데스크탑용 SSD는 올해 인텔이 하스웰 리프레시 (Haswell Refresh)를 지원하는 9 시리즈 칩셋을 발표하면서 SATA3 6Gbps보다 향상된 10Gbps M.2(NGFF)와 SATA-Express 인터페이스를 지원하기 시작하면서 그동안 인터페이스로 인해 제한된 성능이나 지원면에서 한단계 더 나아갔다.
하지만 시장의 등장이 시작된 M.2 SSD는 여전히 SATA3 인터페이스를 유지하는 제품이 많았고 PCI-Express를 제대로 활용 가능한 제품은 소수에 그쳤고 사용 범위도 제한되는 등 SATA 기반 SSD를 전환하기에는 역부족이다.
데스크탑의 M.2 SSD 지원 시작, 용도가 제한적이며 아직 가야할 길이 멀다
여전히 데스크탑 시장은 SATA3 인터페이스의 SSD가 메인스트림이고 당분간은 이와 같은 시장 구조는 크게 변하지 않을 것으로 보인다. 그에 따라 데스크탑용 SSD를 제조하는 제조사들에서는 SATA3 기반 SSD의 출시가 어이졌고 더 많은 용량과 낮은 가격 형성이 가능한 TLC 기반 SSD도 모습을 드러내기 시작했다.
하지만 TLC 낸드 플래시를 비교적 빠르게 도입한 삼성전자의 제품이 성능 저하 문제가 확인되면서 큰 파장을 일으켰고 다시 안정성이 입증된 MLC 기반 SSD가 선호되면서 시장은 TLC에 대한 기대감이 더욱 낮아졌다.
이는 낸드 플래시 종류와 그에 따른 특성에 의한 것으로 SSD는 낸드 플래시를 기반으로 하는 저장장치라는 점에서 SSD에 사용되는 낸드 플래시를 알아볼 필요가 있으며 낸드 플래시에 따라 제조사는 SSD 최적화나 성능 유지, 안정성과 내구성을 향상하는 방법도 달라지므로 이를 살펴볼 필요가 있다.
낸드 플래시 종류에 따라 성능과 안정성, 내구성 달라져
낸드 플래시 메모리 제조 공정은 점점 미세화가 진행 중에 있으며 현재는 19/ 20nm급 낸드 플래시가 보편적으로 사용되고 있다. 하지만 낸드 플래시는 미세화가 내구성 (수명)에도 영향을 주고 있어 무조건 공정을 미세화하는 것은 어려운 실정이다.
이처럼 기술적인 한계에 직면하고 있으며 이를 해결할 다양한 연구와 개발이 진행되고 있으나 뚜렷한 대안이 등장하기 전까지는 낸드 플래시 (NAND Flash)가 보편적으로 사용될 것으로 예상된다.
SLC - 셀당 1비트 (1bit) 저장 (0, 1)
MLC - 셀당 2비트 (2bit) 저장 (00, 01, 10, 11)
TLC - 셀당 3비트 (3bit) 저장 (000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111)
현재 SSD에 사용되는 저장매체는 낸드 플래시다. 낸드 플래시 메모리 종류는 크게 SLC (Single-Level Cell)와 MLC (Multi-Level Cell), TLC (Triple-Level Cell)로 나눌 수 있다. 이들은 셀당 비트 수, 읽기와 쓰기, 성능과 내구성 (수명), 가격에 차이가 있으며 쓰기/ 지우기 (Program/ Erase) 횟수는 SLC가 10만, MLC가 3천, TLC는 1천회로 알려졌다.
낸드 플래시 성능과 속도는 TLC < MLC <SLC 순이며 안정성과 가격, 내구성 (수명)도 TLC <MLC < SLC 순이다. TLC는 저장용량은 늘어나지만 동시에 기록해야 하는 비트 수가 늘어나 읽기와 쓰기 속도가 느려지고 비트 저장수 증가에 따라 수명도 그만큼 짧아진다. 또 TLC는 에러 보정 (ECC)을 위한 처리도 요구되므로 가격면에서도 유리하지 못한 상황이다. 물론 삼성전자의 TLC SSD는 eTLC로 일반 TLC보다 수명이 긴 것으로 알려져 무조건 수명이 떨어지는 것은 아니나 그에 따라 가격도 MLC 제품대비 경쟁력이 높지는 않다.
성능 저하 문제가 이슈화된 TLC 기반 삼성 840 EVO SSD
현재는 MLC가 가격과 성능, 용량을 적절하게 구현해 보편적으로 사용되며 삼성전자를 시작으로 샌디스크가 X300 시리즈 SSD 출시, 마이크론도 TLC SSD를 출시할 것으로 알려져 TLC 기반 제품도 늘어날 예정이다.
하지만 최근 TLC 낸드 플래시 기반의 삼성전자 840 EVO 시리즈 SSD에서 성능 저하 문제가 제기되었고 840 시리즈 SSD에서도 이 문제가 제기되는 등 TLC 제품에서만 문제가 발생하면서 큰 영향을 미쳤다. 실제 TLC 수요 상당 부분이 MLC SSD로 넘어간 것으로 알려졌다.
이슈화된 성능 저하 문제는 전압 조절 (보정) 알고리즘이 전압 레벨을 정확히 감지하지 못한 것이 원인으로 추정되었다. 이에 삼성전자는 지난 10월 15일 이를 개선한 펌웨어와 성능 회복을 위한 전용 유틸리티를 공개했으나 이미 신뢰에는 금이 간 상태이며 1개월 이상 지난 셀에서 문제가 발생한 만큼 앞으로 최소 같은 기간 동안 성능 유지가 가능한지도 검증되어야 하는 과제를 안게 되었다.
프리징 문제가 발생한 JMicron JMF602 SSD 컨트롤러
물론 MLC 기반 SSD도 초창기에는 SSD 컨트롤러의 잦은 프리징과 속도 저하 등이 발생해 한동안 회자된 바 있다. 이후 기술 발전으로 컨트롤러의 처리 성능과 효율, 지원이 개선되면서 이러한 문제는 현재 대부분 개선되면서 해결된 상태다. TLC도 MLC처럼 어느 시점이 되면 많은 문제가 해결될 것이지만 당장은 현재진행형이므로 추이를 더 지켜봐야 할 것이다.
SSD는 성능 보완과 일관된 성능 유지를 위한 기술 제공
앞서 살펴본 것과 같이 낸드 플래시는 사용되는 타입에 따라 다른 특성을 갖고 있으며 SSD 제조사는 이를 토대로 메모리 타입에 적합한 기술과 성능을 낼 수 있는 SSD를 제작한다.
하지만 SSD는 낸드 플래시를 이용하는 저장장치의 특성상 데이터를 쓰고 지우는 과정이 반복되며 이때 불필요한 데이터가 늘어나면서 어느 시점이 되면 속도가 느려진다. 또 수명은 적게 쓸수록 유리하지만 저장장치로 활용하는 이상 수많은 읽기와 쓰기 작업이 이루어지므로 수명은 줄어들 수밖에 없다. 이에 SSD는 느려지는 속도를 보완하고 일관된 성능을 제공하기 위한 노력이 이루어지고 있다.
1. SSD 컨트롤러에 제공되는 GC와 웨어 레벨링, 트림
일관된 성능을 제공하기 위한 대표적인 기술로 GC (Garbage Collection)와 웨어 레벨링 (Wear Leveling), 트림 (TRIM) 있다. 이 기술들은 공통적으로 SSD 컨트롤러에 의해 제어되며 자동으로 실행된다.
초창기 SSD에 사용된 SSD 컨트롤러는 성능 유지를 위한 GC나 웨어 레벨링, 트림을 지원하지 않는 제품이 소수였지만 현재의 SSD 컨트롤러는 이들 기술이 자리잡으면서 대부분의 컨트롤러가 기본으로 지원하는 추세다.
최신 SSD는 GC와 웨어 레벨링, 트림을 기본으로 지원하는 추세다
3가지 기술 중 트림은 불필요한 데이터를 삭제하는 작업으로 실제 데이터 영역의 데이터까지 삭제한다. 낸드 플래시 메모리를 이용하는 SSD는 기존 삭제된 데이터가 셀에서 완전히 삭제되지 않고 남아있으며 이를 완전히 삭제해야 다음 기록시 원활하게 동작하여 프리징 등이 발생하지 않는다.
수동 트림, 제조사 제공 관리툴이나 무료, 유로 툴도 이용 가능
트림은 윈도우 XP에서 지원하지 못하며 윈도우 비스타 이상의 운영체제, AHCI 모드가 활성화 되었을 때 자동으로 실행된다. 물론 SSD 제조사가 제공하는 관리툴을 이용해 수동으로 최적화 (트림)를 실행할 수도 있다. 인텔이나 삼성전자, 도시바, 샌디스크, A-DATA, 메모라이트 등 다양한 제조사가 이를 지원하며 무료 또는 상용 SSD 관리툴도 이를 이용할 수 있다.
GC는 불필요한 영역을 자동으로 해제하여 사용 가능한 공간을 만들고 성능을 향상하는 기술이며 웨어 레벨링은 특정 셀에 쓰기/ 지우기 작업이 집중되는 것을 방지하며 셀에 균등하게 쓰기 작업을 분배해 오래 사용할 수 있도록 해준다. 낸드 플래시 메모리는 셀당 쓰기 수명이 존재하고 특정 셀에 과도한 쓰기가 발생하면 수명은 그만큼 감소하는데 이것을 방지하는 것이 바로 웨어 레벨링이다.
2. SSD의 구조와 낸드 플래시 연결방식 개선
낸드 플래시의 속도와 수명 문제는 낸드 플래시 메모리 방식을 동기와 비동기식 메모리 외에 토글 방식을 도입해 일부 해결하기도 한다. 토글은 동기와 비동기식 대비 차이는 크지 않으나 속도가 빠르고 수명도 상대적으로 길다. 하지만 그 차이는 크지 않은 것으로도 알려진 만큼 이를 고려한 선택이 필요하다.
토글 낸드는 도시바에서 처음 만들어졌으며 삼성전자나 도시바가 채택하고 있다. 토글 낸드의 전송속도는 SLC 낸드 플래시가 40Mb/s인데 반해 133Mb/s 또는 그 이상 (최대 400Mb/s)로 향상 가능하다.
ONFI 3.x도 각 채널에 최대 400Mb/s의 속도를 낼 수 있고 토글 방식과 함께 8채널 지원으로 3.2GB/s, SATA3 6Gbps 이상이다. 하지만 낸드 플래시 연결방식은 현재의 일반 구조로는 미세공정 도입이나 성능 및 내구성 향상에 한계가 있어 새로운 제조 방식과 컨트롤러 지원, 향상 등이 필요하다.
동기식과 토글 방식의 낸드 플래시
성능 측면에서 SSD는 낸드 플래시 메모리를 병렬로 연결해 용량이 증가하면 높은 성능을 제공할 수 있는 구조가 만들어진다. 메모리 속도는 쓰기 대역폭과 메모리 장착 수에 따라 달라지며 용량이 커지면 그만큼 낸드 칩을 더 많이 사용하고 나누어 쓰기 때문에 더 빨라진다.
또 SSD는 순차 읽기와 쓰기 성능도 중요하지만 운영체제를 설치해 사용하므로 파일 크기가 작은 데이터를 읽어오는 랜덤 읽기와 쓰기 속도도 중요하게 작용한다. 랜덤 읽기와 쓰기는 IOPS (Input/ Output Operations Per Second)로 표기되며 4K 읽기와 쓰기로도 알려졌는데 초당 입출력 계산 속도와 숫자가 클수록 빠른 제품이다.
SSD는 평균 보장 수명으로 하루 20GB 쓰기가 이루어질 때 3년 이상을 제시하는 경우가 많으며 일부 제품은 이보다 5년 또는 10년, 그 이상의 보증 기간을 제공하는 등 하루 한계 쓰기 용량을 넘어서는 특정 상황을 제외한 일반 PC 사용자는 크게 걱정하지 않아도 될 정도로 기술이 발전했다.
3. SSD 컨트롤러 처리 향상과 인터페이스 개선
낸드 플래시 메모리 종류 외에도 SSD를 제어하는 컨트롤러도 성능과 속도, 안정성과 내구성 (수명)에 영향을 준다. SSD 컨트롤러는 자체 개발 또는 컨트롤러 제조사에서 만드는 컨트롤러가 널리 사용되는데 삼성전자는 자체 개발, 인텔은 서버용으로는 자체 개발 컨트롤러, 데스크탑에는 샌드포스를 사용한다. 마벨 컨트롤러도 성능과 안정성을 인정받아 많은 제조사가 이용하고 있으며 SMI 컨트롤러도 최근 사용이 늘어났다.
SSD 컨트롤러는 PC의 CPU에 해당하는 것으로 기본적인 성능과 속도 구현, 안정성과 내구성 향상을 위한 처리, 그리고 에러 정정 (ECC)이나 암호화 및 보안 기술 등을 다양하게 제공해 SSD를 안정적이고 오랫동안 사용할 수 있도록 해준다. 펌웨어도 제조사의 개발 능력에 따라 다르며 얼마나 안정적이고 오랫동안 사용에도 문제가 없는지는 제조사의 능력에 달려있다.
인터페이스 지원도 컨트롤러에 의해 달라지는데 현재는 SATA SSD와 M.2 SSD에서도 많은 제품이 SATA3 (6Gbps) 인터페이스 지원이 대부분이며 일부 컨트롤러러는 네이티브로 PCI-Express를 지원해 보다 높은 성능과 속도를 제공한다. 앞으로는 PCIe 인터페이스로 SATA3 이상의 성능을 구현 가능한 컨트롤러의 등장이 예상된다.
4. 안정성과 성능 저하를 보완하는 예비영역 (오버 프로비저닝)
예비영역, 안정성 향상과 성능 저하 최소화
예비영역 (오버 프로비저닝, OP, Over Provisioning)은 용량을 포함하느냐 그렇지 않는야 따라 실제 판매되는 SSD는 서로 다른 용량이 표기된다. 128/ 256GB로 표기되는 제품이 있는가 하면 120/ 240/ 250GB로 표기되는 제품이 있는데 후자가 오버 프로비저닝 영역을 제외한 표기 방식이다. SSD는 보통 2의 배수로 SSD 용량을 표기해 64/ 128/ 256GB로 표기한다.
예비영역은 낸드 플래시 메모리의 수명이 다하거나 오류로 인해 사용이 어려워진 메모리를 대체해 안정성이나 성능 저하를 최소화하는 역할을 해준다. SSD는 크기만 다를 뿐 에비영역을 제공하고 있으며 일부 SSD는 SSD 관리툴에서 오버 프로비저닝 영역을 설정할 수도 있다.
제조사에 따라 성능 향상 및 유지 기술 제공
SSD는 성능을 향상하면서도 오랜 사용에도 일정한 성능을 유지하거나 성능 저하 최소화, 이에 따른 내구성 (수명)이나 안정성을 향상하는 방향으로 기술이 발전하고 있으며 제조사에서도 SSD 컨트롤러가 제공하는 이와 같은 지원 외에도 추가적인 성능 향상이나 유지 기술을 제공한다.
낸드 플래시 일정 영역을 캐쉬로 활용해 성능을 향상 및 유지하는데 쓰이기도 하며 시스템 메모리인 DRAM을 캐쉬로 활용해 성능을 향상하는 기술도 현재의 SSD 제조사 사용하는 대표적인 기술이다.
1. 성능 유지와 향상을 위한 기술
삼성 터보 라이트, 플렉스터 트루 스피드, 샌디스크 n캐쉬
SSD의 지속적인 성능 유지와 향상을 위한 기술로는 삼성전자가 840 EVO 시리즈 SSD에 적용한 터보 라이트, 플렉스터의 트루 스피드, 샌디스크의 n캐쉬 기술을 들 수 있으며 이들 외에도 트루 스피드와 유사한 기술로 리뷰안테크의 K-Speed, 메모라이트의 Constand Speed 등이 알려져 있다.
터보 라이트는 제조 비용이나 가격은 유리하지만 내구성 (수명)이나 안정성, 성능이 낮은 TLC 낸드 플래시의 약점 보완하기 위해 삼성전자가 제공하는 기술이며 플렉스터 트루 스피드는 읽기 쓰기가 빈번한 SSD를 장시간 사용할 때도 처음 사용하는 것과 같이 성능을 유지할 수 있도록 해주며 이 기술은 컨트롤러와 낸드 플래시, 펌웨어 조합을 통해 안정적으로 동작하면서 SSD가 제공하는 기술을 보완한다. 트루 스피드와 유사한 기술다른 제조사에서도 지원되고 있다.
샌디스크의 n캐시 기술도 터보 라이트와 유사하게 일정 영역의 SLC 캐쉬를 탑재한 후 처음 모든 데이터를 이 영역에 쓰고 MLC나 TLC 블록의 쓰기는 최소화해 컨트롤러와 DRAM 캐쉬의 부담을 줄여 이들이 다른 작업에 활용 가능하도록 하며 이를 통해 SSD의 응답성과 효율, 성능, 내구성을 향상할 수 있도록 해준다. n캐쉬는 TLC 기반 X300 시리즈 SSD에서는 n캐쉬 2.0, 10년 보증의 익스트림 Pro SSD는 n캐시 프로 기술로 불린다.
특정 영역을 할당해 사용하는 삼성 터보 라이트나 샌디스크 n캐시는 일정 영역의 버퍼 메모리가 모두 채워지면 성능이 다시 하락할 수도 있고 특정 버퍼 영역이 자주 사용되므로 불량이 발생하거나 사용 빈도가 높아지면 수명 문제가 제기될 가능성도 있다.
2. 시스템 메모리로 성능 향상하는 기술
삼성 RAPID 모드와 플렉스터 플렉스터보 (PlexTurbo)
반도체 기술이 발전하면서 낸드 플래시의 한계를 극복하고 성능이나 전력 소모, 내구성 (수명)과 안정성을 향상할 수 있게 되었는데 SSD 제조사는 하드웨어 및 소프트웨어를 통해 성능을 향상하는 기술도 제시하고 있다.
그중 하나가 PC 메모리 (DRAM)를 캐시로 활용해 성능을 높이는 것이며 이는 시스템 메모리 용량이 과거보다 크게 확장되면서 가능해진 기술이다. 대표적으로 삼성전자의 래피드 (RAPID) 모드와 플렉스터 플렉스터보 (PlexTurbo) 기술을 들 수 있으며 이들은 공통적으로 메인 메모리 (PC DRAM)의 일부 용량을 캐시로 활용해 읽기와 쓰기 성능을 향상한다.
래피드 모드는 읽기 속도는 OS 캐쉬 보완 및 빈번히 사용되는 데이터의 패치가 이루어진다. 메모리 일정 용량 (메인 메모리 2GB, 50MB의 저장공간)을 할당해 사용하므로 이를 넘어서면 성능 저하가 발생하고 시스템 메모리가 넉넉하지 않으면 성능 저하의 원인으로 작용, 어플리케이션에 따라 성능 차가 발생할 수 있다.
플렉스터보는 래피드 모드와 마찬가지로 시스템 메모리를 이용하는 캐싱 솔루션이나 성능 향상 외에도 갑작스런 전원 중단이 발생했을 때 데이터 보호, 수명 연장 메커니즘을 통해 SSD 플래시 메모리의 불필요한 쓰기 작업을 줄여 수명을 늘린다. 플렉스터는 이 기술로 기본 SATA3 SSD 대비 최대 10배 빠른 속도를 구현 가능하다고 소개했으며 자주 사용하는 데이터와 그렇지 않은 데이터를 선별해 최적의 캐싱 패턴을 찾고 액세스 효율을 높여 성능을 향상한다. 이를 위해 플렉스터는 최적화된 DRAM 캐시와 컨트롤러, 플래시 메모리 이용, 기존 서버급 품질 관리로 알려진 플렉스스타 (Flexstar) 품질 관리기준을 약 2배 향상시키는 등 제품의 성능 뿐만 아니라 안정성도 고려했다.
다만 플렉스터보 스마트 캐싱 기술은 시스템 메모리의 과다 사용을 방지하기 위해 한 개의 SSD에서만 구동하도록 설계되어 레이드 구성은 지원하지 않으며 사용 패턴에 따라 5MB-1GB 메모리를 빌려 성능을 향상한다. 래피드 모드는 데이터 패턴의 변화와 상관없이 고정적으로 일정 시스템 메모리 공간을 이용하는 차이가 있다.
이는 게임 등 시스템 메모리 활용이 늘어나는 환경에서 래피드 모드는 일정량을 할당한 상태로 사용되기 때문에 충분하지 않은 시스템 메모리를 사용 중이라면 메모리 부족으로 인한 성능 저하가 발생할 수 있지만 플렉스터보는 지능적인 관리로 이런 문제를 줄일 수 있게 된다. 데이터 보호에서도 상시 저장 기능을 제공하는 플렉스터보와 비교해 삼성전자 래피드 모드는 동시저장 기능이 없어 갑작스런 정전이나 예상치 못한 오류로 인한 데이터 손실 위험성이 높다.
3. 특정 상황의 성능 저하를 보완하는 인텔 동적 스토리지 가속기 (DSA)
깊은 단계의 절전모드 사용시 성능 저하를 보완하는 동적 스토리지 가속기
일정 영역을 버퍼로 활용하거나 시스템 메모리를 활용해 성능을 높이는 기술 외에도 특정 환경 즉 절전모드 사용시 발생하는 성능 저하를 보완하는 기술도 제공된다. 하스웰 플랫폼에서 지원하는 동작 스토리지 가속기 (DSA, Dynamic Storage Accelerator)가 그것으로 깊은 단계의 절전모드 (C-State, C6/ C7 단계)와 SSD를 조합해 사용하면 하드디스크와 다르게 전력절감기술 사용에 따라 CPU 타이밍과 각종 칩셋 사이의 지연시간에 민감해 성능저하가 발생하는데 이를 보완해준다.
하지만 이 기술도 완벽한 것은 아니며 DSA 적용과 미적용에 따른 성능 향상은 크지 않으며 성능 상향 평준화가 이루어진 현재의 SATA3 (6Gbps) SSD는 절전모드 적용에 따른 성능 저하가 큰 영향을 주지 않을 수도 있다.
기본값인 절전, 균형과 고성능의 3가지 설정이 가능하며 인텔 Z87과 Z97 칩셋, 인텔 RST v12.0 이상, 메인보드 바이오스에서 DSA를 지원해야 한다. 운영체제는 윈도우7/ 윈도우 8 이상이다.
SSD 기술 발전은 성능 향상과 안정성, 내구성 향상으로 이어져
이처럼 SSD는 기술 발전으로 안정이면서 다양한 기술들이 보다 활발하게 도입될 것으로 예상되며 SSD에 사용하는 낸드 플래시는 미래에는 차세대 메모리로 대체되고 지금보다 오랜 사용과 대용량 제시, 보다 합리적인 가격을 형성할 것으로 전망된다.
현재 보편적으로 사용되는 MLC와 데스크탑의 사용 빈도가 낮아진 SLC, 용량과 가격으로 시장을 확대하고 있는 TLC 낸드 플래시는 최근 용량과 가격에 대한 요구가 높아지면서 점진적으로 늘어나고 있다.
특히 TLC는 구조상 SLC나 MLC보다 용량과 가격면에서 유리해 같은 가격으로 SSD를 제작할 때 SLC나 MLC보다 더 많은 용량을 제공할 수 있다. 하지만 상대적으로 적용 시기가 늦은 TLC는 성능이나 내구성 (수명), 안정성에 대한 불안 요소가 남아있고 얼마 전 성능 저하 문제가 확인되면서 TLC에 대한 우려의 목소리가 높아지고 있다.
3D V-NAND 사용한 삼성전자 850 Pro SSD
물론 낸드 플래시 메모리 타입에 따라 내구성이나 안정성 등이 다른 것은 사실이지만 컨트롤러의 제어나 제조사의 개발 능력에 따라서도 이런 부분은 차이가 발생할 수 있으며 그에 따른 성능이나 안정성, 지원 역시 달라질 수 있어 여러 부분을 고려한 SSD 선택이 필요하다.
플래시 메모리 제조사 역시 한계에 다다른 공정 미세화를 진행하기 보다는 수명과 성능 문제 해결을 위해 새로운 3차원 수직구조 낸드 (3D Vertical NAND, V-NAND)를 개발하거나 차세대 메모리로 대표되는 상변화 메모리 (PCRAM), 스핀 주입 메모리 (STT-RAM), 저항 변화 메모리 (ReRAM) 등을 해결책을 제시하고 있어 앞으로의 SSD 기술을 기대해 볼만하다.
[영상] RTX50 4분기출시/SSD 추가 인상설/인텔 아크 무관심/PCIe 7.0 발표,그리고 스냅드래곤X엘리트 
