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SSD 성능과 내구성의 열쇠 ‘컨트롤러’, WD Black 3D NVMe가 주목 받는 이유뛰어난 안정성에 내구성까지 갖춘 'WD Black 3D NVMe'
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승인 2018.07.20  09:27:51
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기술의 발전 속도는 빠르고 그만큼 우리가 누릴 수 있는 것들도 많아진다. PC 시장만 하더라도 구닥다리 하드디스크에서 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)로 발전하면서 컴퓨팅 시장 전반에 뚜렷한 성능 향상을 가지고 왔다. 플래터와 모터가 아닌 낸드플래시와 컨트롤러가 제어하는 새로운 저장장치의 시대가 활짝 열린 셈이다.

초기 SSD는 하드디스크와 동일한 SATA 인터페이스를 썼다. 최대 6Gbps(750MB/s)의 대역폭은 당시 기술로도 충분해 보였다. 하드디스크가 이 대역폭의 절반도 쓰지 못했기 때문이다. 그러나 기술이 발전하면서 SSD는 더 많은 대역폭을 요구하기 시작했다. 잠재력이 6Gbps 대역폭에 머무르기엔 너무도 컸다. 그리고 PCI-Express 대역폭을 활용하며 32~40Gbps의 대역폭을 자유롭게 활용할 수 있게 됐다.

이 과정에서 단순히 속도만의 변화가 있었던 것은 아니다. 낸드플래시도 더 많은 용량을 집적하기 위해 구조적 발전이 이뤄졌다. 하나의 셀에 1비트 데이터를 담던 SLC(Single Level Cell) 구조에서 2비트를 담는 MLC(Multi Level Cell), 그리고 현재는 3비트 데이터를 하나의 셀에 담는 TLC(Triple Level Cell) 구조가 대부분이며, 향후 더 많은 비트 데이터를 담기 위한 노력이 이어질 예정이다.

문제는 낸드플래시가 더 많은 데이터를 담아가는 과정에서 꾸준히 우려와 문제가 발생했다는 점이다. SLC는 컨트롤러가 각 셀에 저장되는 1비트 데이터만 다루면 되어서 안정성이나 속도 측면에서 문제될 것이 거의 적은 편이었다. 그러나 MLC로 전환하면서 컨트롤러가 다뤄야 하는 셀당 데이터 양이 증가했고 자연스레 컨트롤러에 따른 성능 편차가 등장하기 시작했다. 당장 소비자들이 MLC 기반 SSD를 구매할 때 어떤 컨트롤러를 상대적으로 선호했는지 떠올리면 이해가 빠를지도 모르겠다.

TLC가 초창기에 도입되던 시대에서는 이것이 더 큰 문제로 부각됐다. 모 브랜드의 TLC 기반 SSD 성능 저하 논란은 소비자들이 TLC SSD를 기피하는 결과로 이어지기도 했다. 추후 펌웨어 업데이트를 통해 어느 정도 문제를 해결했지만 제품 신뢰성은 이미 금이 간 뒤였다. 이는 낸드플래시보다 이를 제어하는 컨트롤러가 제 역할을 하지 못해서 생긴 것으로 보고 있다.

이후 시간이 흘러 컨트롤러가 TLC 낸드플래시를 다루는 기술은 빠르게 개선되었다. 인터페이스가 SATA에서 PCI-Express 기반으로 확대되면서 용량은 증가하고 속도는 빨라졌다. 뿐만 아니라, SSD를 위한 고속전송 기술인 NVMe(Non-Volatile Memory express)까지 등장하면서 낸드플래시와 함께 컨트롤러의 제어 능력이 더 중요하게 부각되기 시작했다.

   
 
새로운 컨트롤러로 성능과 안정성 높인 WD

WD도 시대의 흐름에 따라 다양한 SSD 제품을 선보이며 시장을 이끌고 있다. 특히 NVMe 인터페이스 기반 저장장치 WD Black NVMe SSD는 안정적인 속도와 내구성으로 호평 받은 바 있다. 그러나 여기에서 만족하지 않고 더 빠르고 안정적인 성능과 내구성을 만족하기 위해 노력한 결과, 새로운 컨트롤러와 낸드플래시 개발에 성공했고 이를 신제품에 반영해 또 한 번 주목을 받고 있다.

   
▲ 초기 WD Black NVMe SSD는 마벨의 컨트롤러를 사용했다. 충분한 성능을 냈지만
자사의 낸드플래시 개발 로드맵에 따라 컨트롤러 성능과 기능을 변경하는데 한계가 있었다

기존 WD Black NVMe SSD는 마벨(Marvell) 사의 PCI-Express(NVMe) 대응 컨트롤러를 채용해 왔다. 88SS1093으로 15nm TLC 낸드플래시와 호흡을 맞춰 순차 쓰기 최대 800MB/s, 순차 읽기 최대 2050MB/s에 달했다. 무작위 읽기/쓰기도 최대 17만 IOPS/13만 4000 IOPS 수준이었다. 최대 쓰기 수명(TBW)도 256GB가 80 TBW, 512GB가 160 TBW 정도로 타 제품과 비교해도 아쉽지 않은 수준이었다. 5년 보증에 비교적 합리적인 가격까지 더해지면서 시장의 인기를 얻을 수 있었다.

그러나 WD는 성능과 내구성을 끌어 올리고 나아가 자사가 설계하는 낸드플래시 구조에 맞춰 최적의 제어가 가능하도록 컨트롤러를 자체 개발하는 방향으로 전략을 세운다. 유명 SSD 제조사들도 자체 컨트롤러를 통해 성능을 꾸준히 올리고 있다는 점도 WD를 자극하는 요소였다.

   
▲ 자체 개발한 컨트롤러를 품은 WD Black 3D NVMe SSD는
성능과 유연성 등에서 많은 이점을 얻을 수 있게 됐다

완성된 새로운 SSD 컨트롤러는 28nm 공정의 트리플 코어 아키텍처에 기반한다. PCI-Express 3.0 x4 레인을 활용하고 최신 SSD 전송 인터페이스인 NVMe에도 대응한다. 다양한 기술도 적용됐다. 속도 향상을 위한 캐시 기술인 nCache 3.0부터 다중-기어 저밀도 패리티 검증(Multi-Gear Low Density Parity Check) 등이 대표적이다.

여러 능력을 갖춘 컨트롤러는 64층으로 쌓아 올린 3D TLC 낸드플래시와 호흡을 맞춘다. 때문에 한정적인 공간 안에서도 다양한 용량 라인업을 구성할 수 있다. M.2 2280 규격인 WD Black 3D NVMe SSD는 최대 2개의 3D TLC 낸드플래시 메모리가 탑재된다.

   
새로운 컨트롤러는 4가지 목표를 달성하기 위한 기술로 채워졌다

새 컨트롤러는 크게 4가지 방향에 초점을 맞춰 설계됐다. 첫째는 지연시간과 전력소모를 낮추는 것이다. 두 번째는 성능을 높이기 위한 기술로 nCache 3.0이 여기에 포함된다. 세 번째는 내구성을 높이는 것으로 다중-기어 저밀도 패리티 검증과 하드웨어 오류 보정(Hardware ECC) 등이 포함된다. 마지막으로 디자인 유연성이다. 고성능 SSD가 주로 쓰는 M.2 규격 내에서 용량을 다양하게 확보하기 위한 설계가 적용된다.

지연 시간을 낮추기 위해 WD는 컨트롤러 처리 구조를 최소화했다. 컨트롤러 내에 데이터가 지나는 길을 별도로 확보해 NVMe 인터페이스와 캐시, 처리 프로세서를 복잡하게 거치는 구조를 줄였다. 프로세서가 처리해야 하는 부하를 최대한 덜어냄으로써 전력 소모도 줄일 수 있었다. 기존 WD Black NVMe SSD는 약 8.25W 가량의 전력을 썼는데, 새로운 컨트롤러는 성능이 크게 상승했음에도 모두 동일한 9.24W의 최대 전력을 쓴다. 성능 대비 전력 소모가 크게 줄어든 점에 주목하자.

   
 
성능을 높이기 위한 부분에 캐시 분류 기술을 적용했다. 이전에는 데이터를 쓰기 위해 컨트롤러를 거치고 먼저 속도가 빠른 SLC NAND에 접근하는 방식을 썼다. 그러나 WD Black 3D NVMe SSD는 SLC 낸드 블록을 빠르게 채우는 대용량 파일이라면 캐시를 쓰지 않고 바로 TLC 낸드 영역에 접근하도록 만들었다. 저용량 데이터를 꾸준히 쓰는 환경에서는 SLC 낸드로 빠르게, 묵직한 파일들은 TLC 낸드로 자연스레 보내 성능을 높였다. 이를 통해 내구성도 확보할 수 있었다.

   
신뢰도를 얻기 위한 Multi-Gear LDPC는 성능에도 영향을 준다

신뢰도를 높이기 위해 도입한 다중-기어 하드웨어 저밀도 패리티 검증 기술은 데이터 안정성과 읽기 성능을 확보하는데 큰 도움이 됐다. 저밀도 패리티 검증은 총 3단계에 걸쳐 이뤄지는데 1단계로는 높은 유효 처리량을 낮은 전력 소모로 처리하게 되고, 이후 2~3단계로 접어들면서 강한 오류 검증이 이뤄진다. 다단계로 데이터를 검증하면서 RAID에서도 안정적인 성능을 기대할 수 있다.

   
 
다양한 기술이 적용된 WD Black 3D NVMe SSD는 순차 쓰기 최대 3400MB/s, 순차 읽기 최대 2800MB/s으로 성능이 크게 향상됐다. 무작위 읽기/쓰기도 최대 50만 IOPS/40만 IOPS 수준까지 상승했다. 제품에 따라 성능은 각각 다르지만 기존 마벨 컨트롤러를 쓰던 WD Black NVMe SSD와 비교해 큰 수준의 성능 향상이다.

   
 
WD Black 3D NVMe SSD의 성능은 테스트에서도 그 실력이 입증됐다. SSD의 읽기/쓰기 및 무작위 읽기/쓰기 성능을 모두 파악할 수 있는 Crystal Disk Mark 벤치마크의 결과를 보면 WD Black 3D NVMe SSD 1TB는 순차 읽기 3387MB/s, 쓰기 2855MB/s를 기록했다. 이전 세대인 WD Black PCIe NVMe SSD 512GB만 보더라도 순차 읽기 1541MB/s, 쓰기 837.5MB/s로 충분한 성능이지만 비교해 보면 상당한 차이를 보여준다.

   
 
게임 로딩 속도도 마찬가지다. 배틀그라운드에서 새로 추가된 맵 사녹(SANHOK)을 불러올 때의 로딩 속도를 측정해 보니 WD Black 3D NVMe SSD 1TB는 모든 정보를 불러오는데 약 37초 가량, WD Black PCIe NVMe SSD 512GB가 40초, 일반 SSD가 46초를 기록했다.

배틀그라운드는 게임의 특성상 많은 데이터를 한 번에 불러오는 구조다. 시스템 입장에서는 혹독한 상황이라 볼 수 있는데 WD Black 3D NVMe SSD는 혹독한 상황에서도 뛰어난 성능을 내준다는 점에서 인상적이다.

성능과 신뢰 모두 확보한 WD Black 3D NVMe SSD

WD Black 3D NVMe SSD는 컨트롤러 하나로 저장장치의 성향이 완전히 달라질 수 있음을 보여줬다. 전반적인 밸런스가 향상됐으며 용량 선택의 폭도 늘었다. 기존에는 256GB/512GB 두 가지만 존재했지만 이번에는 250GB/500GB/1TB 등 세 가지 라인업으로 운영된다. 성능도 저용량 라인업에서도 순차 읽기 3000MB/s, 순차 쓰기 1600MB/s에 달할 정도로 향상됐다. 무작위 읽기/쓰기 성능도 마찬가지다.

   
 

중요한 내구성도 ‘달라졌다’라는 말이 부족할 정도로 큰 향상이 이뤄졌다. 기존에는 용량에 따라 80TBW/160TBW였다면, 지금은 가장 낮은 250GB 라인업도 200TBW에 달하는 쓰기 내구성을 갖췄다. 이 정도라면 하루에 약 110GB 가량을 꾸준히 처리해야 보증기간인 5년에 도달하는 수치. 그만큼 소비자가 제품에 대한 신뢰도를 기대할 수 있다.

시장에서 주목 받는 이유는 여러가지가 있다. 그 동안 WD는 안정적인 성능과 비교적 경쟁력 있는 가격으로 접근해 인기를 받았다. 그러나 WD Black 3D NVMe SSD는 그 이상의 성능과 내구성으로 사용자들에게 가치를 제공하고 있다. 이는 오랜 시간 다양한 방식의 저장장치를 시장에 제공하고 있는 WD이기에 가능한 것이다.

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