SSD 가격과 성능, 용량까지 모두 잡을 신기술 '베스트3'

생각보다 참으로 지지부진한 모양새다. 차세대 저장장치로 떠오르고 있는 SSD 말이다.

 

마치 순식간에 시장을 다 집어삼킬 듯 강렬한 인상을 던지더니, 꽤나 오랜 기간이 흐른 지금에도 스토리지 시장의 ‘주력’이라 부르기에 무언가 부족한 느낌이다.

 

최근 128GB 제품을 중심으로 마니아들의 사용 빈도가 급격히 늘고 있고, 울트라북 등 차세대 모바일 시스템을 중심으로 급격해 채용이 늘고 있다. 그럼에도 SSD는 여전히 시스템의 가격을 높이는 주된 요인이고, 시스템이 저장공간의 부족에 허덕이게 만드는 주된 요인이다.

 

상황이 이런 가장 큰 이유는 아직도 SSD의 용량은 사용자들이 원하는 수준에 한참 못 미치고, 상대적으로 가격은 비싸다는 데 있다. 단돈 10만원이면 2TB가 넘는 용량의 HDD를 구매할 수 있다면, 이보다 비싼 가격에 고작 128GB에 만족해야 하는 SSD는 분명 아직도 갈 길이 멀다.

 

 

■ 해결의 실마리가 보인다

 

이런 SSD 시장에 서서히 해결의 실마리가 보이기 시작했다. SSD가 가진 고질적 문제점들을 일거에 극복할 수는 없겠지만, 현재까지 발표되거나 제품에 적용된 몇 가지 기술들을 잘만 응용하면 SSD 대중화에 발목을 잡고 있는 난제가 풀릴 수도 있을 것으로 보인다.

 

 

앞서 언급했지만, SSD에 따라다니는 고질적인 단점은 부족한 용량, 높은 가격이다. 결과적으로 이 두 가지를 풀어내기만 하면 소비자들이 그토록 바라마지않는 고성능, 대용량, 저가격 SSD가 완성될 수도 있다.

 

 

■ 미래 SSD를 먹여 살릴 첫 번째 기술, TLC(트리플 레벨 셀)

 

SSD는 낸드플래시 메모리(NAND Flash Memory)를 병렬로 묶어 높은 성능을 내는 스토리지라 볼 수 있다. 그런데, 낸드플래시라는 것이 급격히 용량을 확대하기 어려운 난제를 안고 있다. 기본적으로 반도체인 성격 탓에 크기를 억제하며 용량을 높이려면 집적도의 급격한 증가를 이뤄내야 한다.

 

이는 분명 쉽지 않은 도전이다. 그런데, 최근 이를 해결할 기발한 제품들이 등장하고 있다. 삼성 840 시리즈에 채용된 TLC 메모리는 공정의 개선 없이도 용량을 세 배까지 확장할 수 있는 기술이다.

 

아직 충분한 단계에 이르렀다는 평을 얻고 있진 못하지만, 셀당 1비트(bit)를 저장하는 SLC나 2비트를 저장하는 MLC에 비해 동일한 구조와 공정으로 더 방대한 저장공간을 확보할 수 있는 것만 것 분명한 사실이다.

 

▲ 삼성 10나노미터(nm) 낸드플래시 메모리 <이미지: 삼성전자>

 

중요한 것은 TLC에 따라다니는 성능과 수명의 문제이다. 오버라이트가 불가능한 낸드플래시 메모리의 특성상 하나의 셀에 3비트를 저장하는 방식은 필연적으로 낮은 성능, 짧은 수명으로 이어진다. 이미 TLC 기반의 SSD가 출시돼 있지만, 소비자들 역시 바로 이점에 의구심을 보내고 있다.

 

어쩌면 향후 하나의 셀에 4비트를 저장할 수 있는 낸드플래시 메모리가 개발될지도 모를 일이다. 그렇다면 분명 성능과 수명에 대한 이슈는 또다시 제기될 수밖에 없다. 하지만 바로 이 기술이 SSD의 부족한 용량을 해결하는 하나의 해결책이 될 것만은 분명한 사실이다.

 

하나의 셀에 더 많은 데이터를 저장하는 기술. 더 많은 데이터를 저장하면서도 성능과 수명을 유지하는 기술. 현재의 TLC를 살펴보면, 이미 충분한 신뢰를 보내도 좋을 수준까지 기술은 발전해 있다.

 

삼성전자는 지난 4월, 10나노미터(nm, 1나노=10억분의 1미터)) 기반 TLC 낸드플래시 메모리의 양산을 시작한다고 밝힌 바 있다. 공정의 개선과 셀당 저장용량이 동시에 확대되고 있는 것이다. 공정의 미세화화 더불어 하나의 셀에 더 많은 데이터를 저장할 수 있게 될수록 SSD의 용량은 커지기 마련이다.

 

 

■ SSD의 대중화를 이끌 두 번째 기술, ‘3D V-낸드’

 

낸드플래시 메모리는 각각의 독립된 공간에 데이터를 저장하는 반도체다. 이렇게 데이터가 저장되는 각각의 공간을 하나의 ‘셀’이라 부른다. 초기 SLC 메모리는 이 셀당 하나의 비트(1비트)가 저장됐지만, 이후 MLC 방식의 낸드플래시가 일반화되며 셀당 2비트를 저장할 수 있게 됐다. 앞서 살펴본 TLC는 가장 최근에 개발된 방식으로, 셀당 3비트를 저장하게 된다.

 

하지만 이런 방식의 개선만으로는 SSD에 사용하는 낸드플래시 메모리의 용량과 속도, 가격을 효과적으로 제어하기 어렵다. 새로운 용량의 메모리를 만들어낼 때마다 새로운 디자인이 필요하고, 이에 따르는 새로운 생산라인도 건설돼야 한다.

 

결국 용량의 증대는 뒤따르지만, 막대한 시설투자비는 가격을 낮추기 어렵게 만드는 요인으로 작용하게 된다. 아울러 하나의 셀에 여러 개의 비트를 저장하는 데 따르는 수명과 성능의 이슈에서 자유로울 수 없기도 하고 말이다.

 

이런 문제들을 효과적으로 극복할 수 있는 또 하나의 기술이 바로 '3D V-낸드(3D Vertical NAND, 3D V-NAND)'이다.

 

원리는 매우 간단하다. 기존의 낸드플래시 메모리는 데이터를 저장하는 셀을 평면으로 배치하는 방식을 써 왔다. 3D V-낸드는 이렇게 평면으로 배치된 셀을 여러 층 쌓아 올려 입체적으로 구성하는 방식이다. 이는 동일한 공정을 유지하며 트랜지스터의 집적도를 높이기 위해 3차원으로 트랜지스터를 배열하는 프로세서의 디자인과 비슷한 방식이다.

 

결과적으로 셀을 3차원으로 쌓으면, 동일한 면적에 훨씬 더 많은 셀을 구성할 수 있게 된다. 그리고 이는 엄청난 용량의 증가와 직결된다. 하나의 디자인을 갖고 상황에 따라 적층 수를 조절하는 방식으로 다양한 용량을 만들어낼 수 있으므로 시설투자비도 훨씬 적게 든다.

 

▲ V-낸드가 사용된 삼성의 신형 SSD <이미지: 삼성전자>

 

이론적으로 효율적으로 보이지만, 셀을 수직으로 구성하려면 상당한 기술적 진보가 뒤따라야 한다. 수직으로 구성된 모든 셀을 정밀하게 제어하기 위한 회로가 필요하며, 위 아래 셀간 간섭이 발생하지 않도록 조치해야 한다. 원리는 무엇보다 효과적이고 경제적이지만, 이의 구현은 결코 녹록치 않은 것이다.

 

이런 구조가 가능할까? 삼성전자는 최근 캘리포니아에서 개최된 '플래시 메모리 써밋 2013(Flash Memory Summit 2013)'에서 이런 방식으로 만들어낸 낸드플래시 메모리를 장착한 SSD를 발표했다. 엔터프라이즈 레벨의 제품이지만, 우리가 흔히 사용하는 2.5인치 폼팩터에 960GB라는 막대한 용량을 실현하는 데 성공했다.

 

기존의 MLC 기반 낸드플래시 메모리의 쓰기 수명은 약 3천회 가량이다. 반면, 3D V-낸드의 쓰기 수명은 무려 35,000회에 달한다. 현재 샌디스크와 도시바 역시 이 기술을 공동으로 개발하고 있으며, 마이크론 역시 이 기술에 도전하고 있다고 발표한 바 있다.

 

 

■ 효과적인 성능개선을 이룰 마지막 기술, 터보라이트(Turbo Write)

 

TLC 메모리는 하나의 셀에 3개의 비트를 저장한다. 문제는 각각의 비트를 따로 지우거나 쓸 수 없다는 데 있다. 더 큰 문제는, 그렇다고 하나의 셀 단위로 데이터의 쓰기나 삭제가 이루어지지도 않는다는 점이다.

 

낸드플래시 메모리는 이런 셀을 일정 단위로 묶어 한 번에 제어한다. 결과적으로 하나의 셀에 들어있는 3개의 비트 중 하나를 교체하려면, 해당 셀과 함께 제어되는 셀 전체(블록)의 데이터를 읽어 메모리에 저장하고, 그 블록 전체를 지운 후 다시 써 넣어야 한다. 결과적으로 이런 구조는 SSD의 쓰기속도의 하락과 직결된다.

 

▲ 삼성 SSD 840 EVO <이미지: 삼성전자>

 

TLC 메모리를 사용한 삼성의 840 시리즈는 이런 TLC 메모리의 특성으로 말미암아 쓰기속도가 상당히 낮은 편이었다. 그런데, 최근 삼성이 발표한 840 EVO는 동일한 방식의 TLC 메모리를 사용했음에도 MLC와 비교해 동등하거나 더 높은 쓰기성능을 보여주었다.

 

어떻게 불리한 특성의 TLC 메모리를 사용하고도 이처럼 발군의 쓰기성능을 구현할 수 있었을까? 시장은 바로 이 부분에 상당한 관심을 보였다.

 

그런데, 삼성이 제시한 해결책은 의외로 간단했다. 과거부터 빠른 속도의 기기와 느린 속도의 기기간에 데이터의 전송이 발생하는 경우 이 속도의 차이를 보정하기 위한 버퍼가 사용됐는데, 840 EVO 사용된 TLC 메모리 중 일부를 따로 구분해 버퍼로 사용하는 것이 핵심이다.

 

동일한 특성과 속도를 갖는 메모리를 버퍼로 활용한다 해서 속도가 빨라질 리 없다. 그렇다면 어떤 추가적인 기술이 들어갔을까?

 

삼성은 SSD에 장착된 TLC 메모리 중 일부를 셀당 1비트만을 저장할 수 있는 SLC 메모리처럼 동작시킨다. 결과적으로 일정 메모리 영역은 쓰기 버퍼로 활용될 때 원래 가진 용량의 1/3만을 사용하게 되는 셈이지만, 저장된 나머지 2비트를 무시함으로써 엄청난 쓰기 속도를 구현할 수 있게 된다.

 

이같은 방식을 사용하면, TLC 메모리를 사용하면서도 SLC 메모리를 사용하는 것과 같은 속도를 얻을 수 있다. 비록 버퍼가 모두 차면 TLC가 가진 원래 속도로 회귀하게 되지만, 이는 충분한 용량을 버퍼로 할애하면 극복할 수 있다.

 

1TB의 경우 36GB, 소비자들의 선택이 집중될 것으로 예상되는 128/256GB 제품에는 9GB를 버퍼로 활용하게 된다.

 

다만, 현재의 TLC 메모리를 이렇게 활용할 경우 버퍼에 사용되는 셀의 사용 빈도가 높아진다. 이런 상황에서도 충분한 수명을 보장할 수 있는지가 먼저 검증돼야만 하다.

 

 

■ 당면과제를 해결할 기술은 모두 갖춰졌다

 

SSD가 시장에 데뷔할 때만 해도 마니아들은 그 엄청난 속도에 열광했다. 당시의 반도체 기술은 하루가 멀다 하고 발전하고 있었으니, 조만간 SSD 세상이 도래할 것만 같았다.

 

그러나 어언 5~6년이 지난 지금에서야 자리를 잡아가고 있는 SSD를 보노라면, 이 작은 플래시메모리 하나를 만들어내는 게 그리 만만한 일이 아님을 느끼게 된다. 무어가 주장한 법칙처럼, 일 년에 두 배의 용량씩 증가했다면 현재 우리는 HDD에 필적하는 가격과 용량의 SSD를 쓰고 있을 테지만 말이다.

 

우선 주목해 보아야 할 것은 앞서 둘러본 세 가지 기술이다. SSD의 용량과 가격, 성능의 개선은 결국 낸드플래시 메모리의 발전에 달려있다. 그리고 앞서 살펴본 기술들은 단독으로, 또는 함께 사용할 경우 예상보다 더 큰 시너지효과를 발휘할 수도 있다.

 

결과적으로 우리가 원하는 엄청난 속도, 저렴한 가격, 방대한 용량의 SSD를 만들어내는 데 꼭 필요한 기술들이다. 따라서 이런 기술들이 개발된 현재, SSD가 한 단계 더 도약할 수 있는 기반이 만들어졌다고 볼 수 있다.

 

 

두 번째 둘러보아야 할 부분은 기술의 선점과 경쟁이다. 아이러니하게도, 살펴본 세 가지 기술 중 낸드플래시 메모리의 디자인과 제작에 관계된 두 가지 기술이 삼성에 의해 구현되고 있다. 비교적 간단한 버퍼 개념을 도입했던 제품은 이전에도 존재했지만, 바탕이 되는 낸드플래시에 관련된 각종 기술적 우위가 한 기업으로 집중되고 있는 점도 놓쳐선 안 될 부분이다.

 

삼성은 몇 년 전 HDD 사업부를 통째로 매각하고 SSD에 올인하는 전략을 구사하고 있다. 뒤이어 실현된 연이은 기술적 개가는 이제 방대한 용량의 HDD에 근접하는 SSD를 만들어낼 기반이 되고 있다. 어쩌면 미래 스토리지 시장도 지금의 스마트폰 시장처럼 삼성의 입김이 강하게 작용하는 영역으로 나아갈 하나의 가능성을 보고 있다.

 

아무튼, SSD는 조만간 또 한차례 도약기를 맞이할 것으로 전망된다. 새로움 폼팩터, 새로운 낸드플래시 메모리, 새로운 3차원 V-낸드 등의 기술이 접목되기 시작하면, 그 파급효과는 실로 놀라운 수준일지도 모를 일. 소비자들은 꿈에 그리던 대용량 SSD를 저렴한 가격에 손에 넣을 수 있을까? 그런 날이 가까워 오고 있다.

 

오국환 기자 sadcafe@it.co.kr
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