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데이터 백업 및 저장용으로 인기 높은 HDD… 최신 기술로 HDD만의 매력 뽐내데이터 안정성을 높이기 위한 갖가지 기술로 무장한 HDD
이준문 기자  |  jun@newstap.co.kr
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승인 2017.05.25  10:20:42
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◆ SSD의 맹추격에도 HDD 인기는 지속
SSD 가격 경쟁력이 HDD를 곧 추월할 것이라는 전망이 곳곳에서 나오고 있지만 폭발적으로 늘어나는 데이터를 모두 SSD에 담기에는 역부족이다. 전세계에서 소비하는 데이터의 양은 연간 40% 이상 증가하고 있으며, 2020년이 되면 전 세계 데이터 총량은 40제타바이트에 이를 것이라는 전망이 이를 뒷받침하고 있다. 일반 가정의 경우 2014년까지만 해도 평균 1년 동안 2TB 데이터를 생산했지만 2020년에는 10TB까지 증가할 것으로 업계는 내다보고 있다. HDD 종말이 코 앞으로 다가왔음을 예고하고 있지만 저렴한 가격에 데이터를 마음껏 저장할 수 있는 HDD의 인기는 쉽게 꺼지지 않을 것으로 보인다.

   
▲ 이미지 출처 : HGST

당장 우리 주변만 봐도 HDD는 여전히 현역으로써 인기가 높음을 실감할 수 있다. 대용량 데이터를 담기에는 이만한 저장장치도 없기 때문이다. 이미 HDD 세계에서 흔한 용량이 된 1TB HDD는 인터넷 최저가 기준으로 4만원 후반 대에 불과하다. 반면 비슷한 용량의 SSD는 30만원이 훌쩍 넘는다. 마음은 당장 SSD로 모두 교체하고 현실은 그렇지 못하다. 가정에서 쓰고 있는 데스크톱PC나 노트북PC를 보더라도 그렇다. 속도 개선을 위해 C드라이브만 128GB 또는 256GB SSD를 장착할 뿐 부족한 공간은 결국 HDD로 메꾼다. 설치 공간이 부족한 노트북은 외장 HDD로 해결한다. SSD가 제아무리 가격이 내려갔다고는 하지만 결국 용량대비 비용을 고려하면 HDD를 선택할 밖에 없다.

NAS 등 데이터 백업 및 보관용으로 ‘HDD’ 선호
SSD에 밀려 역할이 일부 축소되기는 했으나 HDD는 여전히 많은 곳에서 맹활약을 나타내고 있다. 비록 C드라이브 자리를 SSD에 내줬지만 4k 초고해상도 영상을 마음껏 담을 수 있는 것은 HDD의 몫이다. 필요하다면 케이스를 씌워 외장형으로도 쓴다. 이동 및 보관이 쉽고, PC간 데이터 교환도 간단하다. USB3.0 인터페이스를 이용하면 읽고 쓰는 속도도 매우 빠르다.

요즘 HDD가 가장 활발하게 쓰이고 있는 분야는 단연 NAS이다. NAS는 여러 개의 HDD를 묶은 네트워크 스토리지이다. 대용량의 데이터 백업 및 공유가 주목적이다 보니 여전히 HDD를 선호하고 있다. 특히 NAS의 하드웨어 특성을 반영한 NAS 전용 HDD가 등장하면서 HDD는 다시 한번 재조명을 받고 있다. 영상 감시(CCTV) 시스템에서도 HDD는 절대적인 위치에 있다. 24시간 상시 작동이 필요한 보안감시 시스템의 특성을 반영한 전용 HDD도 나오고 있다.

   
▲ NAS에서는 데이터의 무결성 및 신뢰성을 위해 HDD의 선택이 매우 중요하다.

달라진 HDD의 역할… HGST, 최신 기술로 SSD와 차별화
이처럼 HDD가 데이터 백업과 보관, 그리고 NAS를 이용한 데이터의 공유에 역할이 집중되면서 HDD에 요구되는 성능이나 기능도 달라지고 있다. 데이터를 지키기 위한 안정성이 더욱 강조되고 있으며, 기록밀도를 획기적으로 높이기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다. 소비전력도 민감한 이슈 사항이며, SSD와 비교해 취약점인 속도도 HDD가 풀어야 할 숙제이다.

그러면 HDD 업계는 이를 위해 어떤 기술을 사용하고 있을까? HDD 브랜드 중 하나인 HGST HDD에 탑재된 주요 기술들을 살펴봄으로써 HDD 기술의 현주소를 되짚어 봤다. 우리가 한때 ‘히타치 하드’라고 불렀던 HGST(Hitachi Global Data Storage) HDD는 전신인 IBM이 1956년 세계 최초 HDD를 개발할 정도로 스토리지 분야에서는 역사가 깊은 브랜드이다. 최근에는 온라인 스토리지 서비스를 제공하는 한 업체의 HDD 신뢰성 보고서를 통해 수년간 운용된 HDD 중 HGST 제품이 고장률이 가장 낮은 것으로 나타났다. ‘HGST=안정성’이라는 공식이 소비자 뇌리에 자연스럽게 새겨지면서 NAS와 영상감시시스템, 엔터프라이즈 환경은 물론이고, 일반 데스크톱PC 환경에서도 많이 사용되고 있다.

충격과 진동, 고주파 간섭 등으로 데이터 무결성을 지켜주는
‘HGST TrueTrack Servo Technology’

HDD의 신뢰성을 높이고 충격과 진동으로부터 드라이브의 견고성을 높이며 시스템 통합을 용이하게 하는 서보 기술이다. HGST가 40년이 넘는 HDD 제조 및 설계 기술을 바탕으로 1997년 취득한 특허기술이기도 하다. 현재 데이터의 무결성 및 견고성을 위해 HDD 업계에서 널리 사용되고 있다. 더 넓은 온도 범위에서 안정적인 작동을 보장하며, 진동이 헤드의 정확한 위치에 미치는 영향을 최소화한다. 시간에 따른 진동 또는 디스크 변화에 적응함으로써 HDD의 견고성을 극적으로 향상시킨다.

대표적인 HGST의 특허기술
‘Ramp Load/Unload’

HGST가 최초로 구현한 특허 기술로, HDD의 헤드와 플래터가 접촉함으로써 마모로 인한 수명 단축 문제를 해소한다. 회전하는 플래터 위에 계속 헤드가 놓여있는 것이 아니라 필요에 따라 헤드를 로드/언로드 하는 방식이다. LP판과 턴테이블로 음악을 듣던 시절을 생각하면 이해가 쉽다. 하드디스크의 플래터에 해당하는 LP판을 턴테이블 위에 놓은 후 헤드에 해당하는 바늘을 그 위에 올리고 내림으로써 음악을 들을 수 있는 것과 동작 방식이 비슷하다. 내구성을 높이고, 보다 높은 저장 용량을 확보할 수 있으며, 전력소비가 감소되는 등 다양한 효과를 제공한다.

   
 
고밀도 HDD를 위한 핵심 기술
‘유체 다이내믹 베어링 스핀들 모터(Fluid Dynamic Bearing Spindle Motors)’

디스크가 빠르게 회전하며 데이터를 읽고 쓰는 HDD에서 스핀들 모터는 핵심 부품에 속한다. 과거에는 볼 베어링 방식의 스핀들 모터를 사용했다. 볼 타입(쇠구슬)의 베어링이 빠르게 회전하는 모터 내부의 마찰을 줄여주는 역할을 하는데 이때 마찰에 의한 소음과 진동이 발생되면서 NRRO(Non Repeatable Run Out) 문제를 일으킨다. 이러한 진동은 HDD의 트랙밀도를 높이는데 장애 요인이 되기도 한다. 또한 볼 마모로 수명 단축 등 2차적인 문제도 나타나 지금은 유체 베어링을 사용하고 있는 추세이다. 유체 베어링은 볼 대신 윤활유가 베어링 역할을 하며, 축이 회전하면 윤활유의 유속이 증가하고, 점성의 변화로 압축과 반발 압력이 생기면서 축이 원활하게 돌아갈 수 있도록 완충 효과를 낸다. 고속으로 회전할수록 안정감이 높아지고, 소음과 진동도 적다.

   
▲ 기존 볼 베어링 방식 모터(위)와 유체 다이내믹 베어링 스핀들 모터(아래)

오류 최소화를 위한
‘종단간 데이터 보호(End-to-end Data Protection)’

SAS 및 파이버 채널 HDD에 적용되는 기능으로, 컴퓨터 시스템으로부터 HDD까지 전체 경로를 포괄하는 오류 탐지 기능이다. 데이터 보호 정보가 함께 포함되며, 스토리지 시스템을 통해 데이터가 이동하면서 오류 여부를 확인한다.

   
 
보다 정밀한 헤드 제어 기술로 에러 발생 최소화
‘듀얼 스테이지 액츄에이터(Dual-Stage Actuator)’

HDD의 데이터 밀도를 높이기 위해서는 디스크에 저장된 정보를 나타내는 0과 1 비트의 크기를 줄이고, 동심 트랙 사이 간격을 줄이면 된다. HDD의 용량 늘리는 가장 간단한 방법 중 하나이다. 다만 문제는 데이터가 너무 촘촘하게 자리잡고 있다 보면 데이터를 읽고 쓰는 과정에서 오류가 발생될 수 있다. 예를 들면 노트북에서 음악을 듣는 경우이다. 내장 스피커에서 발생되는 미세한 진동이 헤드 트랙 정렬에 영향을 줘 정확한 헤드 제어가 불가능해진다.

보통 HDD의 헤드는 하나의 액츄에이터(Actuator)와 VCM(Voice coil motor)로 구성되어 있다. HGST가 보다 정밀한 헤드 제어를 위해 사용한 DSA(Dual-Stage Actuator) 기술은 마치 손목으로 대략의 위치를 잡고, 손가락에 의해 펜의 움직임을 정확하게 제어하는 것과 비슷한 2단계 방식으로 구동되어 정밀성을 향상시킨다.

   
▲ 밀리 액츄에이터 서스펜션 구조 및 작동

플래터의 인치당 비트 밀도 향상
‘어드밴스드 포맷(Advanced Format)’

현재의 HDD 물리적 섹터 크기인 512바이트를 보다 효율적 크기인 4096바이트(4k)로 증가시켜 데이터 저장 공간을 효율적으로 활용하는 기술이다. 아래 사진과 같이 8개의 512바이트 섹터를 8배 크기인 하나의 4096바이트로 묶게 되면 각각의 512바이트 섹터마다 들어갔던 오버헤드 사이즈가 줄어들기 때문에 같은 양의 데이터를 기록하더라도 그만큼 저장공간을 덜 차지한다. 또한 더 크고 강력한 오류수정코드(ECC)를 이용할 수 있고, 사용자의 데이터 무결성 향상 효과가 있다.

   
 
RAID 재구성 시간을 크게 단축시키는
‘Rebuild Assist Mode’

요즘은 HDD 오류로 인한 데이터 손실을 최소화하기 위해 RAID를 사용하는 경우가 많다. 사소한 오류는 종종 복구되거나 재할당되어 데이터 손실 위험을 극복한다. 그러나 심각한 오류 상태가 되면 RAID 컨트롤러는 오류가 발생한 HDD를 오프라인으로 전환하고, 추가 데이터 손실을 막기 위한 모드로 진입한다. RAID 컨트롤러는 데이터를 재구성하고, 동시에 데이터 요청에 계속 응답함으로써 피해를 최소화한다. 문제는 RAID를 재구성하는데 오랜 시간이 걸린다는 것. 게다가 요즘은 HDD의 용량이 크게 증가함으로써 RAID 재구성에도 그만큼 긴 시간이 소요된다.

재구성 시간(s) = 용량(MB) / 지속적인 전송률(MB/s)

이처럼 HDD의 용량과 RAID를 재구성 시간 사이에는 직접적인 관계가 있다. 용량이 높을수록 성능이 저하된 어레이 조건에서 재구축 시간은 길어진다. HGST는 이런 문제를 해결하기 위해 ‘Rebulid Assist’라는 업계 표준 기능을 지원한다. 고장난 드라이브의 양호한 데이터를 무시하고 나머지 정상 드라이브의 데이터를 사용하여 핫 스페어에 전체 내용을 구성하는 기존 방식과는 달리 ‘Rebulid Assist’는 오류가 있는 드라이브의 양호한 데이터를 신속하게 복사하고, 나머지 드라이브를 사용해 누락된 데이터를 재구성함으로써 시간을 크게 단축한다.

   
▲ 기존 방식의 RAID 재구성

   
▲ Rebulid Assist

빠르고 완벽하게 HDD 데이터를 초기화할 수 있는
‘ISE(Instant Secure Erase)’

최신 HGST HDD에 탑재된 기능 중 하나이다. 기존 HDD의 경우 기존 데이터를 완전히 삭제하기 위해서는 새 데이터를 덮어 써야 하지만 ISE(Instant Secure Erase) 기능을 이용하면 표준 명령 및 옵션을 사용하여 드라이브 내용을 즉각 삭제할 수 있다. 사용자가 직접 액세스할 수 없는 재할당된 블록이나 예비 블록도 효과적으로 지울 수 있다.

원리는 간단하다. HDD에 데이터를 쓰거나 읽을 때 내부적으로 암호키를 생성한다. 정상적인 드라이브 작동 중에는 모든 내부 데이터가 내부 암호키에 의해 암호화 되거나 또는 해제된다. 만일 사용자가 ISE를 실행시키면 HDD는 내부 암호키를 삭제함으로써 모든 데이터를 읽을 수 없게 만든다. 따라서 매우 효과적인 방법으로 HDD를 초기화할 수 있다.

   
 
HDD 성능 저하 최대의 적 ‘진동’ 해결을 위한
RVS(Rotational Vibration Safeguard)

HDD의 가장 큰 성능 장애 요인인 진동 문제를 해결한 기술이다. 레코드의 바늘처럼 HDD 헤드는 정보를 읽거나 쓰려면 좁은 데이터 트랙을 따라 가야 한다. 이때 진동이 발생되면 헤드가 제 위치에서 이탈해 읽기/쓰기 과정에서 지연(delay)이 발생되어 성능을 크게 떨어뜨린다. 특히 플래터가 회전하면서 발생되는 진동은 심각한 문제를 야기시킨다. 여러 개의 HDD가 나란히 장착된 시스템에서는 인접한 HDD의 진동이 전체에 영향을 미치기 때문에 드라이브 작동을 방해하고 심각한 성능 저하가 나타난다.

최근까지는 이 문제 해결을 위해 ‘feedback head position controller’를 사용했다. 드라이브 헤드는 각 트랙의 서보 정보를 계속해서 읽음으로써 올바른 위치에 있는지 확인한다. 헤드가 목표 트랙에서 벗어나면 컨트롤러는 헤드의 위치를 재조정하기 위해 신호를 생성한다. 이 과정에서 지연 문제가 발생된다.

   
▲ 기존 방식의 feedback head position controller

HGST는 이 문제를 해결하기 위해 HDD PCB에 자체 진동 센서를 장착했다. 센서에 의해 드라이브 진동이 감지되면 헤드의 위치를 조종하는 액츄에이터를 제어함으로써 성능 문제가 없도록 하고 있다.

   
▲ RVS가 적용된 feedback head position controller

   
▲ HDD의 기판에 진동 센서를 장착한다.

온도 변화에도 일관된 데이터 읽기/쓰기가 가능한
‘TFC(Thermal Fly-height Control)’

HGST가 갖고 있는 HDD에 대한 기술 특허 중 하나이다. HDD는 고도 및 온도 차이로 인해 헤드와 플래터 사이 간격이 변화하는데 이를 열부상제어(TFC) 기술을 통해 해결하고 있다. 헤드에 히터를 삽입, 열을 가함으로써 팽창해 디스크와 간격이 줄어드는 원리이다. 에러 발생을 크게 줄일 수 있으며, HDD 구동에 따른 온도 변화에 상관없이 일관된 데이터를 기록할 수 있다.

   
▲ TFC가 적용되기 전(좌)과 적용 후(우) 비교

선도적 기술로 HDD 업계 이끄는 HGST
이처럼 HGST는 HDD 구동에 필요한 원천 기술을 다수 갖고 있으며, 관련 업계에서는 이를 통해 HDD를 설계, 생산하고 있어 사실상 HDD의 표준을 이끌어 가고 있다. 국내 시장에 HGST HDD를 공급하고 있는 HGST 총판인 에스지컴퓨터 관계자는 “온갖 기술 특허가 결집된 HDD는 그동안 HGST에 의해 발전해왔다고 해도 과언이 아니다”면서 “온도와 진동 등 다양한 환경에서도 HDD의 무결성과 견고성을 향상시켜주며, 에러율도 최소화해 소비자로부터 만족도가 매우 높다”고 밝히고 있다.

이러한 HGST의 기술력은 해외 보고서에도 잘 나타나 있다. 클라우드 스토리지 서비스인 Backblaze는 정기적으로 HDD의 고장률에 대해 발표해 몇 년 전부터 국내에서도 화제가 된 바 있다. 클라우드 서비스라는 다소 특수한 상황이기는 하나 실제 현장에서 발생된 HDD의 고장률을 살펴볼 수 있어 일반 사용자에게도 HDD를 선택하는데 큰 도움이 되고 있다. 최근에는 2017년 1분기에 대한 리포트가 공개되었는데 여기에서도 HGST HDD의 견고함이 부각되고 있다.

Backblaze 보고서 링크 : https://www.backblaze.com/blog/hard-drive-failure-rates-q1-2017/

   
 
2013년 4월 이후부터 모든 기간에 대한 고장률 데이터를 보면 전반적으로 HGST 제품이 낮게 나옴을 확인할 수 있다. WD, 씨게이트 등 경쟁사 제품은 연중으로 환산했을 때 고장률(Annualized Failur Rate(AFR))이 대부분 1~6%대인 반면 HGST 제품은 대부분 1% 미만으로 매우 낮게 나타났다.

데이터를 백업하고, 보관하며, 특히 NAS와 같은 장치를 통해 데이터의 공유가 중요해진 요즘 HDD의 선택은 어느 때 보다 중요하다고 볼 수 있다. 가정에서는 수년간 추억이 담긴 사진과 동영상을, 회사에서는 기업 기밀과 각종 영업 자료가 담긴 문서 등을 HDD에 보관하는데 HDD의 오류로 인해 한순간에 날아간다면 이로 인한 손실은 만회하기 어렵다. 따라서 최근에는 일반 데스크톱PC에서도 신뢰성이 향상된 NAS용 HDD를 사용하는 등 HDD의 구매 패턴이 달라지고 있는 추세이다. 단지 비용으로 선택할 것이 아니라 HDD의 신뢰성과 견고함을 잘 따져보고 구매하는 것이 소중한 데이터를 지킬 수 있는 가장 쉽고 간단한 방법이라고 관련 전문가들은 조언하고 있다.

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