NAND 플래시 101: 간소화된 엔터프라이즈 SSD 폼 팩터

작가 루이스 랴오 | 2021년 8월 23일 | 모두, 낸드 플래시 101, 기술

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오늘날의 엔터프라이즈 데이터 센터는 서버 랙의 제한된 공간과 전력, 속도 및 냉각 효율성의 균형을 유지해야 하는 고유한 문제에 지속적으로 직면하고 있습니다. 스토리지와 관련하여 올바른 균형을 찾는 것이 훨씬 더 중요합니다. 그러나이 균형에 대한 주요 장애물 중 하나는 폼 팩터입니다. 기존의 많은 폼 팩터는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)가 아닌 하드 디스크 드라이브(HDD)용으로 설계되었습니다. 따라서 대규모 데이터 센터에 필요한 냉각 효율성과 스토리지 용량이 부족합니다. 아래는 이러한 문제에 대해 설명하고 데이터 센터의 의사 결정에 도움이 되는 솔루션을 제공하는 NAND 플래시 개요입니다.

낸드 플래시

NAND 플래시는 비휘발성 메모리의 일종입니다. 따라서 저장된 데이터를 유지하기 위해 일정한 전원이 필요하지 않습니다. HDD와 마찬가지로 전원이 꺼지면 데이터가 손실되지 않습니다. 또한 NAND 플래시는 일반 HDD보다 읽기, 쓰기 및 지우기 속도가 빠릅니다. 또한 면적 밀도가 더 높고 HDD보다 전력 소비가 적습니다.

엔터프라이즈 스토리지의 현재 과제

소비자 기술을 위한 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)의 등장으로 기업은 기존의 하드 디스크 드라이브(HDD)에서 SSD로 전환하는 이점을 확인했습니다. SSD의 이점은 다음과 같습니다.

- - HDD보다 내구성이 뛰어남
  - 더 빠른 전송 속도
  - 더욱 강력하고 에너지 효율적인
  - 보다 실용적인 사이즈

이러한 이점에도 불구하고 보다 효율적인 드라이브로 전환하는 데 문제가 없는 것은 아닙니다. 이러한 드라이브의 폼 팩터는 엔터프라이즈 데이터 센터에 고유한 문제를 제시합니다. SSD 인클로저는 HDD와 동일한 크기인 2.5인치 및 3.5인치 폼 팩터로 제공됩니다. 이를 통해 회사는 인프라를 크게 수정하지 않고도 SSD로 쉽게 전환할 수 있습니다.

그러나 2.5인치 및 3.5인치 인클로저의 기계적 설계는 원래 HDD와 같은 회전식 미디어용으로 설계되었습니다. 따라서 공기 흐름을 차단하고 SSD의 확장성을 제한합니다. 이러한 과제는 엔터프라이즈 데이터 센터의 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있는 새로운 기술을 촉진했습니다.

NAND 플래시: M.2 폼 팩터 및 고려 사항

M.2는 NAND 플래시 폼 팩터(이전에는 차세대 폼 팩터라고 함)이며 M.2 슬롯을 사용하여 마더보드에 직접 연결되는 내부 장착 확장 카드입니다. M.2는 초기에 공간이 제한된 모바일 플랫폼과 소비자 장치용으로 설계되었습니다. 따라서 M.2의 작은 크기는 엔터프라이즈 서버에 이상적입니다.

M.2의 과제

데이터 센터의 주요 요구 사항 중 하나는 하이퍼 스케일링 기능입니다. 따라서 저장 용량과 열 최적화가 중요합니다. 불행히도 M.2의 크기는 용량 확장성과 냉각 효율성을 제한합니다. 또한 M.2는 핫플러그가 불가능하여 런타임 중에 시스템을 유지하기가 어렵습니다.

NAND 플래시: PCIe SSD 폼 팩터로서의 애드인 카드(AIC)의 진화

기술이 발전함에 따라 컴퓨팅의 속도와 성능에 대한 요구가 수년에 걸쳐 증가했습니다. PCIe 카드(Peripheral Component Interconnect Express)라고도 하는 애드인 카드(AIC)는 PCIe 슬롯을 통해 구성 요소를 마더보드에 직접 연결하는 인터페이스를 제공하여 이러한 발전을 수용합니다.

PCIe 카드는 대역폭을 증가시킵니다.

PCIe 카드는 M.2보다 높은 성능을 제공할 수 있습니다. 그러나 M.2는 x4 슬롯을 사용하는 반면 PCIe 카드는 x8 또는 x16 슬롯을 사용하여 대역폭을 늘릴 수 있습니다.

최적화된 냉각 효율

AIC 폼 팩터가 있는 SSD는 고성능 사용 사례에 더 적합합니다. (그림 3) PCIe 카드는 또한 냉각 효율성을 최적화하면서 더 많은 NAND 플래시 패키지를 배치할 수 있는 더 넓은 영역을 제공합니다. 많은 공급업체가 방열판 및 송풍기 팬이 있는 PCIe 카드 SSD 솔루션을 제공하여 온도를 낮게 유지하고 SSD가 최고 속도로 실행되도록 합니다.

PCIe 카드의 단점

PCIe 카드는 일반적으로 서버 섀시 내부에 설치되므로 서비스가 불편합니다. 이러한 유형의 카드를 서비스하려면 장치에 액세스하려면 서버 덮개를 제거해야 합니다.

이 카드는 더 높은 성능을 제공하지만 하나의 PCIe 슬롯을 포기해야 합니다. 랙에 있는 슬롯의 가용성이 제한되어 있으므로 일반적으로 SSD보다 대역폭 요구 사항이 더 높은 장치용으로 예약됩니다(예: 그래픽). 따라서 AIC 폼 팩터가 있는 SSD는 워크로드에 이러한 고성능이 필요한 경우에만 설치됩니다.

NAND 플래시: 차세대 폼 팩터로서의 EDSFF

위의 NAND 플래시 폼 팩터에는 장점이 있지만 엔터프라이즈 데이터 센터에 최적화되어 있지 않습니다. 따라서 EDSFF라는 새로운 SSD용 폼 팩터 제품군이 탄생했습니다. EDSFF는 엔터프라이즈 및 데이터 센터 SSD 폼 팩터를 나타냅니다. 이 폼 팩터는 엔터프라이즈 및 데이터 센터 애플리케이션용으로 특별히 설계되었습니다. 이 NAND 플래시 폼 팩터 제품군은 여러 변형으로 구성됩니다. (그림 4)

- - E1.S
  - E1.L
  - E3

EDSFF의 목표는 다음과 같습니다.

- - 더 많은 전력 제공
  - 핫스왑 허용
  - 랙 단위당 스토리지 용량 및 밀도 증가
  - 냉각 비용 절감

EDSFF는 어떤 문제를 해결합니까?

EDSFF는 냉각 효율성을 허용하면서 서버 랙의 공간을 최대화하는 문제를 해결합니다. 또한 향후 확장을 위한 확장성을 지원합니다. SFF-TA-1002 커넥터를 사용하는 EDSFF는 PCIe x4, x8, x16 레인 및 최대 112Gbps 신호를 지원할 수 있습니다.

EDSFF는 미래를 준비합니다

이러한 기능을 감안할 때 EDSFF는 PCIe 4.0 및 PCIe 5.0을 지원할 수 있으며 EDSFF가 PCIe 6.0과 호환될 것으로 기대할 수 있습니다. 또한 EDSFF는 SNIA에서 NAND 플래시 폼 팩터 표준이 되었고 OCP에서 채택되었습니다. 모든 주요 SSD 공급업체는 EDSFF를 지원하고 EDSFF와 함께 SSD 제품을 출시합니다. Phison은 또한 곧 출시될 EDSFF와 함께 기업용 SSD 제품을 개발하고 있습니다.

EDSFF E1.S

E1.S는 EDSFF 제품군의 세 가지 변종 중에서 가장 인기가 있습니다. 기계 설계는 M.2 드라이브의 데이터 센터 사용을 대체하는 것입니다. (그림 5) 작은 크기를 유지하면서 더 높은 밀도와 더 높은 전력을 제공합니다.

껌 모양의 E1.S는 1U 공간에 세로로 들어갈 수 있습니다. 1U 스토리지 서버는 최대 32개의 E1.S 스토리지 드라이브를 지원할 수 있습니다.[1] 이를 통해 데이터 센터는 스토리지 용량을 확장하고 데이터 및 애플리케이션 성장을 지원할 수 있습니다.

12V 공급으로 인해 E1.S는 M.2보다 더 높은 전력 레벨을 수용할 수 있고 전압 조정기를 12V에서 3.3V로 절약할 수 있습니다. 그러나 특히 SSD가 최고 성능으로 실행될 때 전력 수준이 높을수록 SSD가 뜨거워질 수 있습니다. 따라서 E1.S는 냉각 효율성을 개선하고 필요한 공기 흐름을 줄이기 위해 5가지 두께 옵션의 방열판에 대한 장착 구멍을 예약합니다. (그림 6) 노출된 PCBA의 5.9mm 두께와 히트 스프레더의 8.01mm 두께는 전력 소비가 낮은 사용 사례에 적합합니다.

최대 20W의 전력 소비를 위해 9.5mm 두께의 대칭형 인클로저를 사용할 수 있으며 이 장치는 E1.L의 단축 버전처럼 보입니다. 더 높은 전력 사용 사례의 경우 15mm 또는 25mm 두께와 같은 비대칭 인클로저를 적용하여 열을 보다 효율적으로 발산할 수 있습니다. 밀도와 냉각 효율은 항상 서로 모순됩니다. Microsoft Azure는 15mm 비대칭 인클로저가 9.5mm와 25mm 두께 사이의 좋은 균형이라고 생각합니다. 9.5mm 두께는 충분한 냉각을 제공하지 않는 반면 25mm 인클로저는 너무 많은 공간을 희생합니다.

EDSFF E1.L

이전에 룰러로 알려진 E1.L은 긴 룰러 형태로 디자인되어 1U 서버에 최적화되어 있습니다. 극대화된 보드 공간은 더 많은 NAND Flash 패키지를 지원하고 냉각 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

일반적으로 우리는 대용량 드라이브에 U.2 폼 팩터를 사용하지만 때로는 대용량 U.2 드라이브가 두 개의 PCB를 접은 상태로 구축됩니다. 내부의 구성 요소는 샌드위치 한가운데와 같으며 이러한 구성 요소의 열은 식히기 어렵습니다.

E1.L은 금속 인클로저의 두 가지 두께 옵션과 함께 표면에 모든 영역을 분산시켜 열 문제를 해결합니다. (그림 7) 55%는 U.2 폼 팩터에 비해 공기 흐름이 덜 필요하며 전력 비용도 크게 줄어듭니다. [2] E1.L은 가장 밀도가 높은 스토리지 NAND 플래시 폼 팩터입니다. E1.L 드라이브로 가득 찬 단일 1U 스토리지 서버는 1PB 용량에 도달할 수 있습니다. 엔터프라이즈 데이터 센터는 E1.L을 사용하여 총소유비용(TCO)을 낮추면서 밀도를 높일 수 있습니다.

EDSFF E3

E3와 EDSFF 제품군의 다른 NAND 플래시 폼 팩터의 가장 큰 차이점은 모양입니다. 기존의 2.5인치 폼 팩터와 비슷해 보이지만 최대 x16 PCIe 레인과 70W 전력을 허용합니다.

E3는 U.2 폼 팩터를 대체합니다.

E3는 2.5인치 U.2 폼 팩터를 U.2에 없는 장점으로 대체하기 위해 만들어졌습니다. 형태의 유사성으로 인해 U.2에서 E3로 쉽게 전환할 수 있습니다. 일부 서버 공급업체는 U.2와 E3를 모두 지원할 수 있는 섀시 솔루션을 제공하며, 이를 통해 데이터 센터는 스토리지 장치를 U.2에서 E3로 한 번에 모두 교체하는 대신 점차적으로 U.2에서 E3로 옮길 수 있습니다.

E3 사이즈

1U 및 2U 서버 모두에 최적화된 E3는 4가지 유형의 폼 팩터로 제공됩니다. E3.L, E3.S 및 단일 또는 이중 너비. (그림 8) 업계에서는 단일 폭을 '1T'로, 이중 폭을 '2T'로 부른다. T는 두께를 나타냅니다. 2T는 전산저장, 방열이 좋아 고용량 저장 등 열이 많이 발생하는 고전력 기기에 주로 사용된다.

E3의 유연성

E3는 또한 내부에서 유연합니다. 작은 크기의 E1.S PCBA는 E3 인클로저에 들어갈 수 있으므로 E3 폼 팩터의 저용량 스토리지는 E1.S PCBA를 활용하여 비용을 낮출 수 있습니다. (그림 9) 또한 E3는 SSD만 지원하는 것이 아닙니다. 영구 메모리, GPU, NIC 등과 같은 여러 장치 유형을 지원할 수 있습니다.

미래 또는 EDSFF

EDSFF는 빠르게 더 많은 사용자를 확보하고 있습니다. 이 다목적 폼 팩터는 밀도, 전력, 용량, 성능 및 냉각에 대한 데이터 센터의 요구 사항을 충족합니다. 이와 같이 서버 제공업체와 함께 SSD 공급업체는 EDSFF를 수용하기 위해 새로운 인프라를 구축하고 있습니다.

EDSFF로 전환하는 데 몇 가지 문제가 있지만; 예를 들어 서버 섀시는 EDSFF에 맞게 재설계되어야 합니다. EDSFF는 향후 널리 보급되어 구식 2.5인치 및 M.2 폼 팩터를 대체할 것으로 예상됩니다. (그림 10)

전력, 속도 및 냉각 효율성의 균형을 유지하면서 스토리지 공간을 최적화하려면 기업이 스토리지 드라이브 폼 팩터에 더 많은 관심을 기울여야 합니다. 사용할 수 있는 제품이 많지만 데이터 센터에서 사용하기에 적합한 제품은 몇 가지에 불과합니다. EDSFF는 최소한의 공간을 차지하면서 여전히 고밀도 및 고전력 스토리지 옵션을 제공하는 차세대 스토리지 폼 팩터입니다.