금 매커니즘이 없는 다중 대기열(Multi Queue Support, Without Locking Mechanism)도 NVMe의
특징이다.
기존의 레거시 임베디드 메모리 인터페이스는 호스트 컨트롤러에 하나의 명령 대기열만 가지고 있기 때문에 단일 명령큐에 상호 액세스 하기
위해서는 레거시 프로토콜에서 동기화 및 잠금이 필요했다.
이 때문에 레거시 인터페이스 호스트 컨트롤러는 아키텍처 구조에서 병목 현상을 유발하는 주범이었으나, NVMe는 모든 CPU 코어에 대해
DRAM에 전용 명령(Queue) 대기열을 가질 수 있으므로 이러한 문제가 사라지게 된다.
호스트 메모리 버퍼(Host Memory Buffer, HMB)도 NVMe를 지원하는 SD Express의 장점이다.
고성능 아키텍처에는 보통 추가 컨트롤러 자원이 필요하기 때문에 DRAM보다 훨씬 비싼 임베디드 SRAM를 사용하는데, HMB 및 버스
마스터링을 네이티브 지원하는 NVMe 및 PCIe 기능은 제한된 비용 투자로 스토리지 성능을 크게 향상시키는 가장 유용한 방법이다.
이는 호스트 DRAM 자원을 컨트롤러 내부 RAM으로 직접 확장해 사용하는 방식으로 할당되는 DRAM 크기는 호스트 장치의 정책에 영향을
받는다. 하지만 SD Express 카드가 사용될만한 모바일 기기들의 RAM 용량은 점점 늘어나고 추세여서 SRAM 대신 HMB로
활용할 만한 충분한 용량이 지원될 것으로 보인다.
또한 향후 SD Express가 더욱 빨라지게 되면 DRAM과 SD 카드의 메모리 사용이 시스템에서 유연하게 처리될 수 있다. SD
Express 카드가 호스트 장치의 DRAM을 카드의 SRAM 대신 사용하는게 아니라, 반대로 고속의 플래시 메모리를 사용한 SD Express
카드가 호스트 DRAM을 확장하는 역할을 해서 DRAM을 절약하는데 도움을 줄 수 있다.
일례로 인텔이 최근 마이크론과 공동 개발한 차세대 메모리 옵테인(Optane)을 SSD에 이어 DDR4 메모리 슬롯에 장착 가능한 DIMM
모듈로 만들었는데, DRAM보다는 느리지만 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리인 동시에 10배 높은 밀도로 대용량 구현이 용이하고
일반 낸드 플래시보다 접근 속도가 1,000배 빨라 메모리와 스토리지 어느 쪽으로도 활용 가능하다.
옵테인 메모리 같은 기술을 SD Express 카드에 담는다면 외장 메모리 카드가 단순히 스토리지 용량을 늘리기 위한 용도가 아니라 시스템
메모리(DRAM)을 확장하기 위한 새로운 옵션이 될 수도 있다는 뜻이다.
SD Express를 위한 새로운 로고 사용
SDA는 소비자들이 최상의 성능을 위해 새롭게 출시되는 SD Express를 구분해 구입할 수 있도록 SD Express 상표를 만들었다.
SD Express를 지원하는 모든 SDHC, SDXC, SDUC 메모리 카드는 SD UHS-I 인터페이스를 통해 래거시 SD
인터페이스에서도 읽기/쓰기 동작이 가능하므로 SD Express 상표에는 USH-I을 뜻하는 I 문자도 함께 들어간다. 이는 SD Express
카드를 기존 UHS-I 지원 SD 카드 슬롯에서 사용할 수 있다는 뜻이다.
UHS-II/III 규격과 호환 불가, 혼용 주의해야
SD Express가 PCIe 및 NVMe 인터페이스를 사용해 최대 성능을 얻기 위해서는 호스트 장치가 SD Express를 지원해야 한다.
따라서 SD
Express를 위한 최상의 조건은 SD Express 카드와 함께 SD Express 지원 로고가 들어간 호스트 장치를 선택하는 것이다.
UHS-II/III 카드를 지원하는 기기에서는 SD Express 카드를 인식하지 못하고 반대로 SD Express 지원 기기는
UHS-II/III 동작이 안된다. 그 대신 이들 모두 SD UHS-I와는 하위호환성을 가졌기 때문에 수십 억개에
달하는 기존 SD 호스트 장치와 양쪽 전용 기기에서도 SD UHS-I으로 호환성 및 상호 운용성을 제공한다.
호스트 장치와 SD 메모리 카드의 지원 규격에 따른 최대 성능은 위의 표와 같다. 양쪽 모두 SD Express를 지원해야 PCIe
인터페이스로 동작하면서 최대 985MB/s 전송 속도를 지원하게 된다.
레거시 SD 지원 모드에서는 SD UHS-I (UHS104)의 최대 속도인 104MB/s까지만 지원하므로 UHS-II 또는 UHS-III
호스트 장치를 가진 사람이라면 SD Express 카드로 교체하는 것이 오히려 성능을 낮추는 결과를 가져올 수도 있다.
