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솔리드 스테이트 드라이브(SSD)에 대해 알아야 하는 것

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글/솔리다임

노트북을 부팅하고, 애플리케이션을 실행하고, 대용량 파일을 여는 모든 작업을 빠른 속도로 실행할 수 있다고 상상해 보자. 빠른 속도의 작업을 가능하게 하는 데 가장 큰 역할을 하는 컴퓨터 부품은 바로 ‘솔리드 스테이트 드라이브(SSD)’이다. 프로세서가 아무리 초당 수 십억 번의 사이클을 처리할 수 있더라도 빠른 스토리지가 없다면 불가능할 것이다.

새로운 노트북을 구매하거나 현재 시스템이 느리다면 적합한 SSD로 교체하여 컴퓨팅 환경을 가속화할 수 있다. SSD는 컴퓨팅 환경에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으므로, 사전에 SSD에 대해 자세히 알아보는 것이 좋다.

이 백서에서는 더 빠른 컴퓨팅 경험을 위해 SSD에 대해 알아야 할 사항을 설명하고자 한다. 컴퓨터 스토리지와 SSD 기술의 기본부터 새로운 컴퓨터 시스템을 새로 구입하거나 기존 시스템을 업그레이드할 때 적합한 SSD를 선택하는 방법에 대해 자세하게 다룬다. 

컴퓨터 스토리지

SSD는 솔리드 스테이트 스토리지 디바이스로, 액추에이터 암(Actuator Arm)과 스피닝 디스크(spinning disk)가 있는 하드 디스크 드라이브(HDD)와 달리 움직이는 부품이 없다. 그 결과, SSD는 HDD보다 더 빠른 속도를 제공한다. 또한 SSD는 결함이 발생하기 쉬운 부품이 없어 더욱 안정적이다. SSD는 HDD보다 크기가 더 작으며(그림 1 참조), 시스템에 중요한 공간을 절약하고, 더 적은 전력을 소비한다. HDD는 일반적으로 SSD보다 용량 대비 저렴한 가격에 구입할 수 있으나 그 격차는 점차 줄어들고 있다(그림 2 참조). 

오늘날의 SSD는 낸드 플래시(NAND flash) 기술을 사용한다. 낸드 플래시 기술은 시스템이 꺼져 있을 때에도 데이터를 유지하는 스토리지 기술의 일종이다. 읽기, 쓰기 및 지우기 속도가 빠른 고밀도 스토리지라는 점이 특징이다. 

SSD 가격이 하락하면서 OEM 컴퓨터 제조업체들은 HDD 대신 SSD를 기본 스토리지 드라이브로 채택하고 있다. 심지어 더 큰 게임기도 이제 SSD와 함께 제공된다. 경우에 따라, 데스크톱에는 부트 드라이브(boot drive)로 설치된 SSD와 대용량 기억 매체(storage medium)로 설치된 HDD가 함께 제공된다. 

SSD 기술

SSD 내 낸드 플래시는 정보를 2진법 형태의 비트로 저장하는데 트랜지스터(Transistor, 셀이라고도 함)를 사용한다. SSD는 비휘발성으로, 전원이 꺼져도 정보가 유지된다. 1980년대 후반에 출시된 최초의 비휘발성 낸드 플래시는 싱글 레벨 셀(SLC, Single-Level Cell)로, 셀당 1비트와 1 또는 0을 나타내는 두가지 레벨의 전하가 있음을 의미한다.

낸드의 발전

낸드 플래시의 초기 비용이 높고(1991년 SSD의 비용은 약 50,000달러였으나, 현재는 0.10달러로 저렴함) 사용자는 계속해서 증가하는 데이터를 저장해야 했기에, 플래시 제조업체는 각 낸드 플래시 셀에 저장되는 전하의 수를 늘리기 위해 노력해왔다. 이는 1990년대 후반 멀티 레벨 셀(MLC, Multi-Level Cell) 낸드의 개발로 이어졌다. 트리플 레벨 셀(TLC, Triple-Level Cell)과 쿼드 레벨 셀(QLD, Quad-Level Cell)은 2010년경 시장에 출시됐으며, 훨씬 더 낮은 비용으로 대용량 스토리지를 제공한다. 과거, 밀도가 높은 셀은 더 느린 컴퓨팅 경험과 더 빠르게 셀의 마모를 초래했다. 제조업체의 혁신으로 이 두 가지 문제가 해결되어, 지금은 컨슈머 SSD(consumer SSD)에 TLC와 QLC 낸드와 같은 낸드 플래시 기술이 가장 많이 사용된다.

다음은 다양한 플래시 유형이다:

• SLC: 2가지 레벨의 전하에 셀당 1개 비트 저장

• TLC: 8가지 레벨의 전하에 셀당 3개 비트 저장

• MLC: 일반적으로 4가지 레벨의 전하에 셀당 2개 비트 저장

• QLC: 16가지 레벨의 전하에 셀당 4개 비트 저장

모바일 디바이스의 발전으로 플래시 제조업체들은 낸드 플래시에 필요한 전체 공간을 줄이기 위해 노력했다. 3D 낸드 플래시는 2012년에 등장하기 시작했으며, 이 기술은 셀을 여러 층으로 수직으로 쌓아 더 높은 밀도를 가진다.

인터페이스 기술

최초의 플래시 기반 SSD는 HDD 스토리지용으로 설계된 레거시 PATA(Parallel Advanced Technology Attachment), SAS(Serial-Attached SCSI), SATA(Serial ATA) 물리적 인터페이스, 프로토콜 및 폼팩터를 사용했다. 이러한 접근법은 기존 컴퓨터 시스템의 변화를 최소화한 반면, 인터페이스와 프로토콜은 고속 기억 매체를 위해 설계되지 않았다. 그래서 SSD 속도가 증가함에 따라 인터페이스에 성능 병목 현상(performance bottlenecks)이 발생하게 되었다. 

더 빠른 SSD를 가능하게 하기 위해 제조업체들은 고속 부품 연결용으로 특별히 개발된 인터페이스 표준인 PCIe(PCIe Express)로 전환했다. PCIe 표준은 2003년에 도입되었으며, 2000년대 중반까지 대부분의 컴퓨터에는 PCIe 슬롯이 함께 제공되었다. 오늘날 대부분의 SSD는 PCIe 3.0 또는 PCIe 4.0에서 실행된다. 다만, 상업적 생산은 새로운 기준에는 뒤떨어진다는 것에 유의해야 한다(표 1 참고). 

PCIe 슬롯은 x1, x4, x8, x16, x32 등 다양한 물리적 구성으로 제공된다. x 뒤의 숫자는 PCIe 슬롯의 레인 수(PCIe 카드로 데이터를 주고받는 방법)를 나타낸다. 예를 들어, PCIe x4에는 4개의 레인이 있는 것이다. 데이터는 각 레인에 걸쳐 순차적으로 전송되지만, 병렬 레인이 많을수록 데이터 전송률이 높아진다. 컨슈머 SSD는 일반적으로 2개 또는 4개의 PCIe 레인을 지원한다.

NVM 익스프레스(NVMe, NVM Express)는 PCIe 버스를 통한 고속 데이터 전송을 위해 개발된 고성능 프로토콜이다. NVMe 프로토콜은 지연 시간이 짧은 병렬 PCIe 데이터 경로를 활용한다. NVMe 프로토콜을 실행하는 PCIe 버스를 ‘PCIe NVMe’라고 하며, 단순하게 ‘PCIe’ 또는 ‘NVMe’라고 쓸 수도 있다.

폼팩터

다양한 인터페이스 외에도 SSD는 다양한 폼팩터를 제공한다. HDD를 교체하거나 현재 보유한 SSD를 업그레이드하는 경우, 컴퓨터 시스템 매뉴얼을 참고하여 컴퓨터 시스템에 필요한 폼팩터, 인터페이스 및 데이터 전송 프로토콜을 확인해야 한다. 대부분 SSD 폼팩터는 2.5인치 SSD(그림 3) 또는 M.2 SSD(그림 4)일 가능성이 높다. 

M.2 SSD의 가장 일반적인 버스 인터페이스는 NVMe 프로토콜을 실행하는 PCIe이다. 그러나, SATA 인터페이스가 있는 M.2 SSD도 보일 것이다. 2.5인치 SSD에는 SATA 인터페이스에 SATA 프로토콜을 실행하거나, 또는 PCIe 인터페이스에 NVMe 프로토콜을 실행할 수 있다. 표 2는 폼팩터와 공통 인터페이스 및 프로토콜을 설명한다.

내구성

낸드 플래시는 아키텍처로 인해 내구성에 한계가 있다. 즉, 낸드는 쓰기(혹은 프로그래밍)가 어려워지기 전에 지정된 횟수만큼만 다시 작성(혹은 프로그래밍)할 수 있으므로, 쓰기 및 읽기 오류가 발생한다. 다행히, 낸드 플래시 기술이 발전하여 소비자가 신뢰할 수 없는 데이터를 최신 TLC 또는 QLC 낸드 SSD에 사용할 가능성은 낮다. 예를 들어, 내구성 등급이 370TBW인 1TB Solidigm™ 670p SSD는 읽기와 쓰기에 오류가 생기기 전까지 5년의 보증 기간 동안 하루에 200GB 이상 기록할 수 있다. 이는 하루에 3만 3700장(각 6MB JPEG) 이상의 사진을 불러와, 22만 5000장(900KB 크기) 이상의 문서를 저장하거나 게임 도타 2(Game Dota 2) (15GB)를 5년간 하루에 13번 설치하는 것과 맞먹는다. 

SSD 제조업체는 일반적으로 SSD의 TBW(Terabytes written)와 보증 기간을 지정한다. 예를 들어, 솔리다임은 2TB Solidigm 670p SSD를 740TBW로 지정하고 5년의 보증 기간을 제공한다.

안정성

낸드 플래시의 셀 밀도가 증가하면(셀이 서로 가까워지면) 발생할 수 있는 읽기 또는 쓰기 오류의 수도 증가한다. 이러한 오류를 제거하기 위해 SSD 내의 오류수정코드(ECC, Error correction code) 소프트웨어가 작동한다. SSD 산업 표준은 복구 불가능한 비트 오류율(UBER, Unrecoverable Bit Error Rate)을 1,000조 분의 1(10^15) 미만의 매우 작은 임계값 아래로 유지해야 한다. 예를 들어, 2TB Solidigm 670p Series 드라이브에 대한 UBER 사양을 읽는 경우 지정된 오류율이 10^15비트 읽기당 하나의 섹터 미만임을 알 수?있다.

일반적으로 소비자 애플리케이션은 SSD에 대한 내구성 쓰기 임계값에 도달하지 못하고, ECC 소프트웨어는 내구성과 안정성에 문제가 되지 않도록 오류를 관리한다. 

플래시의 미래

오늘날 TLC는 노트북과 데스크톱용 SSD의 선두 주자이다. 그러나 이제는 4세대인 QLC가 강세를 보이고 있다. QLC 기술과 제조 공정이 진화하면서, QLC 속도와 내구성은 TLC에 근접하고 있다. 

플래시 제조업체들은 하드웨어를 넘어 SSD의 성능을 높일 수 있는 혁신적인 방법을 찾고 있다. 예를 들어, 솔리다임은 SSD 펌웨어에서 더 높은 순차 읽기 및 쓰기 성능을 제공하는 혁신적인 캐싱(Caching) 접근 방식을 구현한다. 또한 스토리지와 검색 속도를 향상시키는 큐잉(queueing), 호스트 관리 캐싱 및 프리패칭(prefetching) 기능을 갖춘 새로운 스토리지 드라이버에 투자하고 있다. 

SSD 선택

다음은 올바른 SSD를 선택하기 위해 고려해야 하는 사항이다:

1. 컴퓨팅 프로필 및 사용 용도가 무엇인가?

2. 사용 용도에 맞는 SSD 기능의 우선순위를 어떻게 정할 것인가?

3. HDD에서 SSD, 또는 SSD에서 다른 SSD로 업그레이드하는 경우, 컴퓨터의 버스 인터페이스 유형, 데이터 전송 프로토콜 및 폼팩터의 요구 사항은 무엇인가? (컴퓨터 매뉴얼에서 확인 가능)

4. 신뢰할 수 있는 제조업체는 어디인가?

5. 서드파티의 리뷰를 통해 선택한 내용을 어떻게 검증할 것인가?

컴퓨팅 프로필은 무엇인가?

최적의 SSD를 결정하는 첫 번째 단계는 컴퓨터 사용 계획을 이해하는 것이다. 다음은 일반적인 사용자의 모습이다.

[그림 6]

SSD 기능의 우선순위를 어떻게 정하는가?

컴퓨팅 프로필을 결정한 후, 그 다음 단계는 SSD 기능의 우선순위를 정하는 것이다. 다음 부분에서는 SSD 기능의 우선순위를 정할 때 고려해야 하는 기능과 특성(예: 비용)에 대해 간략히 설명한다.

적합한 SSD 용량은 무엇인가? 

소비자 컴퓨터 시스템의 경우, SSD의 용량은 120GB에서 2TB까지 다양하다. 다음은 사용 용도별 용량에 대한 몇 가지 참고 사항이다:

• 소규모 기업 운영자(256GB 이상): 256GB 용량의 SSD는 소규모 기업 운영자에게 운영 체제를 저장할 공간을 제공한다(윈도우 10은 약 20GB, 맥 OS는 약 35GB를 차지). 또한 자주 사용하는 프로그램과 파일을 위한 공간을 제공할 것이다. 여유 있는 저장 공간을 위해서는 512GB SSD를 권장한다.

• 콘텐츠 크리에이터(1TB 이상): 최소 1TB의 용량을 가진 SSD는 영상 편집자와 엔지니어의 작업 흐름을 더욱 수월하게 하며, 프로그램과 프로젝트 파일, 백업 이미지를 저장할 공간을 제공한다. 그러나 콘텐츠 크리에이터는 충분한 공간을 확보하기 위해 2TB를 고려할 수도 있다.

• 게임 매니아(1TB 이상): 많은 PC 게임들은 저장공간의 약 40GB에서 50GB를 차지한다. 1TB 용량의 SSD는 게이머에게 운영 체제와 다양한 게임을 저장할 수 있는 충분한 공간을 제공한다.

• 학생(256GB 이상): 학생이 사용하는 SSD 크기는 학생이 무엇을 공부하고 있는가에 따라 달라진다. 256GB의 SSD는 고등학생 및 기초 교양을 공부하는 대학생에게 적합하다(작은 파일). 공학 및 엔지니어링을 전공하는 대학생의 경우, 1TB 이상의 SSD가 필요할 수 있다(큰 파일).

예산은 얼마나 되는가?

지출 규모를 결정할 때 총 소유 비용(TCO)을 고려해야 한다. 더 빠른 스토리지를 사용하여 시간을 얼마나 절약할 수 있는가? 콘텐츠 크리에이터가 어도비 프리미어 프로(Adobe Premiere Pro), 라이트룸(Lightroom) 또는 포토샵(Photoshop)과 같은 소프트웨어를 사용할 때, 가져오기/내보내기 시간을 줄일 수 있다면 고성능 SSD가 좋은 투자가 될 수 있다. 마찬가지로, 대용량 SSD는 더 많은 파일을 저장할 수 있기 때문에 시간을 절약할 수 있다. 높은 내구성은 안정성을 높여주고, 하드웨어 암호화는 데이터 손실 위험을 낮추는 데 도움이 된다.

어떻게 데이터를 보호할 것인가?

컴퓨터 분실 또는 도난으로 인해 노출된 데이터를 보호하는 것은 중요하다. 강화된 보안기능이 필요한 사용자는 하드웨어 또는 소프트웨어를 사용한 암호화를 고려해야 한다.

하드웨어 암호화를 지원하는 SSD는 데이터를 기록할 때 암호화하고, 읽을 때 데이터 암호화를 해제한다. 자체 암호화 드라이브(self-encrypting drive)는 비용이 높다는 단점이 있다. 드라이브는 컴퓨터 프로세서가 아닌 데이터를 암호화하므로 성능이 저하되지 않기 때문이다. 

소프트웨어 암호화를 지원하는 SSD에는, 여러 가지 옵션이 있다. 예를 들어, 비트로커 드라이브 암호화(BitLocker Drive Encryption)는 Windows 운영 체제와 통합된다. 하지만 소프트웨어 기반 암호화는 하드웨어 기반 암호화에 비해 성능이 저하된다.

SSD를 보호하기 위해 소프트웨어 암호화를 사용하든 하드웨어 암호화를 사용하든 강력한 암호를 사용하고 주기적으로 변경하는 것이 중요하다. 클라우드 기반 암호 관리자를 사용하면 암호 해독이 어렵고, 클라우드에 안전하게 저장하며 정기적으로 변경할 수 있다. 또한 복구 키의 백업도 저장해야 한다.

암호화된 SSD를 업그레이드하거나 교체해야 하는 경우, 사용하던 HDD 또는 SSD를 새로운 SSD로 복제하여 데이터 및 시스템 구성을 전송할 수 있다. 이 작업을 수행할 때는 새로운 SSD의 용량이 이전 드라이브보다 큰지 확인해야 하며, 패스워드 또는 암호화 키를 사용하여 SSD의 잠금을 해제해야 한다. 서드파티(Third-party) 소프트웨어를 사용하여 이전 디스크에서 새로운 디스크로 콘텐츠를 전송할 수 있다. 디스크 클로닝(disk cloning)를 위해 다양한 프리웨어(freeware) 및 유료 소프트웨어 제품 중에서 선택할 수 있다.

어느 정도 수준의 성능을 원하는가?

컴퓨터가 부팅되거나 대용량 파일을 여는 동안 대부분 기다리고 싶지 않을 것이다. 그러나 성능이 향상되면 더 많은 비용이 든다. 결과적으로, 사용 용도에 적합한 성능이 무엇인지 확인해야 한다.

SSD 또는 시스템의 인쇄 사양을 검토할 때, 다음 카테고리의 숫자(괄호 안의 단위)가 SSD 사양의 일부로 표시될 수 있다. 이것들은 자주 언급되는 SSD의 네 가지 성능이다:

• 랜덤 4K 읽기(초당 입출력 처리량, IOPS)

• 순차 읽기(MB/s)

• 랜덤 4K 쓰기(초당 입출력 처리량, IOPS)

• 순차 쓰기(MB/s)

순차(sequential) 및 랜덤(random) 읽기/쓰기 성능 메트릭은 스토리지를 사용하는 다양한 방법을 나타낸다. 순차 읽기/쓰기 속도는 컴퓨터가 더 큰 용량의 파일에 액세스하거나 전송할 수 있는 속도를 나타낸다. 순차 읽기 및 쓰기의 대부분은 콘텐츠 크리에이터가 사용하기에 적합하다. 랜덤 읽기/쓰기 속도는 컴퓨터가 임의의 위치에 있는 작은 파일에서 읽거나 쓰는 속도를 나타낸다. 랜덤 읽기/쓰기의 대부분은 소규모 기업 운영자와 학생에게 적합하다. 각 사용자는 고유한 혼합(순차 및 랜덤) 읽기 및 쓰기 워크로드를 갖게 된다.

성능 사양을 충족하기 위해 SSD 제조업체는 합성하여 생성된 다양한 매개변수(parameter)로 드라이브에 압박을 준다. 결과는 기술적으로 정확하지만 일반적으로 읽기와 쓰기가 혼합된 워크로드로 구성된 소비자의 실제 경험을 반영하지 못할 수 있다. 일부 제조업체에서 발표한 성능데이터는 합성 조건에서만 얻은 것일 수 있기에, SSD를 구입한 후 예상했던 것과 같이 작동하지 않을 수도 있다.

필요한 성능을 얻으려면 제3자 검증이 필요하다. 소규모 기업 운영자, 컨텐츠 크리에이터, 게이머 및 학생 사용 사례를 모방하고 실제 워크로드를 사용하는 제3자 검증자 또는 리뷰어를 찾아야 하며, 구매 이유로 단일 속도만을 제시하는 리뷰어를 조심해야 한다. 읽기 및 쓰기 집약적인 사용 사례 또는 둘 다 혼합된 사용 사례의 미묘한 차이를 고려한 리뷰어를 찾아야 한다. 권장되는 서드파티 SSD 검증 도구에는 아난드테크(AnandTech), 핫하드웨어(HotHardware), 레짓 리뷰(Legit Reviews), PC 퍼스펙티브(PC Perspective) 및 탐스하드웨어(Tom’s Hardware)와 같은 웹사이트가 포함된다.

우선순위 정리

표 3은 소규모 기업 운영자, 콘텐츠 크리에이터, 게임 마니아 및 학생이 용량, 비용, 보안 및 성능 중에서 어떻게 우선순위를 정리하는 지 보여준다. 표에는 내구성/보증 및 안전성도 포함되어 있으나, 대부분의 최신 SSD는 소비자 워크로드에 충분한 내구성과 안전성 그 이상을 제공한다.

이 표에서 점 3개는 ‘높은 우선순위’를 나타내며, 점 2개는 ‘중간 우선순위’, 점 1개는 ‘낮은 우선순위’를 나타낸다. 이와 같은 목록을 직접 만들어 보는 것이 꼭 필요한 SSD의 기능과 특성을 확인하고, 트레이드오프(tradeoff)를 하는 데 도움이 된다.

현재 시스템을 업그레이드한다면, 컴퓨터 메뉴얼에서 폼팩터, 인터페이스 및 프로토콜을 확인해야 한다.

우선순위 예시: 소규모 기업 운영자

이 부분에서는 소규모 기업 운영자가 기능의 우선순위를 정하는 방법에 대해 설명한다. 가속화된 컴퓨터 환경과 하드웨어 수준의 암호화를 원하는 소규모 기업 운영자의 우선순위 목록은 표 4에서 확인할 수 있다.

예시로 Solidigm 670p Series 스펙 시트를 검토해 보면, 사무직 직원은 다음을 확인할 수 있다:

• 순차 읽기: 최대 3,500MB/s

• 순차 쓰기: 최대 2,700 MB/s

• 랜덤 4KB 읽기: 최대 310K IOPS

• 랜덤 4KB 쓰기: 최대 340K IOPS

성능이 좋아 보이나, 소규모 기업 운영자는 제3자 검증이 성능을 확인하는 가장 좋은 방법이라는 것을 알고 있다:

• 아난드테크(AnandTech), ‘Recommended’ 

• 레짓 리뷰(Legit Review), ‘Value Award’ 

• 탐스하드웨어(Tom’s Hardware), ‘Editor’s Choice’

소규모 기업 운영자는 성능이 자신에게 적합하다고 확신한 다음, 더욱 깊게 파고들어 SSD가 AES-512 하드웨어 암호화를 제공한다는 사실을 알게 된다. 새로운 컴퓨터를 구입하기 때문에 시스템을 업그레이드하는 경우와 같이 폼팩터, 인터페이스 및 프로토콜을 맞추는 것을 걱정할 필요가 없다. 하지만, 솔리다임 드라이브가 ‘PCIe 3.0 x 4’ 인터페이스와 ‘M.2 22 x 80mm’ 폼팩터를 가지고 있다는 점에 주목한다. Solidigm 670p Series 드라이브는 최종 선택지에 포함될 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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