하드디스크 (HDD)는 SATA2 (3Gbps)로 성능을 내주는데 큰 문제가 없지만 SSD는 SATA3에 근접하는 성능을 제공하면서 이제 한계에 이르고 있어 더 높은 성능을 구현하기 위해서는 SATA3 이상의 고속 인터페이스가 필요해졌다.
현재 SATA3 이상의 대역폭을 제공하는 인터페이스는 다양하게 등장한 상황이지만 데스크탑 시장에서 우리가 주목해야 할 인터페이스는 PCIe M.2와 SATA-Express의 두가지 정도다. 이들은 데스크탑 및 모바일 시장에 두루 사용 가능한 기술로 서버 및 워크스테이션이나 전문가용 시장을 위한 인터페이스인 SAS 12Gbps나 NVMe 등과는 구분된다.
앞으로 어떤 인터페이스가 SSD에 사용될까?
PCIe M.2는 초기 NGFF (Next Generation Form Factor)로 알려졌으나 현재는 M.2로 사용되고 있으며 SATA-Express는 이름에서 알 수 있듯이 SATA와 호환될 것으로 알려진 인터페이스다. 두 인터페이스는 PCIe를 기반으로 하는 것과 SATA 리비전 (Revision) 3.2 규격을 지원하는 공통점이 있다.
PCIe M.2, 올해 인텔 9 시리즈 칩셋으로 지원 예정
PCIe M.2, 올해 2분기 등장 예정인 인텔 9 시리즈 칩셋에서 지원
인텔은 하스웰 리프레시 (Haswell Refresh)가 등장하기 전 인텔 9 시리즈 칩셋 (Z97/ H97/ B97)에서 SATA-Express를 지원할 것으로 알려졌다. 하지만 얼마 지나지 않아 SATA-Express는 취소되고 대신 PCIe M.2 (1GB/s)를 지원할 것이라는 소식이 전해졌다.
M.2는 SATA를 직접적으로 대체하는 인터페이스라기 보다는 작은 크기의 폼팩터에 적합하며 특성상 mSATA와 같이 하드디스크 (HDD)의 성능 향상 목적을 위한 SSD 캐싱용, PCI-Express x2/ x4 슬롯을 이용하는 SSD 등 다양하게 이용할 수 있다.
다양한 크기의 PCIe M.2 (NGFF) 모듈형 SSD (Apacer)
PCI-Express M.2는 PCI-SIG의 SATA v3.2 스펙을 지원하며 초기에는 NGFF (Next Generation Form Factor)로도 알려졌는데 인텔이 울트라북이나 태블릿PC 등을 위해 만든 차세대 SSD 인터페이스 표준이다. 줄여서 PCIe M.2 또는 M.2라 부른다. 이름에서 알 수 있듯이 PCI-Express 인터페이스를 기반으로 SATA 인터페이스 이상의 높은 성능의 저장장치를 지원할 수 있게 만들어진 인터페이스다.
mSATA SSD (좌)와 M.2 SSD (우)
특징으로는 현재의 mSATA보다 작은 크기로 축소 및 다양한 크기를 이용할 수 있기 때문에 일반 데스크탑 환경보다는 슬림하고 작은 크기를 요구하는 스몰폼팩터나 모바일 장치의 저장장치 용도로 더 적합하다.
크기가 작아지면서 공간의 제약으로 낸드 플래시를 더 늘리지 못하는 문제도 있어 용량 확장이 걸림돌이 될 수 있는데 이에 대응하기 위해 M.2는 30, 42, 60, 80, 110mm의 크기를 지원하며 작은 크기를 위해 42mm가 주로 사용될 것으로 알려졌다.
SATA와 PCIe 모두 지원하며 40% 더 작은 공간, 512GB 이상 지원
작은 크기의 미니PC나 스몰폼팩터 환경에 적합한 M.2는 기존 Mini Card와 Half Card가 사용된 애드온 카드나 모듈, mSATA를 대체 가능하다. 애드온 카드나 모듈에는 Wi-Fi와 블루투스 (Bluetooth), 위성통신 (Global Navigation Satellite Systems), NFC (Near Field Communication), 하이브리드 디지털 오디오, WiGig (Wireless Gigabit Alliance), 무선 광대역 네트웍, SSD (Solid State Drive) 등이 포함된다.
PCI-Express 3.0과 USB 3.0, SATA3.0도 지원하며 PCIe Mini Card 대비 20% 이상의 PCB를 절약할 수 있고 커넥터 높이는 15% 감소, 고속의 데이터 전송을 지원할 수 있다. 또 DevSleep 모드를 지원해 스마트폰 등에서 대기모드시 전력 소모를 줄일 수 있다.
소켓 타입과 키 방식에 따라 다양한 활용 (B/ M Key)
M.2는 소켓과 키 방식에 따라 다양한 활용이 가능해지는데 일반적으로 소켓 2와 소켓 3 타입이 지원된다. 소켓 2는 B키 타입으로 커넥터는 PCI-Express x2를 지원해 SSD나 캐시, WWAN (무선랜) 등에 이용 가능하다. 소켓 3으로 알려진 M키 타입은 PCI-Express x4로 고성능 SSD 또는 캐시 등의 용도로 활용할 수 있다. 이 외에도 다양한 키 타입이 존재해 활용 범위는 늘어난다.
PCI-Express 2.0과 3.0 규격을 지원하고 PCIe x2/ x4 레인 구성이 가능해 1GB/s에서 최대 4GB/s로 성능을 확장할 수 있어 SATA3의 6Gbps 대비 최대 5배 (32Gbps) 빠른 성능을 구현할 수도 있다. 따라서 인터페이스를 뒷받침 가능한 고성능 낸드 플래시와 컨트롤러를 사용하면 M.2는 SATA3 SSD 이상의 높은 성능을 낼 수 있다.
SATA-Express, 올해는 어렵고 2015년 이후 지원?
mSATA를 대체해 고성능을 필요로 하는 스몰폼팩터를 위한 새로운 규격이 PCIe M.2라면 PCIe를 이용해 성능을 향상하는 데스크탑의 SATA 호환 규격이 SATA-Express다. M.2와 마찬가지로 SATA v3.2 스펙을 지원한다.
SATA 규격은 SATA1의 1.5Gbps, SATA2의 3Gbps, SATA3의 6Gbps로 발전해왔고 고속의 인터페이스로는 PCIe M.2 (NGFF)와 SATA-Express, SAS 12Gbps, SFF-8639 커넥터 등 다양하게 등장했지만 데스크탑에서는 SATA-Express 인터페이스가 이를 이어간다.
SATA-Express는 SATA2와 SATA3와 같은 SATA 커넥터와의 호환성을 제공하며 PCIe를 이용한 단자나 기존 SATA 지원 HDD/ SSD도 지원 가능하다. PCIe를 연장하는 용도로 사용하면 부품이 적고 상대적으로 저렴하게 구현 가능해 그래픽카드를 연결할 수도 있다. Mini-ITX 폼팩터처럼 확장 슬롯이 부족한 곳에서 SATA-Express를 이용해 그래픽카드를 설치하면 멀티 디스플레이 또는 멀티 GPU 구성을 비롯한 다양한 형태의 장치 사용이 가능할 것으로 알려졌다.
대신 단자의 크기가 커져 메인보드 공간을 기존 SATA보다 더 차지하는 문제나 케이블 구성에 차이가 발생한다. 기본적으로 SATA 케이블을 이용하면 기존 SATA 장치를 장착해 사용 가능한 것으로 알려졌다.
SATA-Express 8Gbps (1GB/s)와 16Gbps (2GB/s) 지원
SATA는 SAS 인터페이스를 고려하면 SATA3 규격 다음으로 SAS 3.0 12Gbps를 지원해야 하지만 12Gbps를 구현하기 위해서는 복잡한 인터페이스 컨트롤러와 Phy, 더 넓은 다이 면적, 높은 비용이 소요된다.
따라서 현실적으로 적은 비용으로 성능을 높일 수 있는 방식은 PCIe를 이용하는 것으로 SATA-Express는 PCIe 레인에 직접 연결되는 방식으로 PCIe 레인을 이용해 SATA 신호 및 데이터를 보내 기존 SATA의 대역폭 한계를 극복할 수 있는 기술이다.
SATA-Express는 PCI-Express 1.0/ 2.0/ 3.0 규격을 모두 지원하며 앞으로 나올 PCIe 4.0 규격 역시 지원 가능하다. PCIe 1.x 규격은 1레인에 250MB/s, 2레인은 2배인 500MB/s, PCIe 2.x 규격의 1레인은 500MB/s, 2레인은 1GB/s, PCIe 3.x 규격은 1레인에 1GB/s, 2레인은 2GB/s의 대역폭을 구현 가능해 PCIe 3.0을 지원하는 규격으로 등장하면 SATA3 6Gbps 이상의 성능 구현이 어렵지 않다. 전력 소모 역시 최소화하면서 더 높은 성능을 낼 수 있다.
SATA-Express는 PCIe를 활용해 SATA3의 6Gbps 이상의 대역폭을 구현이 가능하지만 문제는 한정된 사우스브릿지 (PCH)의 PCIe 레인 수다. 현재 사우스브릿지 기능을 하는 칩셋이 인텔 기준으로 PCIe x1 레인을 8개 제공하고 각종 온보드 장치에 할당해 사용하면 실제 사용 가능한 레인은 그만큼 줄어 많은 수의 SATA-Express 커넥터를 배치하기 어려워 진다.
또 커넥터 공간이 기존 SATA 포트보다 넓어지는 만큼 작은 크기의 Mini-ITX 메인보드에서는 그만큼 지원 공간의 제약이나 확장성이 떨어질 수밖에 없다. PCH와 CPU를 잇는 DMI (2GB/s)의 대역폭도 늘어나는 저장장치 대역폭을 뒷받침하지 못해 성능에 제약을 줄 수 있어 SATA 포트와 같은 작은 공간 활용을 위한 커넥터 디자인과 함께 높은 대역폭을 활용 가능한 칩셋 연결 기술도 필요해질 가능성이 높다.
14nm 공정 스카이레이크 (SkyLake)에서 SATA-Express 지원하나?
SATA-Express (SATA Express)라는 용어가 등장한 것은 인텔 체세대 프로세서 지원 인텔 9 시리즈 칩셋과 함께였다. 현재 인텔 9 시리즈 칩셋은 올해 2분기 등장할 것으로 알려진 상황인데 인텔은 시장의 상황과 제반 환경 문제 등으로 SATA-Express 지원을 취소하고 대신 PCIe M.2를 지원할 예정이다. 현재는 SATA-Express를 지원하는 데스크탑 플랫폼에 대해서는 구체적으로 알려진 것은 없다.
다만 2015년 시장을 형성할 14nm 공정 브로드웰 (Broadwell)에서도 지원이 알려진 것은 없기 때문에 그 이후 등장이 예상되는 스카이레이크 (SkyLake) 기반 플랫폼에서의 지원 가능성을 예상할 수 있다.
스카이레이크와 새로운 PCH 칩셋을 이용하는 Greenlow 플랫폼은 PCI-Express 4.0은 취소된 것으로 알려졌으나 SATA3 지원 포트 증가, DDR4 메모리 지원 등이 알려졌다. 해당 플랫폼에서는 SATA-Express 지원에 대해 언급되지 않았으나 SATA v3.2 규격에 포함되어 기술적으로는 구현이 가능해진 만큼 지원은 시기와 시장의 상황에 달려있다.
한편 MSI는 최근 페이스북 (Facebook)을 통해 PCIe M.2와 함께 SATA-Express는 PCI-E 확장 카드를 이용해 지원할 것을 언급했다. 이는 SATA-Express 인터페이스가 메인보드 칩셋에 내장되는 네이티브 지원이 아니더라도 조만간 시장에 등장할 가능성이 있으며 예상보다 빠르게 등장할 수 있다는 것을 의미한다.
차세대 인터페이스 PCIe M.2와 SATA-Express의 차이
PCIe M.2와 SATA-Express는 SATA3 6Gbps의 한계를 개선해 HDD/ SSD의 높은 성능을 구현할 수 있는 차세대 인터페이스로 알려졌지만 두 인터페이스는 지향하는 방향과 서로의 장단점이 공존한다.
M.2는 mSATA보다 더 작은 크기로 제품을 만들 수 있어 얇은 울트라북이나 미니PC 등의 환경에 보다 적합해 모바일 제품군과 잘 어울린다. 반면 SATA-Express는 작은 크기의 제품군보다는 데스크탑의 SATA 인터페이스와 호환 가능해 데스크탑용 메인보드의 고성능 저장장치 (HDD/ SSD) 지원 환경을 위해 만들어진 인터페이스다.
M.2와 SATA-Express는 PCIe 인터페이스와 SATA 리비전 (Revision) 3.2 규격을 지원하는 공통점이 있지만 M.2는 작은 크기로 mSATA를 비롯하여 무선랜이나 NFC 등 각종 미니 카드나 모듈을 대체 가능하고 PCIe SSD로도 구현이 가능해 활용 범위가 넓다. SATA-Express는 차지하는 커넥터 공간이 넓고 SATA3 호환 특성상 메인보드와 같은 한정된 범위로 사용이 제약된다.
PCIe M.2 (NGFF)와 SATA-Express
대역폭 지원에서도 두 인터페이스는 다른데 이론상으로 모두 PCIe 3.0과 그 이상의 지원이 가능하지만 M.2는 PCIe x2/ x4 레인 구성이 가능해 1GB/s에서 최대 4GB/s로 확장해 SATA3 6Gbps의 최대 5배 (32Gbps, 4GB/s) 빠르다. SATA-Express는 PCIe 3.0 규격 이용시 8Gbps (1GB/s), PCIe 4.0 규격을 적용하면 두배의 대역폭인 16Gbps (2GB/s) 구현이 가능해 대역폭 지원에서는 약간 불리하다. 물론 아직 두 인터페이스는 시장에 자리잡지 못했기 때문에 앞으로 대역폭이나 장치 지원은 향상될 수 있다.
SATA-Express는 대신 SATA 커넥터와 호환 가능해 기존 SATA HDD/ SSD를 그대로 이용할 수 있는 하위 호환성과 PCIe 장치 지원도 가능해 그래픽카드 연결이나 기타 PCIe 장치 지원도 가능할 것으로 알려졌다. 반면 M.2는 새로운 커넥터와 규격, 크기 지원으로 mSATA와 호환 문제가 발생할 수 있기 때문에 장치 호환성면에서는 SATA-Express가 조금 더 유리할 수도 있다.
크루셜 (Crucial) PCIe M.2 SSD (마이크론)
시장 보급면을 위한 환경은 M.2가 유리한 편이다. 인텔이 주도하는 M.2는 인텔과 삼성전자를 비롯한 다양한 제조사에서 M.2기반 SSD를 발표한 바 있으며 시장에도 하나둘 등장하고 있다. 반면 SATA-Express는 지원 메인보드 샘플 메인보드가 등장했고 고성능을 제공 가능한 SATA-Express 지원 HDD/ SSD는 아직 등장하지 못했으며 메인보드 칩셋의 지원 여부도 아직은 불투명하다.
한편 PCI-Express를 공통적으로 사용하는 두 인터페이스는 기존 SATA3 이상의 대역폭을 확보 가능하지만 제한되는 메인보드 칩셋의 PCIe 레인 확보가 문제가 된다. 현재 노스브릿지는 주로 멀티 GPU를 위해 PCIe 레인을 할당하고 사우스브릿지는 많은 수의 온보드 컨트롤러를 위해 PCIe 레인이 상당수 할당되므로 기존의 한정된 레인 지원면에서 보면 성능을 위한 레인 확장이 무한정 가능하지 못한 한계가 있다. 칩셋 제조사에서 이를 해결하면 기본보다 더 높은 대역폭 확보가 가능할 것이지만 이는 기술 개발이나 시장 상황, 비용 등의 문제가 있으므로 앞으로 해결해 나가야 할 숙제다.
2014년 주목해야 할 인터페이스는 PCIe M.2
SATA3는 6Gbps로 600MB/s의 대역폭을 제공하고 손실을 고려하면 실제는 이보다 낮아져 사실상 600MB/s에 근접한 최근의 SSD가 성능의 한계점으로 보인다. 이에 따라 새로운 인터페이스의 필요성이 대두되고 있으며 SATA3를 대체할 인터페이스로는 PCIe M.2와 SATA-Express가 거론되고 있다.
SATA-Express는 아직 시장의 등장이 뚜렷하게 알려져 있지 않고 PCIe M.2는 인텔의 적극적인 지원으로 시장에서 확대 사용될 것으로 예상된다. 때문에 PCIe M.2가 먼저 고성능 인터페이스 시장을 확대해 나갈 것으로 예상되는 만큼 올해 주목해야 할 인터페이스는 M.2다.
인텔, 삼성전자 등 주요 제조사는 M.2 SSD 발표
SATA-Express는 M.2와 같이 PCI-Express 인터페이스를 이용해 저장장치의 성능을 향상할 수 있는 장점이 있지만 인텔의 지원을 취소한 것으로 알려져 등장 시기는 M.2보다 늦어질 가능성이 높아졌다. 일부 제조사는 PCI-E 확장 카드로 지원할 것으로 알려졌지만 문제는 이를 지원해 고성능을 내줄 저장장치 (HDD/ SSD)의 등장이 이루어지지 않아 성능 향상을 기대하기 어렵다.
이처럼 사용이나 지원 환경의 모든 면에서 M.2는 SATA-Express 보다 유리한 위치인 것은 분명해 보인다. 하지만 M.2 역시 기존 mSATA와 같이 캐싱용 장치 지원이나 울트라북 노트북 등과 같은 일부 한정된 시장에 투입될 것으로 예상된다. 따라서 올해에도 메인으로 사용되는 SSD는 여전히 SATA3 인터페이스가 될 것이라는 관점에서 보면 두 가지 인터페이스는 SATA3 인터페이스를 대체하기에는 아직 시기상조다.
가까워진 PCIe M.2와 아직은 먼 SATA-Express
또한 새로운 인터페이스가 등장하면서 성능 향상이 이루어질 것이라는 기대가 있지만 PCIe M.2나 SATA-Express와 같은 새로운 인터페이스의 등장은 성능 향상 만큼이나 시장에서의 지원 확대와 비용 측면도 고려되어야 한다.
새로운 인터페이스 적용과 폼팩터를 구성하면 그만큼 비용 상승으로 직결되며 이것이 시장에서 새로운 인터페이스에 대한 보급과 활성화를 가로막는 장애물로 작용한다. 이와 같은 전반적인 부분이 해소되어야 비로소 PCIe M.2나 SATA-Express가 시장에서 자리를 잡으면서 활발하게 사용될 수 있을 것이다.
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