SSD, 어렵고 복잡한 각종 용어·원리 알아보기

SSD(Solid State Drive) 알아보기

SSD는 데이터를 기록하는데에 반도체의 전자 움직임을 이용하는 장치 입니다. 이 반도체를 '낸드(NAND) 플래시 메모리'라고 합니다. 낸드 플래시 메모리는 전자의 움직임을 이용하는데도 불구하고, 전원이 꺼지더라도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리입니다. 덕분에 데이터의 안전성과 영속성을 보여줍니다.

SSD, HDD(Hard Disk Drive)와 비교

SSD 등장 전, 컴퓨터의 가장 일반적인 저장 장치는 HDD였습니다. HDD는 헤드와 플래터를 이용하여 디스크에 물리적인 방법으로 데이터를 기록하는 기계 장치입니다. 하지만 SSD는 반도체이기 때문에 HDD보다 빠른 속도와 높은 안전성, 그리고 무소음이라는 특징을 가지고 있습니다. 또한 HDD에 비해 SSD는 발열도 적적고, 물리적인 충격에도 강합니다. 그리고 소형화에도 유리하며 전력 사용에도 효율적입니다. 이처럼 SSD는 저장 매체로서 가질 수 있는 대부분의 특징들이 HDD에 비해 좋은 모습을 보입니다.

하지만 현재 HDD보다 약 4배정도 비 효율적인 용량 대비 가격을 보여줍니다. 때문에 가정용 데스크탑 보다는 노트북 등 소형 기기에 주로 사용 되어왔습니다. 그러나 그나마 단점이라고 볼 수 있었던 용량 대비 높은 가격 또한 기술의 발전을 통하여 빠르게 극복해 가고 있습니다. 덕분에 최근에는 가정용 데스크 탑 뿐만아니라 데이터 저장이 필요한 곳 어디든지 HDD를 빠르게 대체해 가고 있습니다. 

 

 

SSD 역사

SSD는 1960년대에 미국의 NASA에서 물리적인 충격에 강한 저장 장치 연구를 통해 개발되었다고 합니다. 기존의 저장 매체들 보다 빠르고 충격에 강하였지만, 저장 용량이 작았습니다. 때문에 산업용, 군사용과 같이 제한적인 용도로만 사용되었습니다. 하지만 기술의 발전을 통해 단점으로 지적돼온 적은 저장 용량을 극복해 나아가고 있습니다.

 

SSD 구조

SSD는 데이터를 저장하는 낸드(NAND) 플래시 메모리, 데이터 교환을 제어하는 컨트롤러, 임시 기억 장치 역할을 하는 D램으로 구성돼 있습니다.

SSD 특징

HDD는 데이터 위에 데이터를 덮어 씌울 수 있습니다. 하지만 SSD를 구성하고 있는 반도체인 'NAND 플래시 메모리'는 데이터 위에 다른 데이터를 덮어 씌울 수 없습니다. 때문에 'GC(가비지 콜렉션)'나 'TRIM(트림)' 기능을 통하여 스스로 데이터를 항상 정리 해야 합니다.

SSD 메모리

'NAND 플래시 메모리' 기억 장치의 최소 단위인 기억 소자(storage cell, 셀) 한 개 당 몇 비트의 데이터를 담아 내느냐에 따라 SSD를 'SLC · MLC · TLC' 세 종류로 분류합니다. 성능면에선 SLC가 가장 우수합니다. 가격 대비 효율성 면에서는 TLC가 가장 우수합니다.

-SLC (Single Level Cell) : '기억 소자 한 개' 당 '데이터 1비트'를 담아내는 가장 안정성이 높은 기술입니다. 하지만 저쟝 용량 대비 높은 가격을 보여줍니다.

-MLC(Multi Level Cell) : '기억 소자 한 개' 당 '데이터 2비트'를 담아내는  입니다.  SLC보다 적은 기억소자로 효율적인 저장 능력을 보여줍니다. 하지만 SLC보다 안정성에서 떨어집니다. 반대로 가격 대비 저장 용량면에서 SLC보다 효율적입니다.

-TLC(Triple Levle Cell) : '기억 소자 한 개' 당 '데이터 3비트'를 담아내는 가장 효율적인 메모리 입니다. 메모리의 수명과 안전성은 SLC나 MLC에 비해 불안한 모습을 보일 수 있습니다. 그러나 단지 이론적으로 SLC나 MLC보다 안전성이 떨어진다고 볼 뿐이지, 거듭된 기술의 발전을 통하여 높은 안전성을 보여줍니다.

 

 

SSD 인터페이스(상호 연결을 위한 규칙과 약속) 

SSD의 물리적 연결 단자로는 PCIe, SATA3, M.2가 있습니다. 

SSD의 논리 방식으로는 NVMe, PCIe, SATA3 가 있습니다.

그래서 SSD를 검색하면 "단자는 M.2이면서 논리는 NVMe" 혹은 "단자는 M.2이면서 논리는 PCIe" 같은 다양한 제품이 등장하게 되었습니다.

-SATA3 : 메인보드와 연결하는 '물리적'이면서 '논리적' 방식 입니다. 이론상 최고 6Gb/s 의 속도를 지원하는 고성능 인터페이스 입니다. 현재 가장 일반적인 연결 단자입니다. 

-PCIe(PCI Express) : 메인보드와 연결 하는 '물리적'이면서 '논리적' 방식 입니다. SATA3에 비해 약 2배 가량 빠른 속도를 지원합니다. 일반적으로 그래픽 카드를 꼽은 단자로 인식되어집니다.

-M.2 : 위의 두가지는 물리적 연결 단자와 논리적 방식을 동시에 의미하지만, M.2는 단순히 물리적 연결 단자만을 의미합니다. 연결 단자는 M.2이면서 논리 방식은 SATA3 , PCIe , NEMe로 나눌 수 있습니다. 연결을 위해서는 사전에 메인보드가 지원을 한느지 알아보아야 합니다. 

-NVMe : SSD를 위해 개발된 논리 방식 입니다. 가장 빠르고 발전 된 논리 방식 입니다. 물리적 연결 단자는 M.2와 PCIe를 이용합니다.

IOPS (Input/Output Operations Per Second)

저장 장치의 초당 입력과 출력의 처리 능력을 알 수 있는 성능 측정 단위 입니다. 높을 수록 고성능입니다.

3D NAND 플래시 메모리 (= Vertical NAND, V-NAND)

기존 낸드 플래시가 평면의 2D 구조를 가지고 있었습니다. 하지만 3D 낸드 플래시는 수직적인 구조를 가지고 있습니다. 같은 면적에 수직으로 데이터를 쌓아 올린다는 개념입니다. 때문에 용량을 크게 늘릴 수 있으며 속도도 빠릅니다.

TRIM

운영체제에 의해서 SSD의 데이터를 정리하는 기능입니다. SSD는 HDD처럼 데이터 위에 데이터를 덮어쓰는 작업이 불가능 하기 때문에, SSD 내부의 데이터가 항상 정리되어야 합니다. SSD 내부의 기억 소자를 정리해주어 최적의 성능을 낼 수 있도록 도와주는 기능입니다. 윈도우 10 이상에서는 자동적으로 이루어 집니다.

GC(Garbage Collection)

SSD 자체에서 시행하는 데이터 정리 기능입니다. SSD는 HDD처럼 데이터 위에 데이터를 덮어쓰는 작업이 불가능 하기 때문에, SSD 내부의 데이터가 항상 정리되어야 합니다. SSD 내부의 기억 소자를 정리해주어 최적의 성능을 낼 수 있도록 도와주는 기능입니다.

 

 

S.M.A.R.T (Slef-Monitoring, Analysis and Reporting Technology)

자체 모니터링, 분석과 보고하는 기능 입니다. SSD 스스로 데이터 오류를 파악하고 보고하는 기능입니다.

ECC (Error Correcting Code) 

오류 정정 코드입니다. SSD 자체에서 오류가 발생하면 처리해 주는 기능 입니다.

웨어레벨링 (Wear Leveling)

NAND 플래시 메모리의 기억 소자들이 공평하게 사용되도록 하는 기술 입니다. 각각의 기억 소자들은 수명이 있기 때문에 데이터를 지속적으로 한 기억 소자에만 머물지 못하게 움직여 줍니다.

DEVSLP (Decive Sleep Support)

디바이스 슬립 모드 입니다. SSD를 이용하지 않을때 대기 전력을 낮춰 전력 손실을 줄여주는 기능 입니다.

폼 펙터

SSD의 물리적인 단순 크기를 말합니다. 1.8 인치와 2.5 인치가 있습니다.

TBW (Total Bytes Written)

SSD의 총 기록 용량, 수명을 뜻 합니다. 예를 들어 '100GB SSD가 1T TBW' 라면 100GB 공간에 1024GB 정도의 데이터를 기록 할 때까지 제품의 안정성을 보장한다는 의미 입니다(1024GB≒1TB).

통상적으로 실제 수명보다 훨씬 낮은 TBW수치를 명시해 둔다고 합니다. 

MTBF (Mean Time Between Failure)

고장 까지 걸리는 시간 입니다. 통상적으로 실제 수명보다 훨씬 낮은 MTBF를 명시해 둔다고 합니다.

 

 

※ 제가 사용하고 있는 SSD를 해석해 보겠습니다.

제품명 : CRUCIAL MX300 1T (용량 1TB)

가격 : 약 30만원 중반 (20017년)

인터페이스 : SATA3 (물리적 연결과 논리적 기능이 SATA3을 통해 이루어 집니다.)

메모리 : 3D NAND , TLC (수직 구조이며 한 기억 소자당 3비트를 저장합니다.)

TBW : 80TB (80TB 까지 데이터 기록을 보장합니다.)

MTBF : 1,500,000 (백오십만 시간 사용을 보장 합니다.)

폼팩터 : 2.5 인치 (가장 대중적인 크기 입니다.)

기능 : GC, TRIM, S.M.A.R.T, ECC, DEVSLP 

'GC·TRIM'으로 SSD 자체와 운영체제에서 데이터를 정리해주며, 'SMART·ECC'로 오류를 예측 파악 분석 보고를 지원하고, 'DEVSLP'를 통해 전력 낭비를 줄여줍니다.