대세 스토리지로 떠오른 SSD, 발전을 이끈 기술들은?

2021-02-24 13:00
이상호 기자 ghostlee@bodnara.co.kr

지난 기사에서 대세 스토리지로 떠오른 SSD와 전 세대 스토리지 시장을 휘어잡은 HDD의 차이에 대해 간단히 알아봤다. 한 마디로 [HDD = 아날로그] / [SSD = 디지털]로 요약할 수 있는데, 2010년 대 초반부터 SSD는 급격히 발전해 왔다.

대중화를 논할 만한 약 10년 사이에 SSD는 손가락만한 크기로 2TB 용량과 최대 8GB/s에 달하는 속도를 내줄 수 있는 시대가 열렸다. 30년 전에 낸드 플래시 기반으로 등장한 SSD가 고작 20MB 용량이었고, 기껏해야 133MB/s가 인터페이스 한계였던 PCMCIA 기반으로 나왔던 당시를 감안하면 격세지감을 느끼는 대목이다.

그렇다면 SSD는 어떤 과정을 거쳐 현재의 모습에 이르렀을까?

그동안 SSD의 발전을 이끌었던 기술들을 정리했다.

가격 현실화를 위한 첫 걸음, 셀 당 저장 용량을 늘리자

하드디스크에 비해 압도적으로 빠른 레이턴시를 바탕으로 월등히 뛰어난 체감 성능을 자랑하는 SSD지만, 등장 초기에는 치명적인 가격이 가장 큰 걸림돌로 자리잡았다. 2000년 중반만 해도 쓸만한 32GB/ 64GB 용량 제품의 가격이 50만원을 훌쩍 뛰어 넘을 정도였다. 그동안의 인플레이션을 감안하면 요즘의 쓸만한 PC 한 대 가격에 달할 정도로 비쌌다.

SLC 낸드 쓰인 마이크론 RealSSD P300(좌)/ MLC 낸드 사용된 마이크론 크루셜 MX500 대원 CTS(우)

지난 기사에서도 잠깐 언급한 바 있지만, 초기 SSD의 비싼 가격은 셀당 1bit의 정보만 저장할 수 있는 SLC(Single Level Cell) 방식이 사용된 탓이 크다. 이 경우 용량을 늘리려면 단위 면적당 더 많은 셀을 배치해야 하는데, 이는 곧 제조 공정 개선이 뒷받침 되어야 한다는 의미가 되므로 단순히 낸드 플래시의 물리적 개선만으로는 한계가 있었다.

그런 가운데 등장한 것이 바로 본격적인 SSD 대중화의 시대를 연 MLC(Multi Level Cell)의 등장. 셀에 2bit 정보를 담을 수 있기에 같은 개수의 셀을 쓴다면 단숨에 두 배의 데이터를 담을 수 있으니, 이론적으로 SLC 타입 대비 같은 가격에 두 배의 용량 혹은 같은 용량이라면 절반 가격에 공급할 수 있는 것.

MLC가 등장하면서 SLC 낸드 기반 제품은 성능과 신뢰/ 내구성이 중요한 서버나 데이터센터, 엔터프라이즈 시장을 겨냥하고, MLC 낸드는 일반 소비자 대상 제품에 사용되는 방향으로 정리되었다.

단지, 셀 당 저장할 수 있는 용량이 높아질수록 더욱 정밀한 제어가 필요하기에 초기 MLC 낸드 기반 SSD는 안정성에 대한 의문이 있었음에도 셀 당 1bit 저장이 가능한 SLC와 비교해도 특별한 문제없이 훌륭히 대중화 시대를 이끌었다.

이후 셀 당 3bit 저장이 가능한 TLC(Triple Level Cell), 4bit 저장이 가능한 QLC(Qual Level Cell) 낸드 플래시 제품이 나오기에 이른다. TLC는 일부 초기 제품에 안정성 이슈가 재기되긴 했지만 특별한 문제없이 시장에 안착했고, 이제는 셀 당 4bit 저장이 가능한 QLC 낸드 기반 제품이 등장한데 이어, 낸드 플래시 제조업체들은 5bit 용량의 PLC(Penta Level Cell) 개발에 나서고 있다.

사용자에게 중요한 자료를 담는 스토리지에 쓰이는 특성상 SLC에서 MLC로 넘어갈 때처럼 TLC, QLC 전환 초기에는 항상 여러 논란이 있었지만, 결국에는 각 낸드별 특성에 맞게 자기 자리를 찾아 안착해 왔다.

현재는 마이크론 크루셜 BX500 대원 CTS나 마이크론 크루셜 P2 M.2 SSD 대원 CTS 크루셜 처럼 QLC 낸드 플래시를 사용한 SSD로의 세대 교체가 이뤄지고 있으며, 이들은 고성능이 필요한 사용자보다 SSD의 읽기 성능과 용량을 중시하는 일반 메인스트림급 사용자층에 적합하다.

한편, 셀 당 자료 저장 용량이 늘어날 수록 제품 가격과 용량 확장에는 유리한 반면 쓰기 성능은 어쩔 수 없이 하락하기에 자신에게 어떤 제품이 필요한지 신중히 고민하고 구매할 필요가 있다.

용량과 성능 개선의 새로운 돌파구 3D 낸드의 탄생

낸드 플래시가 셀 당 용량을 늘리는 것과 동시에 용량을 높이기 위해 도입한 기술이 바로 3D 낸드다. 쉽게 말해 단독 주택에서 아파트로의 변화로 볼 수 있다.

공정 미세화를 통해 성능과 용량, 발열 특성을 개선시켜온 일반적인 반도체 제품과 달리, 낸드 플래시는 공정 미세화 결과 전자를 가둬 자료를 기록하는데 필수적인 산화막이 얇아지고 셀간 간격이 좁아지면서 간섭 현상 발생 우려도 높아지기에 수명과 안정성 저하를 불러오는 부작용이 있다.

이러한 부작용을 해결하고 용량을 늘리는 동시에 성능 개선 효과도 기대할 수 있는 것이 바로 3D 낸드다. 위로 쌓을 수 있으므로 더 적은 칩을 쓰고도 같은 용량을 만들 수 있어 제품 크기를 줄일 수 있고, 동시에 여러 셀에 접근할 수 있으니 성능 개선을 기대할 수 있는데다, 위/ 아래로 쌓으므로 셀 간 간섭 문제도 개선할 수 있다..

세계 최초로 176단 3D 낸드 양산을 시작한 마이크론의 제품은 96단 낸드에 비해 다이 사이즈가 30% 줄어든 데다 읽기 쓰기 지연 시간도 35% 개선되었고, 데이터 속도도 33% 빨라졌음을 내세우고 있다.

이러한 장점 덕분에 근래 출시되는 SSD에 쓰인 낸드 플래시는 모두 3D 낸드라 볼 수 있고, 이는 근래 초고속 SSD의 인터페이스로 꼽히는 M.2의 등장으로 이어지게 된다.

모바일 플랫폼을 더 얇고 빠르게, M.2 인터페이스의 등장

지난 기사에서 낸드 플래시 기반의 SSD는 처음 노트북에 쓰이는 PCMCIA 규격으로 출시되었다는 언급을 한 적이 있다. 충격에 강하고 당시 HDD에 비해 낮은 발열과 전력 소모량, 가벼운 무게 등은 데스크탑보다 노트북에 더욱 필요한 특성이다.

이러한 요구에 맞춰 등장한 것이 바로 mSATA(Mini-SATA) 규격이다. SATA-IO에서 SATA 규격을 이름 그대로 노트북, 울트라북 등에 어울리도록 작게 축소한 규격이지만, PCI-SIG에서 만든 M.2(개발명 NGFF, Next Generation Form Factor) 규격에 밀려 사실상 사장되었다.

M.2 규격은 mSATA 보다 더욱 폭이 좁고, 다양한 길이로 만들 수 있어 시스템 설계의 자유도도 크고, SATA(AHCI) 타입만 지원하는 mSATA와 달리 M.2 규격은 여기에 NVMe 규격까지 지원하니 노트북이나 울트라북, 2-in-1, 미니 PC 등 다양한 시스템 대응에 유리하다.

바로 위에 설명한 3D 낸드 기술의 덕을 톡톡히 보았음은 물론이다.

참고로, M.2와 같이 SATA 및 NVMe를 지원하는 SATA Express 규격도 재정된 바 있지만, 기존 SATA 포트와의 호환성을 유지한 때문에 지나치게 인터페이스가 커져 데스크탑 시장에서도 M.2에 밀려 현재는 거의 사장되었다고 보는 것이 어울리는 처지다.

또한 M.2 이전에도 SATA 대비 훨씬 큰 대역폭을 구현하는 PCIe 인터페이스를 이용해 다수의 SSD를 RAID 방식으로 묶어 고성능을 발휘하도록 설계한 제품들도 나왔으나, PCIe NVMe M.2 SSD가 자리를 잡으면서 일반 소비자용 PCIe 카드형 SSD는 찾아보기 어렵게 되었다.

빠른 SSD를 더 빠르게, 낸드 플래시를 위한 NVMe 규격

지금까지 설명한 낸드 타입 변화가 SSD 대중화를 위한 용량 개선에 집중되어 있다면, 지금 설명할 NVMe는 SSD의 성능을 극적으로 높여준 계기가 된 기술이다.

SSD는 하드디스크를 이어 나온 저장매체인 만큼 둘의 호환성을 신경써야 했기에, 하드디스크를 위해 개발된 IDE와 AHCI(Advanced Host Controller Interface) 프로토콜을 이용해 동작했다.

하지만 플래터와 헤드로 대변되는 모터 기반 아날로그형 저장장치인 하드디스크에 맞춰 개발된 통신 규격은 태생부터 반도체 기반의 저장매체인 SSD의 성능을 제대로 끌어내는데 한계가 있었다.

이에 새롭게 등장한 것이 바로 오늘날 초고성능 SSD에 근간을 이룬 NVMe 규격이다. NVMe는 Non-Volatile Memory Express라는 이름과 같이 처음부터 낸드 플래시를 포함한 비휘발성 메모리를 위해 개발된 통신 규격이다.

가장 큰 차이는 하드디스크를 위해 개발된 AHCI는 큐 당 32개 명령을 처리할 수 있는 것과 달리 NVMe는 64K의 큐에 큐당 64,000 명령을 저장할 수 있어 월등히 빠른 처리가 가능하다는점이다. 여기에 동시 처리를 위한 병렬화 및 멀티 스레드, 오버헤드 감소 등이 더해지면서 SSD의 고속화에 힘을 보탰다.

일반 소비자용 PCIe 4.0 SSD는 이제 출시된지 1년 반 밖에 지나지 않은지라 아직 가격이 높은 편인데다 종류도 많지 않아, 아직은 마이크론 크루셜 P5 대원 CTS같은 PCIe 3.0 기반의 NVMe M.2 SSD가 대표적인 고성능 스토리지로 자리잡고 있다.

비록 PCIe 4.0 NVMe 에 비하면 아쉬운 성능이지만, 아직 하드디스크의 성능이 SATA 6Gbps 인터페이스는 커녕 SATA 3Gbps에도 미치지 못하는데다 레이턴시 차이까지 감안하면 여전히 어마어마한 차이다.

여기에 반도체 특유의 고속 데이터 처리 능력과 AMD에 이어 인텔까지 지원할 예정인 PCIe 4.0 인터페이스가 NVMe와 결합되면 최대 8GB/s에 달하는 성능을 내주게 되는데, 현재는 약 초당 7GB/s에 달하는 성능을 내주는 PCIe 4.0 NVMe M.2 SSD가 출시 중이다.

SSD의 발전은 어디까지?

현재 SSD는 가격대 성능의 조화를 추구하기에 적합한 낸드 플래시 기반으로 설계되고 있지만, 공정 개선이나 셀 당 저장 용량 확대 등의 물리적 한계로 인해 업계에서는 새로운 비휘발성 메모리 적용을 고려 중인 것으로 알려졌다.

가장 최근의 성공 사례로는 마이크론과 인텔이 공동 개발한 3DX Point 기술을 들 수 있다. 낸드 플래시 대비 최대 1000배 빠른 레이턴시와 내구성을 제공하는 것으로 발표되었으며, 인텔 옵테인 브랜드로, 마이크론은 QuantX 브랜드로 관련 제품을 내놓을 것으로 알려졌지만, 마이크론은 인텔에 비해 신중하게 접근하는 상황이다.

인텔과 마이크론은 3D XPoint이 정확히 어떤 방식인지에 대해 입을 열지 않았지만, 분석 결과 상변화 메모리(PRAM)으로 추정되고 있으며, 이 외에도 자기저항 메모리(MRAM)와 저항 변화 메모리(RRAM) 등 다양한 비휘발성 메모리에 대한 연구가 이뤄지고 있다.

아직 낸드 플래시를 대체할 비휘발성 메모리의 상용화는 불투명한 상황이지만, 3D XPoint처럼 어느 순간 깜짝 등장을 기대할 수 있지 않을까? 물론 그 사이 PCIe나 NVMe 등의 주변 인프라, 혹은 낸드 플래시 관련 기술의 발전도 이뤄질테고, 이를 통해 SSD의 성능과 용량도 한 차원 높아지리라 기대해볼 수 있다.

빠르면 2023년에는 PCIe 4.0보다 두 배 빠른 PCIe 5.0 SSD의 출시가 기대되는데, 앞으로 SSD의 발전이 어떤 식으로 펼쳐질지 기대된다.

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게스트 / 21-02-26 11:41/ 신고

3D 낸드를 최초로 만든 회사가 마이크론이네요. 그럼 삼성, SK 가 따라 한 것인데,
특허는 피해 가나요? 아니면 로열티를 내나요?