성능, 내구성 및 성능을 위한 SSD 사용자 정의

작가 세바스티앙 진 | 2022년 4월 18일 | 모두, 기업

기업이 오늘날의 데이터 센터에서 성능, 효율성 및 안정성을 향상시키려고 함에 따라 점점 더 하드 디스크 드라이브(HDD) 대신 SSD(Solid-State Drive)로 전환하고 있습니다. 그러나 고유한 요구 사항에 적합한 SSD를 찾는 것은 일부 사람들이 생각하는 것처럼 간단하지 않습니다. SSD는 다양한 폼 팩터와 구성으로 제공되며 고도로 맞춤화할 수 있습니다.

특정 애플리케이션에 맞게 SSD를 사용자 지정하는 데는 많은 요소가 고려됩니다. 각 회사는 SSD 측면이 가장 중요한 우선 순위가 다릅니다. 일부 기업은 예를 들어 실시간 뱅킹 트랜잭션이나 대규모 기계 학습 데이터 세트를 통한 처리와 같은 애플리케이션을 위해 최소한의 대기 시간으로 최고 수준의 성능을 요구합니다. 다른 회사는 에너지 절약을 위한 낮은 전력 소비, 더 긴 수명 주기를 위한 높은 내구성 또는 엄격한 예산에 맞추기 위한 비용 효율성을 우선시합니다.

SSD용 하드웨어 및 소프트웨어 설계 옵션이 매우 다양하므로 기업은 먼저 스토리지 및 서버 요구 사항을 결정한 다음 정확한 요구 사항을 염두에 두고 SSD를 제공할 수 있는 공급업체를 찾아야 합니다.

성능과 내구성을 위한 SSD 맞춤화

플래시 메모리 유형, 블록 할당 및 연결 인터페이스와 같은 요소는 SSD의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

부정적인 부작용이나 내구성에 대한 영향 없이 성능을 향상시키는 가장 간단한 방법 중 하나는 사용 가능한 최고의 NAND를 선택하는 것입니다. 모든 NAND가 동일하게 만들어지는 것은 아니며, 플래시 메모리 공급업체는 경쟁에서 이기기 위해 NAND 제품을 지속적으로 개선 및 업그레이드하고 있습니다. 구매하기 전에 약간의 조사를 하는 것이 좋습니다. Phison의 엔지니어링 팀은 선도적인 NAND 웨이퍼 제조업체와 협력하여 작업합니다. 출하 전에 새로운 NAND 기술을 평가한 다음 스토리지 제품에 사용하기 위해 NAND를 검증합니다. NAND에 대한 Phison의 전문 지식은 고객이 스토리지 애플리케이션에 사용할 최적의 NAND를 선택할 수 있도록 지원합니다.

NVMe 대 SATA

SSD가 서버의 마더보드에 연결되는 방식에 따라 처리량과 성능이 향상될 수 있습니다. 모든 기업이 데이터 센터에서 HDD를 사용하고 있을 때 가장 일반적인 연결 인터페이스는 직렬 ATA 또는 SATA였습니다. 최신 버전의 인터페이스인 SATA III의 최대 대역폭 처리량은 초당 600메가바이트(MB/s)입니다. SAS도 인기가 있지만 SATA 물리적 인터페이스에 의존하기도 합니다. SAS 인터페이스가 두 배 빠르지만 물리적 플래터 기능은 SATA와 거의 같습니다.

2011년 SSD가 더 널리 받아들여지면서 NVMe(Non-Volatile Memory Express)라는 새로운 스토리지 프로토콜이 만들어졌습니다. SATA보다 약 6배 더 빠른 PCI Express(PCIe) 3.0 버스를 사용하기 때문에 마더보드에 SSD를 연결하기 위한 업계 표준이 되었습니다. 이는 SSD가 일반적으로 x4 PCIe 레인을 사용하고 2011년 600MB/s에 비해 3500MB/s 처리량을 달성했기 때문입니다. 오늘날 동일한 x4 레인은 Gen5 신호를 사용하여 14GB/s 처리량을 제공합니다. 회전 플래터와 달리 디지털 NAND 플래시 메모리는 전체 인터페이스 대역폭을 지원할 수 있습니다. 초고속일 뿐만 아니라 NVMe PCIe SSD는 더 짧은 데이터 액세스 및 명령 대기열 대기 시간을 달성할 수 있습니다. NVMe SSD는 뛰어난 멀티태스킹 기능도 갖추고 있습니다. 이러한 모든 개선 사항으로 인해 성능이 향상되었습니다.

메모리 셀 유형

SSD는 주로 플래시 컨트롤러와 데이터를 저장하는 NAND 플래시 메모리 셀로 구성됩니다. 이러한 메모리 셀은 속도와 셀이 수용할 수 있는 데이터 비트 수를 결정하는 여러 구성으로 제공됩니다.

- SLC(Single-Level Cell) SSD는 가장 기본적인 구성입니다. 각 셀은 1비트의 데이터를 받아들입니다. SLC SSD의 장점은 속도입니다. 가장 빠른 SSD입니다. 또한 가장 안정적이고 내구성이 뛰어난 SSD이며 당연히 가장 비쌉니다. 오늘날 모든 SLC 구성은 영화 산업, 의료 영상, 고주파 거래 및 우주 기반 센서 플랫폼과 같은 특수 응용 분야를 위해 예약되어 있습니다.

- MLC(Multi-Level Cell) SSD는 셀당 2비트의 데이터를 허용합니다. 셀에 2비트를 쓰는 것이 1비트를 쓰는 것보다 오래 걸리기 때문에 SLC SSD보다 느립니다. 또한 더 많은 데이터가 셀에 기록되고 메모리 셀은 시간이 지남에 따라 반복적으로 사용하면 성능이 저하되기 때문에 신뢰성과 내구성이 떨어집니다. 이 구성은 이제 TLC 및 QLC를 위해 대체로 사용되지 않습니다.

- TLC(트리플 레벨 셀) SSD는 셀당 3비트의 데이터를 받아들입니다. 오늘날 가장 일반적인 유형의 기업용 SSD로서 SLC보다 저렴한 가격에 더 큰 용량을 제공합니다. 그러나 단점은 속도, 안정성 및 내구성이 감소한다는 것입니다. TLC에 정당성을 부여하기는 하지만 모든 엔터프라이즈 스토리지의 기준선입니다. SLC는 특수 NAND로 간주되며 QLC는 비용 최적화 또는 읽기 집약적인 애플리케이션에 사용됩니다.

- QLC(Quad-Level Cell) SSD는 셀당 4비트의 데이터를 받아들입니다. QLC NAND의 가격 포지셔닝은 TLC보다 낮지만 현재 세대의 QLC는 TLC에 비해 성능과 내구성이 비교적 낮습니다. 현재 세대의 QLC NAND는 쓰기 I/O가 최소인 읽기 집약적 애플리케이션에 사용하기에 매우 적합합니다.

- 펜타 레벨 셀(PLC) SSD는 셀당 5비트의 데이터를 인코딩합니다. 아직 상용화되지는 않았지만 PLC SSD는 QLC 또는 TLC NAND에 비해 감소된 성능과 내구성으로 NAND 다이당 더 큰 스토리지 용량을 제공하고 소매 가격에서 GB당 비용은 더 낮습니다. PLC NAND의 실용적인 응용 프로그램은 드물게 사용되는 USB 플래시 드라이브 또는 대략 HDD 성능과 일치하는 플래시 메모리 카드입니다.

이러한 모든 메모리 셀 유형의 과제는 성능, 안정성 및 내구성에 대한 고객 애플리케이션의 요구 사항 간의 균형을 맞추는 방법을 파악하는 것입니다. 읽기 속도, 쓰기 속도, P/E(프로그램/지우기) 주기, 데이터 보존 및 유효 전력과 같은 기능은 이러한 각 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

예를 들어 오늘날 주류 엔터프라이즈 스토리지는 주로 TLC NAND를 사용합니다. 이에 비해 모든 SLC NAND SSD는 제조 비용이 3배 더 비싸지만 우수한 저지연 성능을 제공합니다. 대상 애플리케이션에는 고주파 주식 시장 거래 또는 할리우드 액션 장면을 녹화하는 데 사용되는 8K 비디오 드론과 같은 쓰기 작업이 많은 애플리케이션이 포함됩니다. QLC NAND는 일반적으로 TLC NAND로 가격이 책정되며 동일한 NAND 다이에서 TLC보다 33% 더 많은 스토리지를 제공합니다. QLC NAND는 석유 조사, 새로운 제트 터빈 개발 또는 게놈 연구 수행과 같은 데이터 집약적 애플리케이션에 적합합니다. 애플리케이션에 NAND를 일치시키는 것은 아래에서 볼 수 있듯이 고려해야 할 요소 중 하나일 뿐입니다.

오버 프로비저닝

NAND 플래시 메모리는 자기 미디어처럼 직접 덮어쓸 수 없습니다. 이전 블록을 지우고 다시 쓸 수 있으려면 아직 유효한 이전 데이터를 먼저 새 블록으로 이동해야 합니다. 여전히 유효한 데이터를 수집하는 과정을 "쓰레기 수집"이라고 하지만, 이 경우에는 오래된 유효하지 않은 오래된 데이터를 지우고 유효한 사용 데이터를 수집하는 것을 말합니다. 블록 지우기는 읽기 또는 쓰기 작업에 비해 상당히 느립니다. 올바르게 처리되지 않으면 지우기 작업으로 인해 성능이 느려지고 대기 시간 분포가 크게 늘어납니다. 사용자가 직접 지정할 수 없는 여유 용량을 제공하여 SSD를 오버 프로비저닝(OP)하면 새 데이터가 기록될 때 데이터가 자연스럽게 무효화되는 데 더 많은 시간이 허용됩니다. 이렇게 하면 가비지 수집 오버헤드와 드라이브 마모가 줄어들고 대기 시간 분포 곡선이 크게 강화됩니다. 추가 OP를 사용하면 시스템 성능을 방해하거나 저하시키지 않고 프로그램/지우기 주기를 수행할 수 있습니다.

OP를 높이면 정상 상태 성능이 향상되고 WAF(Write Amplification Factor)가 감소하며 실제로 SSD 내구성이 향상됩니다. OP는 가용 용량을 감소시키지만 NAND를 더 추가하여 상쇄할 수 있습니다. 불행히도 비용과 유효 전력이 모두 증가합니다.

병렬 처리

HDD에는 미디어에 대한 읽기/쓰기 헤드 위치를 관리하는 스위핑 암이 하나 또는 두 개뿐입니다. 각 디스크 면에는 전용 헤드가 있지만 동일한 암의 모든 헤드는 각 디스크 면의 동일한 섹터를 봐야 하므로 무작위 성능이 크게 제한됩니다. 반대로 4TB SSD에는 64개의 독립적인 NAND 다이가 있으며 각 다이에는 2~6개의 독립된 평면이 있습니다. 이는 엔터프라이즈 SSD가 60~80마이크로초마다 최대 384개의 I/O 명령을 동시에 처리할 수 있음을 의미합니다. 이것은 엔터프라이즈 SSD가 초당 150~400 IOPS로 제한되는 HDD와 비교하여 초당 100만~200만 I/O를 달성하는 방법입니다. 이 숫자를 원근감 있게 표현하면 눈 깜박임은 약 1/3초입니다.

스토리지 컨트롤러 디자인을 볼 때 추가 개선이 가능합니다. 일반적인 엔터프라이즈 컨트롤러에는 6~8개의 대형 처리 코어가 있는 반면 Phison 설계는 32~48개의 마이크로 코어에 중점을 둡니다. 더 복잡한 프로세서를 설계하려면 추가 노력이 필요하지만 추가 병렬 처리, 대기 시간 감소 및 전력 향상을 비롯한 여러 이점을 제공합니다.

전력 사용량에 맞게 SSD 사용자 지정

기업이 탄소 배출량을 줄이려고 노력함에 따라 데이터 센터는 에너지를 절약하고 비용을 절감할 수 있는 여러 기회를 제공합니다. 한 가지 옵션은 전력 소모가 많은 HDD를 더 효율적인 SSD로 교체하는 것이지만 일부 SSD는 다른 SSD보다 더 효율적입니다. 단순히 디지털 미디어용 회전 미디어를 대체하는 것 외에도 SSD는 몇 가지 추가 방법으로 전력 소비를 줄이도록 사용자 정의할 수 있습니다.

Phison E18 기반 클라이언트 SSD에는 노트북에서 고급 게임을 플레이하는 동안 최대 20%의 추가 배터리 수명을 제공하는 공격적인 전원 관리 기능이 포함되어 있습니다. Phison Enterprise X1 컨트롤러는 30%만큼 전력을 줄이면서 업계 최고의 성능을 갖춘 SSD를 지원합니다.

스토리지 컨트롤러의 전력 소비를 관리하는 한 가지 전략은 더 작은 프로세스 노드로 마이그레이션하는 것입니다. 예를 들어 프로세스 노드 크기를 28nm에서 12nm로 줄이면 노드가 더 낮은 전압을 사용하여 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다. 버스를 통해 데이터를 이동하거나 트랜지스터를 전환하는 데 더 적은 에너지를 사용하여 SSD에서 사용하는 에너지를 줄입니다. 더 적은 전력을 사용한다는 것은 SSD가 더 적은 열을 발생시킨다는 것을 의미하며, 이는 차례로 트랜지스터 누설 전류를 줄입니다.

전력 요구 사항을 줄이는 또 다른 방법은 SSD가 사용하는 NAND 채널 수를 줄이는 것입니다. 이 기능은 NAND에서 SSD 컨트롤러로 데이터를 이동하는 데 사용되는 향상된 ONFI 버스 속도로 가능합니다. 이제 Gen4 및 Gen5 PCIe 인터페이스를 포화시키기 위해 8개 또는 16개의 채널이 필요하지 않습니다. 4개의 NAND 채널만으로 호스트 인터페이스를 잠재적으로 포화시킬 수 있습니다. 백엔드 채널 수를 줄이면 총 SSD 전력이 20에서 30%로 줄어듭니다.

Phison은 선택한 SSD 맞춤화 파트너입니다.

SSD와 같은 맞춤형 플래시 스토리지 솔루션을 개발하려면 진지한 전문 지식이 필요합니다. 똑똑한 기업은 맞춤형 구성 요소를 만들 수 있는 지식과 전문성을 갖춘 파트너를 찾습니다.

20년 전 세계 최초의 단일 칩 USB 플래시 컨트롤러를 생산한 이후, 피손 지식 기반을 지속적으로 성장시키고 확장해 왔습니다. Phison은 파트너를 위한 주문형 엔지니어링 서비스 역할을 하며 내부에서 NAND 플래시 컨트롤러에 대한 모든 중요한 IP를 소유합니다. 이러한 높은 수준의 경험을 통해 회사는 OEM 고객 및 기업을 위해 제품을 맞춤화할 때 더 큰 유연성을 제공합니다.