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- M.2 & U.2 & PCIe / Non Volatile Memory Express (NVMe)

SSD를 위한 NVMe (Non Volatile Memory Express) 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. SATA 규격은 6Gbps (Revision 3.2)에서 지원이 확정되었으며, PCI-Express 규격은 초창기 10Gbps (2x PCIe 2.0) 대역폭으로 시작해 2018년 기준 32Gbps (4x PCIe 3.0)으로 향상되었습니다.

M.2 (4x PCIe 3.0) 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. 2018년 기준으로 최대 대역폭이 4배속 PCIe 3.0으로 고정된 M.2 / U.2와 달리 제조사의 역량에 따라 16배속 PCIe 3.0 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.

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- SATA & SATAe / Advanced Host Controller Interface (AHCI)

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.

초창기에는 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. 대다수의 하드 디스크 드라이브에 충분히 대응할 수 있는 대역폭을 갖추게 되었습니다.

이후 등장하는 SATA Revision 3.x (600MB/s)은 단순 전송속도 향상 뿐만 아니라 전력 관리, TRIM 기능 등 하드웨어를 관리할 수 있는 기능이 추가되었습니다. 또한 SSD의 대중화와 운영체제의 호응에 힘입어 호환성 위주의 IDE에서 표준화된 최신 기술을 포함하는 AHCI 프로토콜로의 전환이 대대적으로 이루어졌습니다. 하드 디스크 드라이브를 위한 개선은 기와식 자기 기록방식(SMR)을 위한 쓰기 작업의 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) / SATAe(SATA) 규격들이 지원합니다.

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- PATA / Integrated Drive Electronics (IDE)

컴팩과 코너(웨스턴 디지털 인수)가 개발한 기계식 저장장치 연결 인터페이스로 개발 당시 코드명에 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 PATA 포트가 지원하며, 브릿지 컨트롤러를 통해 SATA 규격과 호환됩니다.

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