2. SSD 수명/ 성능 차이의 근본 원인은?
전자의 유무로 데이터 기록, 덮어쓰기 불가능한 낸드 플래시
SSD를 비롯한 플래시 메모리 저장장치에 주로 사용되고 있는 낸드(NAND) 플래시의 데이터 기록을 위한 기본적인 셀의 구조는 다음 그림과 같으며, 컨트롤 게이트(CG)로 전압을 조절해 전자가 통과할 수 있도록 터널 효과를 발생시켜 절연체에 둘러싸인 플로팅 게이트(FG)의 전자 상태를 조절해 데이터를 기록한다.
낸드 플래시는 기본적으로 셀을 구성한 FG의 상태를 변화시켜 데이터를 기록한다
한편, OS 상에서의 데이터 삭제 명령은 실제 데이터 삭제가 아닌 어떠한 자료가 저장되어 있다는 '기록의 삭제'이기 때문에 낸드 플래시의 FG에는 여전히 데이터가 남아있게 된다. 이때 다시 데이터 기록 명령을 주면 이미 남아있는 전자에 추가 전자가 이동하게 되므로 비정상적인 데이터가 기록 되므로, 낸드 플래시는 실제 셀에 남아있는 데이터를 삭제하고 다시 기록해야 하므로 데이터의 덮어쓰기가 되지 않는다.
이와 같이 기록에서는 삭제하였지만 셀에 남아있는 데이터를 백그라운드 상에서 지우는 작업을 윈도우 7 같은 운영체제에서는 TRIM 명령어를 통해 지원하며, 이 점이 플래터의 자성 물질을 재배열해 덮어쓰기가 가능한 하드디스크와 낸드 플래시 기록 방식의 차이점이다.
셀 종류(SLC/ MLC/ TLC)별 수명, 기록 전압 미세화에 의해 차이 발생
현재 상용화된 낸드 플래시는 셀 당 저장할 수 있는 bit 수에 따라 1bit 저장이 가능한 SLC(Single Level Cell), 2bit 기록이 가능한 MLC(Multi Level Cell), 3bit 쓰기가 가능한 TLC(Triple Level Cell)로 구분된다.
한편, 일반적으로 PC에서 공급할 수 있는 전압의 한계가 정해져 있기에 셀 당 저장 bit 수가 늘어날수록 각 상태를 구별하기 위해 플로팅 게이트에 적용할 전압의 차이를 미세 조정해야 하는데, 이것이 셀 당 bit 수가 늘어날수록 성능과 수명에 영향을 미치게 된다.
셀 당 저장 bit가 늘어날수록 각 상태별 전압 간격은 급격히 감소한다
위 차트의 셀 종류별 y축 높이는 구분을 위한 것으로 특정 의미는 없다(가로축 : 전압)
즉, 셀 당 1bit의 기록이 가능한 SLC(Single Level Cell)은 0과 1을 구분하기 위해 두 단계의 전압만 설정해주면 되지만, 2bit나 3bit 기록이 가능한 MLC(Multi Level Cell)와 TLC(Triple Level Cell)와 같이 셀 당 저장 용량을 늘린 낸드 플래시는 각각의 경우를 구분하기 위해 전압을 보다 세부적으로 설정해야 하며, 이에 따라 각 전압의 구분과 해석에 걸리는 시간이 늘어나 전체적인 성능도 감소하게 된다.
또한, 낸드 플래시의 셀은 자주 사용할수록 절연층에 전자이동을 위한 터널 효과를 일으키는 과정에서 전자 이동 중 일부가 절연층에 축적되어 저항이 변화함에 따라 차츰 터널 효과를 일으키기 위해 초기와는 다른 전압을 요구하게 된다.
SLC는 기본 설정된 전압에서 정상적인 쓰기가 어려울 경우 각 상태별 전압별 차이가 커 장기간 대응이 가능하지만, MLC나 TLC의 경우 각 상태별 전압 폭이 좁기 때문에 인접 상태 전압과의 간섭 문제로 전압 조절을 통한 대응이 빨리 한계에 달하게 되며, 이것이 SLC와 MLC, TLC간 쓰기 수명 차이의 원인이 된다.
공정 미세화 = 셀 구조 약화 = 수명 감소
셀 별 저장 bit외에 낸드 플래시의 수명에 영향을 미치는 요소로 공정 미세화를 들 수 있는데, 공정 미세화는 단위 면적당 셀의 양, 즉 저장 공간을 늘릴 수 있어 용량 확대와 단가 하락이 가능해 낸드 플래시 생산업체들이 공정 미세화에 주력해왔다.
하지만, 공정이 미세화되면서 FG와 컨트롤 게이트(CG), 주변 절연체 등 셀을 이루고 있는 구조 역시 동시에 미세화되므로, 동일 재료를 사용했을 때 공정 미세와에 따라 이들 역시 얇아지며 동작시 수반되는 전기적 충격에 버틸 수 있는 절연체의 내구도와 수명, 흔히 언급되는 P/E Cycle이 감소하게 된다.
페이지/ 블록 단위의 쓰기/ 지우기 작업 = 수명 변수로 작용
한편, 셀의 기본 수명을 보통 P/E Cycle로 계산하기는 하지만 실제 SSD의 수명 계산에는 Write Amplification(이하 WA) 수치를 고려하게 되는데, 이는 낸드 플래시의 구성과 동작 방식에 기인한다.
WA는 '낸드 플래시에 쓰기 작업이 이뤄지는 양'을 '사용자가 쓰기 작업을 지시한 용량'으로 나눈 값으로, 실제 4KB의 데이터를 쓰기 위해 낸드 플래시에서 40KB의 데이터 쓰기 작업이 수행된다면 WA 값은 10이 된다.
WA는 일반적인 SSD의 경우 10으로 알려져 있으며, Garbage Collection, 오버 프로비저닝, TRIM, Wear Leveling등 SSD의 성능과 관리를 담당하는 컨트롤러의 알고리즘이 얼마나 효율적이냐에 따라 좌우된다.
낸드 플래시는 페이지/ 블록 단위로 쓰기/ 지우기 작업이 이뤄진다
WA를 고려하는 이유는, 낸드 플래시의 기본 데이터 저장 매체가 셀이기는 하나 실제 데이터 쓰기/ 지우기 작업은 셀의 집합인 페이지와 블록 단위로 이뤄지며, 여기에 앞서 언급한 '덮어쓰기 불가능'이라는 셀의 특성이 고려된 것으로, 실제 SSD의 수명은 단순히 셀의 수명만으로 계산하기는 어렵다.
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