Storage.
저장장치 - 주요 규격(Interface) 및 저장소 유형(SSD / HDD)에 따른 기술들을 소개합니다.
가열-보조 자기 기록, HDD
(HAMR)
비록 헬륨 충전 기술로 용량의 벽을 돌파하긴 했지만 일반적으로 사용하기는 힘들 뿐 더러, 플래터의 밀도 상승이 아니라 매수를 늘리는 방식이기에 근본적인 하드 디스크 기록 방식의 진화라고 보기에는 무리가 있었습니다. 당장 한계에 도달한 수직 자기 기록(PMR) 방식을 대체할 새로운 기술로는 2002년 시게이트에서 발표한 가열 보조식 자기 기록, Heat-Assisted Magnetic Recording 기법이 가장 유력합니다.
가열식이라는 이름이 붙었지만 기록할 때 초정밀 레이저의 보조를 받아 저장한 뒤 냉각하는 과정을 거쳐 비트의 자성을 더 견고하게 만드는 구조로, 작동온도는 현재의 하드 디스크 기술과 큰 차이가 없는 것(source from Seagate)으로 알려졌습니다.
HAMR 기술 도입으로 기대되는 하드 디스크 드라이브의 최대 용량은 40TB 전후입니다.
가열식이라는 이름이 붙었지만 기록할 때 초정밀 레이저의 보조를 받아 저장한 뒤 냉각하는 과정을 거쳐 비트의 자성을 더 견고하게 만드는 구조로, 작동온도는 현재의 하드 디스크 기술과 큰 차이가 없는 것(source from Seagate)으로 알려졌습니다.
HAMR 기술 도입으로 기대되는 하드 디스크 드라이브의 최대 용량은 40TB 전후입니다.
비휘발성 메모리 익스프레스, SSD
(NVMe)
SSD를 위한 Non Volatile Memory Express, NVMe 프로토콜이 새롭게 등장했습니다. 기계식 저장장치를 위한 호스트 버스 어댑터(HBA)를 거치는 것을 염두에 두고 설계된 기존 프로토콜들(IDE & AHCI)과 달리, NVMe 프로토콜은 PCI-Express 루트 컴플렉스와 직접 통신하는 것을 상정해서 설계되었기 때문에 더 빠르고 직접적인 반응을 기대할 수 있습니다.
M.2 소켓은 기본적으로 하드 디스크의 연결은 고려되지 않았으며 설계에 따라 PCI-Express(M Key) 와 SATA(B Key) 호환성을 제공합니다.
M.2 규격에 1:1 대응하는 포트 형태의 U.2 (SFF-8639) 규격도 있습니다. 논리적인 특징은 대부분 M.2와 동일하지만 물리적인 인터페이스는 SAS HD와 유사한 포트와 케이블로 SSD를 연결하는 방식입니다. 개인용 PC 보다는 대량의 스토리지를 탑재하는 데이터 센터에 주로 사용됩니다.
NVMe 프로토콜의 존재의의라고 할 수 있는 PCI-Express 슬롯에 직결하는 확장 카드형 SSD에도 적용됩니다. 최대 대역폭이 4배속 PCI-Express 수준으로 고정된 M.2 / U.2와 달리 제조사의 역량에 따라 16배속 PCI-Express 대역폭까지 확장할 수 있어 고가의 하이엔드 제품군에 어울리는 조합입니다.
*NVMe SSD는 M.2(M Key) / U.2(PCIe) / SATAe(PCIe) / PCI-Express 규격에서만 사용할 수 있습니다.
M.2 소켓은 기본적으로 하드 디스크의 연결은 고려되지 않았으며 설계에 따라 PCI-Express(M Key) 와 SATA(B Key) 호환성을 제공합니다.
M.2 규격에 1:1 대응하는 포트 형태의 U.2 (SFF-8639) 규격도 있습니다. 논리적인 특징은 대부분 M.2와 동일하지만 물리적인 인터페이스는 SAS HD와 유사한 포트와 케이블로 SSD를 연결하는 방식입니다. 개인용 PC 보다는 대량의 스토리지를 탑재하는 데이터 센터에 주로 사용됩니다.
NVMe 프로토콜의 존재의의라고 할 수 있는 PCI-Express 슬롯에 직결하는 확장 카드형 SSD에도 적용됩니다. 최대 대역폭이 4배속 PCI-Express 수준으로 고정된 M.2 / U.2와 달리 제조사의 역량에 따라 16배속 PCI-Express 대역폭까지 확장할 수 있어 고가의 하이엔드 제품군에 어울리는 조합입니다.
*NVMe SSD는 M.2(M Key) / U.2(PCIe) / SATAe(PCIe) / PCI-Express 규격에서만 사용할 수 있습니다.
3D 크로스포인트, SSD
(3D XPoint)
기와식 자기 기록, HDD
(SMR)
Shingled Magnetic Recording, 시게이트에서 최초로 상용화된 이후 다수의 하드 디스크 제조사들이 사용하고 있는 다층 기록 방식입니다. 과거에는 트랙간의 간섭을 배제하기 위해 따로 분리구간을 두었지만, 헤드 기술의 발전으로 더욱 좁은 자기층을 읽을 수 있게 되면서 데이터 읽기를 위한 최소한의 폭만 남기고 데이터 기록면의 일부를 겹쳐써서 저장 밀도를 높이는 방법입니다.
일반적으로 기존의 기록 방식에 비해 약 25% 가량의 추가 용량을 기대할 수 있습니다. 데이터를 기록할 트랙면에 겹쳐 쓴 데이터가 존재할 경우, 해당 데이터를 캐시 메모리에 저장해두고 기록할 데이터까지 포함하여 다시 쓰기 작업을 수행하기 때문에 순간적인 쓰기 속도는 느린 편 입니다.
단, 일반적인 컴퓨팅은 쓰기보다 읽기 속도에 영향을 많이 받는 편이고 연속 쓰기 작업에서는 체감적인 성능차이가 크지 않아 우수한 가격대비 용량을 기대할 수 있습니다.
일반적으로 기존의 기록 방식에 비해 약 25% 가량의 추가 용량을 기대할 수 있습니다. 데이터를 기록할 트랙면에 겹쳐 쓴 데이터가 존재할 경우, 해당 데이터를 캐시 메모리에 저장해두고 기록할 데이터까지 포함하여 다시 쓰기 작업을 수행하기 때문에 순간적인 쓰기 속도는 느린 편 입니다.
단, 일반적인 컴퓨팅은 쓰기보다 읽기 속도에 영향을 많이 받는 편이고 연속 쓰기 작업에서는 체감적인 성능차이가 크지 않아 우수한 가격대비 용량을 기대할 수 있습니다.
3차원 수직구조 낸드, SSD
(3D V-NAND)
헬륨 충전 · 밀폐 드라이브, HDD
(HelioSeal)
하드 디스크 내부에 공기에 비해 가볍고 안전한 헬륨을 충전시켜 하드디스크 내부에서 발생하는 마찰 저항을 줄이는 설계 방식입니다.
하드 디스크는 고속으로 회전하는 플래터에 의해 발생하는 진동과 기체 마찰을 버티면서 회전수를 유지해야 하는데, 헬륨은 공기에 비해 분자량이 적고 반응성도 낮아 마찰 저항을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 따라서 플래터의 회전에 따른 진동과 발열은 물론이고 스핀들 모터가 필요로 하는 전력량까지 최소화 할 수 있게 되었습니다.
최종적으로는 내장되는 플래터의 수량을 대폭 늘릴 수 있게 되어 4TB 이후로 정체되어 있던 하드 디스크의 최대 용량을 단숨에 6~14TB 수준으로 늘렸습니다.
하드 디스크는 고속으로 회전하는 플래터에 의해 발생하는 진동과 기체 마찰을 버티면서 회전수를 유지해야 하는데, 헬륨은 공기에 비해 분자량이 적고 반응성도 낮아 마찰 저항을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 따라서 플래터의 회전에 따른 진동과 발열은 물론이고 스핀들 모터가 필요로 하는 전력량까지 최소화 할 수 있게 되었습니다.
최종적으로는 내장되는 플래터의 수량을 대폭 늘릴 수 있게 되어 4TB 이후로 정체되어 있던 하드 디스크의 최대 용량을 단숨에 6~14TB 수준으로 늘렸습니다.
어드밴스드 포맷
(AF)
Advanced Format, 웨스턴 디지털의 주도 하에 512B 단위로 이루어지는 기존의 섹터 구조를 4KB로 확장시켜 저장 밀도를 늘린 규격입니다.
하드 디스크의 기록은 단순히 데이터만으로 이루어지지 않고 일정 구간마다 에러 검출 정보(ECC)와 동기화 주소, 섹터 구분을 위한 여백 등이 존재하기 때문에 용량이 늘어날수록 낭비되는 구간이 늘어나는 문제를 효율적으로 보정하려는 목적이었습니다.
비스타(Vista) 이상의 운영체제는 512B 와 4KB 섹터의 호환성을 갖췄으며, 윈도우 8 이후의 운영체제들은 4KB 섹터 구조에 최적화되어 있습니다.
AF 기반의 저장장치는 Windows XP 이하의 구형 운영체제에서 사용할 경우 가상으로 512B 섹터를 구현하는 에뮬레이션 작업이 필요하며, 구형 운영체제에서 사용된 적이 있다면 AF 기반 저장장치라도 파티션과 섹터를 일치 시켜주는 재배치(Align) 작업이 권장됩니다.
하드 디스크의 기록은 단순히 데이터만으로 이루어지지 않고 일정 구간마다 에러 검출 정보(ECC)와 동기화 주소, 섹터 구분을 위한 여백 등이 존재하기 때문에 용량이 늘어날수록 낭비되는 구간이 늘어나는 문제를 효율적으로 보정하려는 목적이었습니다.
비스타(Vista) 이상의 운영체제는 512B 와 4KB 섹터의 호환성을 갖췄으며, 윈도우 8 이후의 운영체제들은 4KB 섹터 구조에 최적화되어 있습니다.
AF 기반의 저장장치는 Windows XP 이하의 구형 운영체제에서 사용할 경우 가상으로 512B 섹터를 구현하는 에뮬레이션 작업이 필요하며, 구형 운영체제에서 사용된 적이 있다면 AF 기반 저장장치라도 파티션과 섹터를 일치 시켜주는 재배치(Align) 작업이 권장됩니다.
차지 트랩 플래시, SSD
(CTF)
수직 자기 기록, HDD
(PMR)
Perpendicular Magnetic Recording, 플래터의 자기장을 수직 방향으로 구성해 기록 밀도를 높인 방식으로 수평 자기 기록 방식의 하드디스크에 비해 기록밀도나 데이터 보존능력이 뛰어납니다.
LMR 방식에 비해 밀도가 높아진만큼 플래터에서 정보를 읽고 쓰는 헤드 또한 더 정밀하고 복잡한 모노폴(Monopole) 방식으로 바뀌게 되었으며, 수직 자기 신호를 효과적으로 전달하기 위한 보강층(Addtional Layer)이 추가되기 때문에 플래터가 다소 두꺼운 편 입니다.
일본 토호쿠 대학 교수에 의해 최초로 개발되어 도시바(Toshiba)에서 첫 상용화 제품을 출시했습니다. 당시에는 160-250GB 전후의 하드 디스크 드라이브가 대중화될 즈음이었으며, 후기 하드 디스크 드라이브들은 모두 PMR 방식으로 만들어지기 시작해 약 2TB에 달하는 용량까지 순조롭게 발전하게 됩니다.
LMR 방식의 하드디스크가 완전히 도태된 이후에는 SMR과 구분을 위해 CMR(Conventional Magnetic Recording)로 지칭되고 있습니다.
LMR 방식에 비해 밀도가 높아진만큼 플래터에서 정보를 읽고 쓰는 헤드 또한 더 정밀하고 복잡한 모노폴(Monopole) 방식으로 바뀌게 되었으며, 수직 자기 신호를 효과적으로 전달하기 위한 보강층(Addtional Layer)이 추가되기 때문에 플래터가 다소 두꺼운 편 입니다.
일본 토호쿠 대학 교수에 의해 최초로 개발되어 도시바(Toshiba)에서 첫 상용화 제품을 출시했습니다. 당시에는 160-250GB 전후의 하드 디스크 드라이브가 대중화될 즈음이었으며, 후기 하드 디스크 드라이브들은 모두 PMR 방식으로 만들어지기 시작해 약 2TB에 달하는 용량까지 순조롭게 발전하게 됩니다.
LMR 방식의 하드디스크가 완전히 도태된 이후에는 SMR과 구분을 위해 CMR(Conventional Magnetic Recording)로 지칭되고 있습니다.
고급 호스트 컨트롤러 인터페이스
(AHCI)
직렬 ATA 포트(SATA) 규격은 병렬 ATA가 다중 신호 처리에 따른 오버헤드 증가 및 케이블간 신호 간섭 등 기술적인 한계를 보이면서 새롭게 고안된 규격입니다. 대표적인 특징은 PATA 시절의 거대한 40핀 리본 케이블 대신 7핀 케이블을 사용해 저장장치와 포트간 케이블 연결이 한결 간편해졌다는 점을 꼽을 수 있습니다.
초기에는 UDMA6 (150MB/s) 기반으로 포트의 형태만 바뀌는 수준에 그쳤지만, 이후 네이티브 커맨드 큐잉(NCQ) 기술을 도입한 저장장치가 등장하고 전송속도를 두 배로 향상시킨 SATA Revision 2.0 (300MB/s)이 발표됩니다. 이 때 대다수의 고속 하드 디스크 드라이브도 충분히 대응할 수 있는 대역폭을 갖추게 되었습니다. 이후 등장하는 SATA Revision 3.x (600MB/s)은 단순 전송속도 향상 뿐만 아니라 전력관리, TRIM 등 하드웨어 레벨에서 자가진단 및 제어까지 할 수 있는 기능이 추가되었습니다.
또한 SSD의 대중화와 운영체제의 호응에 힘입어 호환성 위주의 IDE에서 최신 기술들을 포함한 Advanced Host Controller Interface, AHCI 프로토콜로의 전환이 대대적으로 이루어졌습니다. 하드 디스크 드라이브를 위한 개선은 기와식 자기 기록방식(SMR)을 위한 쓰기 작업 최적화가 이루어졌습니다.
한편 6Gbps SATA 대역폭을 능가하는 SSD들이 출시되면서 대역폭 한계를 해결하기 위해 2x PCI-Express 레인을 추가한 SATA-Express 규격이 출범했지만, 최대 대역폭과 포트 및 케이블의 편의성이 M.2 규격에 비해 뒤처져 빠르게 도태되었습니다.
*AHCI 저장장치는 SATA / PCI-Express / M.2(B Key) / SATA-Express 규격들이 지원합니다.
초기에는 UDMA6 (150MB/s) 기반으로 포트의 형태만 바뀌는 수준에 그쳤지만, 이후 네이티브 커맨드 큐잉(NCQ) 기술을 도입한 저장장치가 등장하고 전송속도를 두 배로 향상시킨 SATA Revision 2.0 (300MB/s)이 발표됩니다. 이 때 대다수의 고속 하드 디스크 드라이브도 충분히 대응할 수 있는 대역폭을 갖추게 되었습니다. 이후 등장하는 SATA Revision 3.x (600MB/s)은 단순 전송속도 향상 뿐만 아니라 전력관리, TRIM 등 하드웨어 레벨에서 자가진단 및 제어까지 할 수 있는 기능이 추가되었습니다.
또한 SSD의 대중화와 운영체제의 호응에 힘입어 호환성 위주의 IDE에서 최신 기술들을 포함한 Advanced Host Controller Interface, AHCI 프로토콜로의 전환이 대대적으로 이루어졌습니다. 하드 디스크 드라이브를 위한 개선은 기와식 자기 기록방식(SMR)을 위한 쓰기 작업 최적화가 이루어졌습니다.
한편 6Gbps SATA 대역폭을 능가하는 SSD들이 출시되면서 대역폭 한계를 해결하기 위해 2x PCI-Express 레인을 추가한 SATA-Express 규격이 출범했지만, 최대 대역폭과 포트 및 케이블의 편의성이 M.2 규격에 비해 뒤처져 빠르게 도태되었습니다.
*AHCI 저장장치는 SATA / PCI-Express / M.2(B Key) / SATA-Express 규격들이 지원합니다.
플로팅 게이트, SSD
(FG)
통합 드라이브 전자장치
(IDE)
Integrated Drive Electronics, 컴팩과 코너(웨스턴 디지털 인수)가 개발한 기계식 저장장치 연결 인터페이스로 개발 당시 코드명을 따라 IDE로 불리기도 합니다.
IBM이 주도했던 AT(Advanced Technology) 폼팩터 초기의 하드 디스크는 ISA 확장 슬롯에 하드 디스크를 얹은 모양을 하고 있었습니다. 그러나 굳이 하드 디스크를 진동에 취약한 슬롯 장착을 고집하는 대신 ISA 버스와 연결되는 새로운 인터페이스를 만들고, 주력 플로피 드라이브와 유사한 규격의 하우징으로 드라이브 베이에 고정할 수 있도록 개발을 시작합니다. 이러한 시도가 성공적으로 자리잡으면서 오늘날 흔히 접할 수 있는 하드 디스크 드라이브의 형태가 갖춰지게 되었습니다.
전송 프로토콜인 Ultra DMA(UDMA) 또한 여러차례 개정되었습니다. 비교적 저속이던 33MB/s(UDMA2)까지는 40선 리본 케이블을 사용했지만, 전송속도가 66MB/s(UDMA4)를 넘어서는 시점에서 케이블 신호 간섭(Crosstalk)현상이 발생해 접지선이 추가된 80선 리본 케이블을 사용하기 시작합니다.
고밀도 케이블로 한 숨 돌리긴 했지만 다음 개선에서도 재발할 수 있는 기술적인 한계등을 고려해 차기 규격인 직렬 ATA(SATA)로 대체됩니다. 인터페이스와 별개로 광 디스크 드라이브(ODD)처럼 적절한 가격에 호환성을 보다 중시하는 저속 저장장치를 위해 전송 프로토콜은 IDE라는 개발명칭으로 유지되고 있습니다.
*IDE 저장장치는 대부분 PATA 규격으로 제공되며, 브릿지 컨트롤러를 통해 SATA 규격과 호환됩니다.
IBM이 주도했던 AT(Advanced Technology) 폼팩터 초기의 하드 디스크는 ISA 확장 슬롯에 하드 디스크를 얹은 모양을 하고 있었습니다. 그러나 굳이 하드 디스크를 진동에 취약한 슬롯 장착을 고집하는 대신 ISA 버스와 연결되는 새로운 인터페이스를 만들고, 주력 플로피 드라이브와 유사한 규격의 하우징으로 드라이브 베이에 고정할 수 있도록 개발을 시작합니다. 이러한 시도가 성공적으로 자리잡으면서 오늘날 흔히 접할 수 있는 하드 디스크 드라이브의 형태가 갖춰지게 되었습니다.
전송 프로토콜인 Ultra DMA(UDMA) 또한 여러차례 개정되었습니다. 비교적 저속이던 33MB/s(UDMA2)까지는 40선 리본 케이블을 사용했지만, 전송속도가 66MB/s(UDMA4)를 넘어서는 시점에서 케이블 신호 간섭(Crosstalk)현상이 발생해 접지선이 추가된 80선 리본 케이블을 사용하기 시작합니다.
고밀도 케이블로 한 숨 돌리긴 했지만 다음 개선에서도 재발할 수 있는 기술적인 한계등을 고려해 차기 규격인 직렬 ATA(SATA)로 대체됩니다. 인터페이스와 별개로 광 디스크 드라이브(ODD)처럼 적절한 가격에 호환성을 보다 중시하는 저속 저장장치를 위해 전송 프로토콜은 IDE라는 개발명칭으로 유지되고 있습니다.
*IDE 저장장치는 대부분 PATA 규격으로 제공되며, 브릿지 컨트롤러를 통해 SATA 규격과 호환됩니다.
수평 자기 기록, HDD
(LMR)
Longitudal Magnetic Recording, IBM이 최초로 개발한 하드 디스크 드라이브의 원형에 사용되었던 기술입니다.
하드 디스크 드라이브의 데이터를 기록하는 원판인 플래터(Platter)에 수평 방향의 자기장을 형성해 데이터를 저장합니다. 약 4.8MB 전후의 용량으로 시작해 120-160GB 용량까지 순조롭게 발전을 거듭했지만, 밀도가 높아지면서 근접한 트랙들이 서로 간섭을 일으켜 자성(데이터)을 상실하는 초상자성 한계에 부딪혀 수직 자기 기록(PMR) 방식으로 대체되었습니다.
트랙간의 자성 간섭을 피하기 위해 자기 기록면이 상대적으로 넓은 편이라 둥근 고리형태의 자성을 띠는 헤드(Head)를 사용했습니다.
하드 디스크 드라이브의 데이터를 기록하는 원판인 플래터(Platter)에 수평 방향의 자기장을 형성해 데이터를 저장합니다. 약 4.8MB 전후의 용량으로 시작해 120-160GB 용량까지 순조롭게 발전을 거듭했지만, 밀도가 높아지면서 근접한 트랙들이 서로 간섭을 일으켜 자성(데이터)을 상실하는 초상자성 한계에 부딪혀 수직 자기 기록(PMR) 방식으로 대체되었습니다.
트랙간의 자성 간섭을 피하기 위해 자기 기록면이 상대적으로 넓은 편이라 둥근 고리형태의 자성을 띠는 헤드(Head)를 사용했습니다.
