NVMe SSD 시대에 돌아보기, SSD와 HDD의 차이는?

AMD가 라이젠 3000 시리즈로 메인스트림 PC의 PCIe 4.0 시대를 연데 이어 인텔에서도 PCIe 4.0 시대를 여는 11세대 코어 프로세서 로켓 레이크를 내놓을 예정이다. 처음 PCIe 4.0이 도입될 때는 그래픽 카드쪽에서 크게 수해를 바들 것으로 기대를 모았지만 현실은 PCIe 2.0 x16(PCIe 3.0 x8) 대역폭으로도 결정적인 성능 차이가 없다는 사실이 검증되면서, VGA 쪽에서는 아직 큰 의미가 없다는 쪽으로 결론 났다.

그에 반해 한참 전부터 이야기되어온 빅 데이터를 비롯해 새롭게 주목받는 인공 지능과 머신 러닝처럼 대용량 데이터를 빠르게 저장하고 읽어들여야 하는 SSD가 PCIe 4.0의 수혜를 받는 제품으로 꼽히고 있다. 

일반적인 게이머 수준에서는 게임 로딩이 빨라지고 녹화/ 편집 안정성이 높아지는 정도에서 체감할 수 있을텐데, 라이젠 3000 시리즈 출시 당시 나왔던 1세대 컨트롤러에 이어 2세대 컨트롤러를 단 SSD들이 발표되면서 어디까지 성능을 끌어낼 수 있을지 기대를 모으고 있다.

이제 AMD와 인텔 플랫폼 모두 PCIe 4.0 시대를 앞두고, 오랫만에 PC 스토리지의 양대 산맥인 SSD와 HDD에 대해 조금은 원론적인 이야기를 해보고자 한다.

 

■ HDD = 플래터 / SSD = 전자로 읽고 쓰다

SSD 가격이 GB당 100원 대까지 떨어진데다, 여러 업체들을 통해 무료 클라우드 서비스가 제공되면서 HDD를 빼고 SSD만으로 PC를 꾸미는 사용자도 늘고 있다고는 하지만, HDD는 SSD와 함께 여전히 스토리지 계의 양대 산맥으로 꼽히고 있다.

HDD와 SSD의 차이점을 꼽자면 가장 큰 것이 바로 기록 방식이다. 

HDD는 자성 기록 물질이 코팅된 플래터라는 전용 원반에 헤드를 이용해 자료를 읽고 쓰는 물리적 기록 장치다. 때문에 기존 자료 위에 덮어 쓴다 해도 성능 저하가 없는 대신, 모터로 돌리는 플래터 및 헤드의 이동 속도, 플래터에 코팅된 자성 물질의 밀도 정도가 성능에 영향을 미친다.

이런 구조적 한계로 고성능 = [고속 회전 = 고발열] / 고용량 = [플래터 밀도 or 숫자 증가 / 폼펙터의 물리적 한계] 라는 특성에서 벗어나기 어려워 한계 이상의 속도를 내기 어렵고, 정해진 폼펙터 안에 플래터를 쌓아야 하기 때문에 무작정 용량을 높이기도 어려운 것이 HDD의 특징이다.

기록 밀도와 성능을 높이기 위해 HAMR(Heat-Assisted Magnetic Recording)이나 MAMR(Microwave-Assisted Magnetic Recording), SMR, 헬륨 충전, 듀얼 엑츄에이터 등의 신기술이 개발되고 있지만, 하나 하나가 쉽지 않은 상황이다.  

마이크론 크루셜 P1 M.2 NVMe 대원 CTS

반면, SSD는 셀(Cell)이라 부르는 최소 기록 단위를 구성하는 플로팅 게이트에 전자를 가두고 풀어주는 방식으로 자료를 기록하고, 전기가 끊겨도 플로팅 게이트의 전자가 방전되지 않도록 플로팅 게이트 주변을 산화 막으로 차단하는 비휘발성 반도체 기반 기록 매체다.

HDD와 달리 물리적인 구동 부위가 없기 때문에 SSD는 전자가 저장된 셀의 상태를 바로 읽기 때문에, 레이턴시가 10~20ms(ms, 백분의 일 초) 대인 HDD에 비해 SSD는 0.xxms 대로 매우 빠르다. HDD는 계속 자료를 쓰고 지우다보면 흔히 자료가 '조각'나고 구역별로 성능이 차이나는데다 레이턴시 증가로 이어지는 것과 달리, SSD는 역시 파일 조각화는 피할 수 없지만 반도체 특성상 이로인한 성능 하락은 없다고 봐도 무방하다.

이러한 특성은 초기 SSD의 스펙 성능은 HDD와 비슷한 수준임에도 체감 성능이 훨씬 빠른 주 요인이었으며, 최근에는 아직도 200MB/s 초중반 대에 머무는 HDD보다 20배 이상 빠른 5000MB/s 이상의 성능을 내주기도 한다. 그것도 2.5" SSD의 약 1/6 크기로 말이다.

게다가 물리적으로 동작하는 기계 부품이 없어 내구성이나 소음을 걱정할 필요가 없고, 소비전력과 발열에도 잇점을 갖고 있다.

물론 대원 CTS서 국내 유통하는 마이크론 크루셜의 PCIe 3.0 NVMe M.2 SSD인 P5 시리즈 같은 고성능 SSD라면, 고성능을 내기 위해 동작 속도가 빨라지는 과정에서 열이 발생하므로 방열판 같은 적절한 냉각 조치를 취해줄 필요가 있다. 

HDD와 비교했을 때 SSD의 또 다른 차이점을 꼽자면 덮어쓰기 방식을 들 수 있다.

HDD는 해당 위치의 자성물질 배열을 바꾸는 방식으로 자료를 기록하기에 해당 위치에 자료를 덮어쓰거나, 자료가 삭제된 자리에 쓸 때 성능 영향이 없는 반면, SSD는 SSD는 데이터를 덮어 쓰거나, 기존에 삭제된 자료가 위치하던 셀에 쓰기  작업을 할 때 전자 상태를 초기화 하는 과정이 필요하기에, 경우에 따라 쓰기 작업 시 성능 손해를 보게 된다.

이런 SSD의 문제는 삭제된 자료의 셀에 자료를 덮어 쓸 때의 성능 저하는 OS나 SSD 툴에서 제공하는 트림(TRIM) 혹은 가비지 컬렉션(Garbage Collection)이라는 기술을 도입해 해결했다. 이들 기술은 삭제 명령이 떨어진 데이터가 포함된 셀의 전자 상태를 유휴 상태일 때 초기화 하는 것으로, 윈도우 계열은 7 부터, 맥 OS는 10.6.6부터 지원한다.

때문에 최신 PC에서는 삭제된 자료가 있던 셀에 덮어쓰기 할 때의 성능 저하는 신경 쓸 필요가 없겠지만, 기존 자료에 덮어쓰거나 미처 트림이 이뤄지지 않은 상태에서의 덮어 쓰기는 어쩔 수 없이 일정 부분 손해를 보게 된다.

참고로, 윈도우 10에서는 OS 차원에서 드라이브 최적화 기능을 통해 수동으로 트림 작업을 하거나 자동 트림 주기를 설정할 수 있다. 

앞서 이야기한 HDD와 SSD의 특징적인 내용들을 일반적인 관점에서 차트로 비교했다. 물론 같은 HDD 또는 SSD라는 카테고리로 분류된다 해도 그 안에는 천차만별인 제품들이 나와 있어 비교군에 따라 위 차트의 내용과 다를 수 있으니, HDD와 SSD의 일반적인 특징을 이해하는 용도로 참고하기 바란다.

 

■ 리테일 SSD 시장의 활성화에는 어떤 배경이?

2008년 출시된 마이크론 크루셜 SSD, 당시 최대 64GB 용량에 100MB/s의 성능을 발휘했다

그렇다면 우리가 알고 있는 SSD는 언제, 어떻게 등장한 것일까?

SSD 역시 대부분의 신기술과 마찬가지로 초기에는 연구소나 기업 등의 엔터프라이즈 시장 대상으로 나왔고, 현재의 낸드 플래시 원리에 가까운 물건의 근원은 1980년대까지 거슬로 올라가지만, 현재의 낸드 플래시 기반 SSD는 1991년 처음 등장한 것으로 알려졌다.

당시 제품은 노트북을 위한 PCMCIA 인터페이스에 20MB 용량을 갖췄고, 가격은 무려 1000달러에 달했다. 아무래도 일반 소비자를 겨냥한 제품으로 보기는 어려운데, 마침 2000년대 초반에는 USB 2.0의 등장과 함께 이동형 스토리지 매체의 중심이 SSD에 사용되는 낸드 플래시 기반 USB 드라이브로 넘어가던 시기였고, 인텔은 샌트리노라는 규격으로 노트북 플랫폼을 체계화한 시기이기도 하다.

인텔 센트리노는 이후 울트라씬/ 북에 이어 프로젝트 아테나를 거쳐 이보(EVO) 플랫폼으로 진화하지만 이는 또 다른 이야기. 

어쨌든, 일반인 대상 SSD 출시 초기를 기억한다면 마이크론 크루셜과 같은 초기 SSD 제조업체들이 HDD와 노트북에 소음과 발열, 배터리 시간을 늘려주고, 높은 신뢰성을 제공한다고 비교한 것을 많이 접했을 것이다.

SSD는 특성상 데스크탑보다 노트북 플랫폼에서 더욱 유용한 것이 사실인데, 인텔의 센트리노를 통해 노트북 플랫폼이 체계화되면서 그에 어울리는 스토리지로 주목받은 SSD는 초기부터 2.5" 폼펙터로 등장해 왔다.

좀처럼 고장나지 않는다고 좀비 SSD라 불리는 크루셜 MX500 대원 CTS 시리즈의 개발사인 마이크론이 최초로 내놓은 소비자용 SSD인 '크루셜 SSD'도 2.5" 폼펙터로 디자인 되었다. 

SL와 MLC의 셀 당 저장 용량 차이, 사진 : 위키미디아

2000년대 후반 SSD의 대중화에는 셀 당 1bit 자료 저장이 가능한 SLC를 이어 2bit 저장이 가능한 MLC 낸드 플래시가 SSD에 사용되면서 가격과 용량이 대폭 개선되었고, 샌드포스와 JMicron, 인디링스 같은 서드파티 SSD 컨트롤러 개발/ 판매업체도 등장하면서 SSD 출시 업체들이 우후죽순처럼 등장한 것도 가격 안정화에 큰 영향을 끼친 것으로 판단된다.

결과적으로, 여전히 HDD에 비할바는 아니지만 여러 요건이 겹치면서 2000년 대 후반 SSD의 가격대 용량비는 120GB 용량 제품이 약 40만원 중후반대였던 것이 2010년 초반에는 250GB 모델이 20만원 대까지 떨어지면서 대중화의 길에 접어든 것.

그렇다면 2000년대 후반부터 본격적으로 리테일 시장에 문을 두드린 SSD의 발전에는 어떤 이야기들이 숨겨져 있을까? 이와 관련된 내용은 다음 기사에서 다뤄보겠다.


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