2. 840 EVO의 용량과 성능 향상의 비밀은?
삼성전자는 SSD 확대의 걸림돌이 되고 있는 가격과 용량을 해결하기 위해 840 시리즈 SSD에 셀당 3비트 (3bit)를 저장할 수 있는 TLC 낸드 플래시 (NAND Flash) 메모리를 탑재했다. 그당시 21nm급 공정을 적용해 최대 500GB 용량 SSD를 제품군에 추가했다.
이후 삼성전자는 840 EVO 시리즈를 통해 840 시리즈에서 다시 2배의 용량인 1TB 구현, 보다 미세해진 19nm급 공정의 낸드 플래시를 이용해 이를 이루어냈다. 하지만 TLC는 기존 MLC 방식보다 쓰기 속도 하락이 발생했는데 840 EVO는 TLC SSD의 문제로 지적된 쓰기 속도 역시 향상해냈다.
840 EVO, 미세공정과 TLC 방식으로 용량 향상
840시리즈는 TLC 낸드 플래시를 이용해 최대 500GB의 고용량 제품군을 출시한 바 있는데 840 EVO는 같은 TLC 낸드 플래시를 이용하면서 2배인 최대 1TB 용량의 SSD 제품군을 구축했다.
이러한 배경에는 낸드 플래시 방식을 TLC로 이용하고 21nm 공정에서 더욱 미세해진 19nm 공정을 도입해 집적도를 향상함으로써 가능해졌다.
일반적으로 셀당 1비트 (1bit)를 저장하는 SLC와 2비트 (2bit)를 저장하는 MLC와 비교해 3비트 (3bit)를 저장하는 TLC는 기존보다 3배까지 용량을 확장할 수 있다. 여기에 미세공정이 더해 집적도가 높아져 같은 면적에 더 많은 용량을 저장할 수 있게 되었다. 다만 TLC 방식은 이 때문에 짧은 수명 문제가 여전히 이슈로 제기되고 제조사는 이를 보완하려는 노력이 이루어지고 있다.
840 EVO는 120GB는 64GB 낸드 플래시 메모리 2개, 250GB는 128GB 낸드 플래시 메모리 2개, 500GB는 128GB 낸드 플래시 메모리 4개, 750GB는 96GB 낸드 플래시 메모리 8개, 1TB는 128GB 낸드 플래시 메모리 8개로 구성해 기존보다 적은 공간에 더 많은 용량의 메모리를 이용해 고용량을 만들어냈다. 840 EVO는 840시리즈와 비교해 동일 용량에서 아직 조금 더 높은 가격을 형성하고 있다.
삼성전자는 이에 그치지 않고 셀을 3차원 수직으로 적층해 용량과 속도, 가격을 기존보다 개선할 것으로 알려졌다. 3D V-NAND (3D Vertical NAND) 기술이 그것으로 삼성전자뿐만 아니라 샌디스크 (Sandisk)와 도시바 (Toshiba) 연합, 마이크론 (Micron) 등에서도 이를 개발하고 있다.
쓰기 성능 향상을 위해 터보 라이트 도입한 840 EVO
낸드 플래시 메모리의 미세공정과 TLC의 집적도 향상으로 저장용량과 가격을 보다 현실화할 수 있게 되었지만, 미세공정과 TLC 방식은 셀당 3비트 저장 방식은 낮은 쓰기 성능과 짧은 수명으로 이어진다. TLC는 SLC나 MLC보다 쓰기/ 지우기 (Program/ Erase) 횟수가 줄어들었다. (SLC는 10만회, 50nm급 MLC는 1만, 30nm급 MLC는 5천, 20nm급 3천, TLC는 20nm급 1천회)
SSD 제조사는 TLC 도입에 따라 에러 정정 (ECC)을 비롯한 기술 적용에 따른 보다 복잡한 컨트롤 구현도 필요하다. TLC는 MLC 대비 동일면적에 이론상 용량을 50% 확장할 수 있어 가격대 용량 개선에 유리해 이를 채택하는 SSD 제조사가 최근 늘어나고 있지만, 수명은 MLC보다 더 줄어들므로 이를 보완할 기술들이 요구된다. (메모리 셀 수명에 대한 자세한 내용은 SSD 대중화의 새로운 물꼬 틀 TLC 바로 알기 기사를 참고하자.)
미세공정과 TLC 도입은 쓰기 성능 하락으로 이어져
10나노급 공정으로 셀 간격이 좁아지고 있어 낸드 플래시 제조사들은 3차원 수직구조 낸드 (3D V-NAND, 3D Vertical NAND)를 이용해 누설되는 간섭 현상을 해결하고 단층 배열 셀을 3차원 수직으로 적층해 더 많은 저장 용량을 구현할 수 있어 고용량과 가격 향상을 이루어낼 수 있다. 3D V-NAND는 쓰기 수명도 MLC의 약 3천 회보다 높은 35,000회가 가능해 TLC 방식의 쓰기 수명 문제도 해결할 수 있을 것으로 알려졌다.
하지만 3D V-NAND는 데스크탑 시장에는 본격적인 도입이 이루어지지 않았기 때문에 수명 문제는 제외하더라도 기존 TLC 방식의 부족한 성능 문제 극복이 필요해졌다. 840 EVO는 성능 향상을 위해 터보 라이트 (TurboWrite)를 추가했다.
낸드 플래시 특성으로 TLC는 셀당 3비트를 저장하고 하나를 교체하려면 해당 셀과 제어되는 셀 전체 데이터를 읽어 메모리에 저장한다. 그리고 블록 전체를 지운 후 다시 써야 하므로 SLC나 MLC 방식보다 SSD 쓰기 속도 하락의 원인으로 작용한다. 실제로 이 때문에 840시리즈의 쓰기 속도는 MLC 방식 840 Pro 시리즈보다 1/3이 더 낮았다. 이처럼 낮은 쓰기 성능을 보완하는 기술이 바로 터보 라이트다.
삼성전자의 840시리즈와 840 EVO는 TLC 메모리 중 예비 영역 (오버 프로비저닝, Over-Provisioning)을 할당하고 있으며 120GB의 경우 8GB를 할당하는데 이 예비 영역을 이용해 성능을 높이는 것이 터보 라이트의 핵심이다.
터보 라이트는 TLC 메모리 중 특정 영역을 구분해 버퍼로 이용해 성능을 높이는 것으로 예비 영역을 셀당 1비트만 저장할 수 있는 SLC 메모리처럼 동작하도록 하는 것으로 원래 용량의 1/3이 사용되는데 120GB는 3GB의 영역을 할당한다. 250GB는 3GB, 500GB는 6GB, 750GB는 9GB, 1TB는 12GB를 할당한다.
이렇게 나머지 2비트를 무시해 쓰기 성능을 끌어올릴 수 있게 되며 SLC를 사용하는 것과 같은 쓰기 속도를 얻을 수 있다. 하지만 할당된 버퍼 영역이 모두 채워지면 TLC가 가진 원래의 속도로 다시 돌아가며 SSD의 버퍼 할당 용량, 그리고 사용자의 사용 패턴에 따라 성능 유지가 달라질 수 있다.
또 이 영역은 고정되어 웨어 레벨링 (Wear-Leveling)과 같은 분산 처리를 지원하지 않으며 버퍼 영역에 불량이 발생하면 터보 라이트는 사용할 수 없다. SLC처럼 1비트로 셀당 10만 회 정도 쓰기 가능하며 삼성전자는 일반 용도로 수명에 문제가 발생하지 않는다고 소개했다.
그러나 TLC 메모리를 활용하는 터보 라이트 기술은 특정 영역 셀의 사용 빈도가 높아지는데 이에 따른 수명 문제가 제기될 수 있어 앞으로 검증이 필요한 기술이며 또한 경쟁사에서 TLC 기반 SSD를 출시한다면 이와 유사한 기술을 이용해 성능을 향상할 수 있을 것으로 예상한다.
메인 메모리의 일부를 캐시로 활용해 성능을 높이는 RAPID
840 EVO는 예비 영역을 이용해 쓰기 성능을 높여주는 터보 라이트 (TurboWrite) 기술과 함께 RAPID (Real-Time Accelerated Processing of I/O Data) 기능로 불리는 기술을 추가로 지원한다. 이 기술은 차후 840 Pro도 지원할 것으로 알려졌으며 삼성 매지션 4.2 (SAMSUNG Magician 4.2)부터 지원을 시작했다.
RAPID 기능은 최소 2GB 물리 메모리 요구
RAPID 기능은 물리 메모리 최소 2GB와 50MB의 저장공간, 윈도우 7 이상의 운영체제, CPU 1GHz, NTFS 파일시스템이 필요하며 재시작 후 사용할 수 있다.
RAPID 기능은 소프트웨어를 이용한 기술로 터보 라이트 기술이 낸드 플래시 메모리 일정 영역을 이용해 성능을 높이는 것과 달리 메인 메모리 (PC DRAM)의 일부를 캐시로 활용해 읽기와 쓰기 성능을 높이는 기술이다. 시스템 메모리를 2GB 정도를 할당해 성능을 향상하며 하드디스크 (HDD)의 성능을 높이기 위해 SSD를 캐싱으로 활용하는 것과 유사하다. 읽기 속도는 OS의 캐쉬 보완 및 빈번히 이용되는 데이터의 페치도 이루어진다.
RAPID 기능은 특정 버퍼 메모리 용량을 넘어서면 성능 저하가 발생하는 것은 터보 라이트 기술과 같지만 이를 지원하지 않을 때보다 조금 더 향상된 성능이 유지된다.
터보 라이트와 RAPID 외에도 840 EVO는 미세공정 도입에 따른 신뢰성을 높이기 위한 신호 처리 기술, 온도 모니터링을 바탕으로 한 제어 기능 (과열 감지 기능, Dynamic Thermal Guard)도 탑재했다. 기존 840시리즈의 50도에서 70도로 높아졌고 온도 센서는 70도를 초과하는 경우 전송 속도를 낮춰 냉각하고 데이터 오류를 방지한다.
840 EVO는 840 Pro에서 제공한 AES 256bit 암호화 기능도 탑재했다. 9월 새로운 펌웨어를 통해 TCG/ Opal, 그리고 eDRIVE 암호화 기능도 지원할 것으로 알려졌다.
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