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SSD, 하드디스크를 밀어내다

2017.09.05 11:05 - Seungwan

2017/9/5 : 최신 트렌드에 맞게 내용을 고쳤습니다.


I. SSD란 무엇인가

II. HDD와 SSD의 작동 원리 분석

III. HDD와 SSD의 성능 비교

IV. 마무리


I. SSD란 무엇인가


우리가 사용하는 PC의 부품에는 많은 것들이 있습니다. 대표적인 부품을 정리하자면 중앙처리장치(CPU), 메모리(RAM), 그래픽카드(GPU), 광학 드라이브(ODD), 하드 디스크(HDD) 정도가 있습니다. PC의 성능에 가장 관여하는 부품은 CPU, RAM, HDD 세가지입니다. 그런데 이 중에서도 주기억장치인 RAM의 경우에는 반도체로 만들어진 칩으로 전기적 신호로 고속 데이터 처리가 가능한 반면, 하드디스크는 물리적 방법으로 알루미늄 원판을 고속으로 회전시킨 후 ‘헤드’라는 장치로 데이터를 입/출력하는 방식으로 데이터를 처리하여 속도가 비교가 안 될 만큼 느립니다.


컴퓨터의 눈부신 발전사에 CPU와 RAM 등은 제조공정이 바뀔 때 마다 엄청난 속도의 향상이 있었던 반면, 하드 디스크의 경우에는 오래 전부터 원래 있던 제조공정을 개선하는 방향으로 성능 향상이 이루어져서 다른 부품에 비해 성능 향상이 현저히 적은 폭이였습니다. 실제로, RAM과 CPU가 일정 수준에 다다르게 되면, 컴퓨터의 체감 성능은 아무리 올라가도 비슷한데, 그 이유는 하드 디스크가 저 두 부품의 성능을 따라가지 못하기 때문입니다.


낸드 플래시라는 MP3 플레이어, USB같은 소형 기기에 사용되는 빠른 속도의 보조 기억 장치가 있습니다. 낸드 플래시는 RAM과 같은 전기적 방식이면서도, 휘발성이 없는 점이 특징입니다. 원래 낸드플래시는 가격이 매우 높아서 저용량으로 일부에만 탑재되었는데, 2010년대에 들어 스마트폰 등의 낸드플래시가 사용되는 분야가 확대되면서 자츰 낸드플래시의 수요가 늘어나고, 경쟁 회사가 늘어나면서 가격이 초기의 낸드플래시의 가격보다 훨씬 낮아지게 되면서 낸드 플래시를 PC의 보조 기억 장치로 사용 할 수 있을 만큼 가격이 낮아지게 되었습니다. 


이것이 바로 SSD(Solid State Drive)의 핵심 부품입니다. 앞서 말했듯이 하드디스크처럼 물리적 방식이 아닌 전기적 방식으로, 하드디스크의 고질적인 문제인 연속쓰기 작업시 성능 하락, 작은 파일의 느린 작업 속도를 뛰어 넘습니다. 게다가, 용량이 적은 낸드플래시를 컨트롤러로 연결함으로서 낸드플래시가 단일로 있을 때 보다 수 배로 더 빠르게 작동합니다. (이 부분은 뒤에서 자세히 다룰 내용입니다) 


II. HDD와 SSD의 작동 원리 분석


HDD 작동 원리


HDD는 플래터라는 자성을 띄는 알루미늄 원판에 데이터를 기록합니다. 플로피 디스크 드라이브(FDD)와 비슷한 방식입니다.

<HDD의 구조>


위 사진과 같이 플래터에 데이터를 기록하면 헤드가 기록된 데이터를 읽는 방식입니다. 1분당 회전 수를 RPM(Revolution Per Minute)로 표현하는데, 분당 회전 수를 뜻합니다. 현재 주로 사용되는 하드디스크는 5400RPM (주로 노트북), 7200RPM (주로 고사양 노트북,데스크톱), 10800RPM (주로 서버) 정도가 쓰입니다. 하드디스크의 큰 문제점이 이 구조에서 드러나는데요, 첫 번째로는 플래터가 회전하면서 헤드가 읽는 물리적 방식이기 때문에 빛의 속도로 동작하는 전자식 방식보다 느리고, 파일의 연속 작업시에 속도가 점점 감소합니다.


<하드디스크 구조>


또한, 안쪽과 바깥쪽의 속도가 차이가 나는 문제점이 있습니다. 이는 하드디스크 원형 구조의 고질적인 한계입니다. 하드디스크는 안쪽이나 바깥쪽이나 모두 중심에서 RPM(분당 회전수)를 기준으로 도는데 안쪽이 한바퀴 돌 때 10개의 섹터를 읽는다면, 바깥쪽은 한바퀴를 돌 때 15번을 돈다는 소리입니다. 데이터를 바깥쪽에만 저장할 수는 없기 때문에 속도 하락은 필연적입니다.


SSD 작동 원리


<SSD 구조>

SSD는 메모리의 핵심인 낸드플래시 메모리를 컨트롤러로 잇는 것이 핵심입니다. 사실 SSD에 들어가는 낸드플래시 메모리의 각 개별의 속도는 생각보다 느립니다. 이 것을 여러개의 낸드플래시에 나누어 저장하여 속도를 극대화 시킵니다.


아래 사진과 같이 8MB의 파일이 있고 8개의 낸드플래시가 이어진 SSD가 있다면 각 낸드플래시에 1MB씩 분할 저장하여 속도가 빨라지는 것입니다. RAID 기술과 같은 원리입니다.


<SSD의 파일 저장 방식>


따라서 SSD의 속도는 연결된 낸드플래시의 속도와 개수에 비례합니다. 시중에서 팔리는 SSD 중 같은 용량의 낸드플래시를 쓰되, 적은 용량 모델은 4개를 연결해 놓고, 높은 용량은 8개를 연결해 놓은 경우가 있는데 이런 경우 특히 쓰기 성능에서 큰 차이가 나게 됩니다.


초기에 낸드플래시 메모리는 SLC(Single Level Cell)과 MLC(Multi Level Cell)로 구분됐습니다. SLC는 한 셀(기억 장치 기능을 갖는 위치를 나타내는 단위)에 1비트의 데이터를 저장하고, MLC는 한 셀에 2비트의 데이터를 저장하는 방식입니다. 속도는 SLC가 더 빠르고, 수명이 길다는 장점이 있으나 MLC보다 말 그대로 셀이 두배 필요하기 때문에 가격이 두배가량 더 나갔죠. 그래서 대부분 MLC 방식을 많이 사용했었는데 요즘은 낸드플래시 기술 발전 덕분에 한 셀에 3개의 비트를 담는 TLC(Triple Level Cell)나 심지어는 QLC(Quad Level Cell)까지 나오고 있습니다.


파일을 쓰는(Write) 작업을 할 시에, SSD의 셀이 기록되게 되는데, 하드 디스크의 경우에는 물리적 방식이라 파일 삭제 작업시 직접 지우는 방식으로 새로운 데이터가 쓰이게 될 시에 덮어쓰기(Overwrite) 방식으로 셀을 덮어씌웁니다. 그런데, SSD를 구성하는 낸드플래시의 특징상 셀 위에 덮어쓰기가 되지 않습니다. 따라서, 이 셀들을 수동으로 비워주어야 하는데 이 작업을 자동으로 하기 위해서 만든 기능이 트림(Trim)입니다. 트림 작업은 시스템이 유후 상태일 때 파일을 제거한 셀들을 미리 비워 두어 나중에 사용할 때에 쾌적하게 사용하게 할 수 있도록 하는 기능입니다.


III. HDD와 SSD의 성능 비교


테스트에 사용된 SSD는 삼성의 256GB NVMe SSD가 사용되었고 사용된 하드디스크는 표준 사양인 S-ATA3 인터페이스를 지원하고 7200RPM을 가진 시게이트의 1TB 하드디스크입니다.


Crystal Disk Mark 프로그램으로 벤치마킹한 S-ATA3 하드디스크의 읽기/쓰기 성능입니다. 오래된 하드디스크이긴 하지만 최신 제품들과 큰 차이는 없습니다.


<시게이트 ST31000524AS 하드디스크 벤치마크>


삼성 NVMe SSD의 성능입니다. 연속 읽기/쓰기는 하드디스크와 비교가 불가능할 정도이고, 운영체제 가동에 있어서 가장 중요한 4K 속도가 특히 높습니다. 4K란, 윈도우에서 사용하는 디스크 포맷 형식인 NTFS에서 사용하는 클러스터 (운영체제에서 파일 읽기 속도를 높이기 위해서 여러개의 섹터를 묶은 단위.)의 단위인데, 운영체제에서 모든 파일들을 4K를 단위로 읽기 때문에 4K속도가 중요합니다.


<삼성 NVMe SSD 벤치마크>


아래 이미지는 HD Tune 프로그램으로 벤치마킹한 결과입니다.


하드 디스크의 경우 속도가 상당히 불안한 그래프를 보여주는데요, 위에서 언급한 하드디스크의 구조적 특징 때문에 속도가 점점 느려지는 것을 확인할 수 있습니다.


<ST31000524AS 하드디스크 벤치마크>


반면, SSD의 경우에는 낸드플래시의 특징으로 인해 상당히 안정된 속도를 보여줍니다.


<삼성 S470 SSD 벤치마크>


IV. 마무리


글을 처음 작성하던 2011년에는 어마무시한 몸값을 자랑한 덕에 감히 아무나 손대기가 힘들었던 SSD가 이젠 정말 대중화가 되었습니다. 제가 처음 사용했던 SSD는 S-ATA 2 기반 삼성 S470 64GB 모델이였는데 17만원을 주고 샀던 기억이 납니다.


과도기적 시점에 하이브리드 HDD라는 SSD와 하드 디스크를 합친 제품군도 있었는데, SSD의 부담스런 가격과 HDD의 용량이 절충된 제품이였지만 단점 또한 분명해서 현재 시점에서 거의 사장됐죠.


<SSD와 하드 디스크의 장점을 결합하려고 했었던 하이브리드 HDD>


S470의 연속 읽기 속도는 250MB/s, 지금으로 보면 보잘것 없는 스펙이지만 당시에 컴퓨터가 상상 이상으로 빨라져서 놀랐던 기억이 납니다. 2017년 9월 기준으로 나오는 고스펙의 SSD, 가령 삼성의 고가형 NVMe SSD의 경우 연속 읽기 속도가 3000MB/s에 이릅니다.


<연속 읽기 속도 3000MB/s 를 자랑하는 삼성 960 PRO>


이 글의 원 제목은 '새로이 등장하는 SSD, 과연 하드디스크를 밀어낼 수 있을까?' 였습니다. 지금 시점에선 글 제목이 무색할 정도로 이미 밀어내고 말았습니다. 글을 고치면서 제목을 수정할 수 밖에 없었죠. SSD의 유일한 단점이였던 높은 가격이 낸드플래시 제조업체들의 경쟁을 통해 내려가면서 자연스럽게 하드디스크는 가파르고 완충지대도 없는 내리막길을 걷고 있습니다.

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  • 러브란 두글자 2012.01.22 14:56 신고

    2003년 출시됬던 도시바 포르티지2010을
    사용하는 저같은 존재감 없는 사람들에겐
    ssd는 이루어질수 없는 꿈에기기네요
    그저 부럽기만한 ssd유저님의 글 잘 읽었습니다..
    새해엔 미소짓는일이 더 많아지시길..

    1. BlogIcon Seungwan 2012.01.25 22:55 신고

      넵 감사합니다

  • 폭렬헌터 2012.01.31 13:43 신고

    좋은글 감사합니다..
    겜을 좋아해서..올해 컴을 새로 맞출예정인데..
    이제..데탑에도 SSD를 사용해야할..시기인듯하네요..OS부분..

    새해 복 많이 받으세요~

    1. BlogIcon Seungwan 2012.02.02 13:55 신고

      네 감사합니다.

  • 기숙사 탈영병 2012.02.01 23:48 신고

    좋은 글 감사드립니다.
    노트북을 사려고 준비하고 있습니다.
    SDD에 대해 알고나니 지금 용량 문제로 고민입니다.ㅋㅋㅋ
    다시 한 번 더 감사드립니다.^^

    1. BlogIcon Seungwan 2012.02.02 13:57 신고

      네 개인적으로 64기가는 너무 아껴써야 하는 것 같고 256은 너무 비싸서 128정도가 딱 적당하다고 생각합니다.

  • okstra 2012.02.06 12:42 신고

    제께 시게이트 HDD 인데 아는형이 자기 64G SSD랑 바꾸자고 하는데

    (2008.04 출시제품 ㅜㅜ)

    누가 손해일지 궁금하네여


    - 시게이트 7200rpm 500G 하드디스크
    -----------------------------------------------------------------------
    CrystalDiskMark 3.0.1 x64 (C) 2007-2010 hiyohiyo
    Crystal Dew World : http://crystalmark.info/
    -----------------------------------------------------------------------
    * MB/s = 1,000,000 byte/s [SATA/300 = 300,000,000 byte/s]

    Sequential Read : 97.663 MB/s
    Sequential Write : 89.711 MB/s
    Random Read 512KB : 43.761 MB/s
    Random Write 512KB : 54.068 MB/s
    Random Read 4KB (QD=1) : 0.650 MB/s [ 158.6 IOPS]
    Random Write 4KB (QD=1) : 1.087 MB/s [ 265.3 IOPS]
    Random Read 4KB (QD=32) : 1.092 MB/s [ 266.5 IOPS]
    Random Write 4KB (QD=32) : 0.981 MB/s [ 239.5 IOPS]

    Test : 100 MB [C: 3.0% (13.8/465.8 GB)] (x1)
    Date : 2012/02/06 11:27:59
    OS : Windows 7 Ultimate Edition SP1 [6.1 Build 7601] (x64)



    - MCCOE64G5MPP-0VA(삼성 64기가 SLC)
    -----------------------------------------------------------------------
    CrystalDiskMark 3.0.1 x64 (C) 2007-2010 hiyohiyo
    Crystal Dew World : http://crystalmark.info/
    -----------------------------------------------------------------------
    * MB/s = 1,000,000 byte/s [SATA/300 = 300,000,000 byte/s]

    Sequential Read : 106.362 MB/s
    Sequential Write : 94.851 MB/s
    Random Read 512KB : 100.641 MB/s
    Random Write 512KB : 84.161 MB/s
    Random Read 4KB (QD=1) : 15.018 MB/s [ 3666.6 IOPS]
    Random Write 4KB (QD=1) : 5.378 MB/s [ 1313.0 IOPS]
    Random Read 4KB (QD=32) : 27.370 MB/s [ 6682.2 IOPS]
    Random Write 4KB (QD=32) : 5.362 MB/s [ 1309.0 IOPS]

    Test : 100 MB [F: 93.2% (37.4/40.1 GB)] (x1)
    Date : 2012/02/06 11:30:34
    OS : Windows 7 Ultimate Edition SP1 [6.1 Build 7601] (x64)

    1. BlogIcon Seungwan 2012.02.06 15:43 신고

      글쎄요... 본인이 잘 생각해보셔야 할 듯 합니다.

      일단 가격은 비슷비슷해 보입니다.

  • 배효원 2012.04.30 12:46 신고

    SSD 가 낸드플래시인 거 같아서 두 키워드로 검색했다가 여기를 발견하게 되었습니다. 궁금한 점들이 많았는데 대부분 해소하고 갑니다. ^^ 정말 이해하기 쉽게 글 잘 쓰시네요. 고맙습니다.

    1. BlogIcon Seungwan 2012.05.05 12:00 신고

      감사합니다 ^^