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스토리지 인터페이스는 데이터 전송을 위한 인프라 역할을 합니다. 중요한 정보를 A 지점에서 B 지점으로 전송하는 역할을 하며, 일반도로와 고속도로처럼 다양한 시나리오에 가장 적합한 옵션이 있습니다.

SATA (Serial Advanced Technology Attachment)

SATA는 가장 오래되고 가장 저렴한 인터페이스입니다. 일반적으로 가장 기본이 되는 인터페이스입니다. SATA 인터페이스는 두 쌍의 도체를 통해 고속 직렬 케이블을 통해 데이터를 전송합니다. 90년대에는 병렬 데이터 스트림을 사용하던 인터페이스에 비해 획기적으로 개선된 방식이었습니다. 데이터를 직렬로 전송함으로써 SATA는 여러 비트를 패킷으로 묶어 그 어느 때보다 빠르게 데이터를 전송할 수 있었습니다. 오늘날 가장 최신의 옵션은 아니지만, SATA 인터페이스는 여전히 시중에 나와 있는 거의 모든 노트북에서 사용되고 있습니다.

서버 환경에서는 SATA에 몇 가지 단점이 있습니다. 가장 큰 단점은 SATA는 half duplex기능만 제공하므로 동시에 읽고 쓸 수 없다는 점입니다. 또한 오류 복구 및 보고 기능이 적습니다. 따라서 거의 액세스하지 않는 데이터가 포함된 가벼운 워크로드의 경우 SATA는 매우 저렴합니다. 하지만 엔터프라이즈급에서는 보다 까다로운 워크로드에 SAS 채널을 사용할 가능성이 높습니다.

궁극적으로 스토리지 인터페이스를 결정할 때 성능보다 비용이 더 중요한 경우에는 SATA가 최선의 선택입니다. 더 높은 성능이 필요한 복잡한 워크로드의 경우 SAS로 업그레이드하는 것이 좋습니다.

 

SAS (Serial Attached SCSI)

SAS는 솔리드 스테이트 드라이브가 등장하면서 자연스럽게 SATA가 진화한 것입니다. 

SAS와 SATA의 주요 차이점은 포인트 투 포인트 직렬 프로토콜입니다. SAS를 사용하면 컨트롤러가 드라이브에 직접 연결되며, 더 얇고 긴 케이블을 통해 최대 128개의 서로 다른 장치를 연결할 수 있습니다. 또한 SAS는 고속 읽기 및 쓰기 작업을 동시에 지원하는 FULL DUPLEX 기능을 갖추고 있습니다.

이러한 이유로 SAS는 데이터 센터에서 가장 일반적인 스토리지 인터페이스입니다. 안정적이고 비용 대비 속도가 뛰어나며, 엔드투엔드 데이터 무결성을 위한 오류 검사 기능이 내장되어 있습니다. 또한 SAS는 SATA와 동일한 환경에서 작동하도록 구성할 수도 있습니다. 따라서 자주 액세스하는 데이터 에는 SAS 드라이브를 사용하고, 자주 엑세스하지 않는 데이터에는 SATA 드라이브의 비용 이점을 활용할 수 있습니다.

NVMe (Non-Volatile Memory Express)

강력한 컴퓨팅 성능이 필요한 기업에게 NVMe 스토리지 인터페이스보다 더 뛰어난 성능은 없습니다. 비용이 꽤 많이 들지만 속도가 주요 결정 요소라면 그만한 가치가 있습니다.

NVMe는 서버 제조업체의 급증하는 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 2000년대 초, 최초의 PCIe 버스는 CPU에 직접 연결되었기 때문에 대역폭이 크게 증가했습니다. 하지만 안타깝게도 이 대역폭은 하드 디스크 드라이브용으로 설계된 스토리지 인터페이스에 의해 병목 현상이 발생했습니다. 그래서 미래에도 사용할 수 있는 인터페이스와 서버 기술의 발전을 최대한 활용하기 위해 NVMe가 탄생했습니다.

NVMe는 장치 드라이버와 PCIe 장치 사이에 직접 위치하여 짧은 지연 시간, 확장성 및 보안을 제공합니다. 따라서 최첨단 SAS 인터페이스보다 초당 최대 4배 더 뛰어난 I/O 작업을 제공할 수 있습니다. 또한, 드라이브가 CPU에 연결된 동일한 '풀'의 레인을 사용할 수 있게 함으로써 NVMe는 확장성을 크게 향상시킵니다. 비용 측면에서 NVMe는 전력 소비를 크게 줄이고 보안을 개선하였습니다.

이 강력한 새 스토리지 인터페이스가 아직 서버 스토리지 인터페이스 기술의 표준이 되지는 못했지만, 차세대 대세가 될 것은 분명합니다. 따라서 10년 후 현 상황을 뛰어넘는 스토리지 환경을 구축하고자 한다면 지금 바로 NVMe에 투자하는 것이 좋습니다.

 

NVMe의 장점

NVMe 기술은 우수한 스토리지, 우수한 속도 및 우수한 호환성을 제공합니다. NVMe는 PCIe 소켓을 활용하기 떄문에, SATA와 비교해 25배 더 많은 데이터를 전송합니다. 더 많은 데이터가 전송과 함께 NVMe의 명령은 AHCI 드라이버의 명령보다 2배 이상 빠릅니다. 이외에 NVMe의 초 당 입/출력 작동(IOPS)는 100만을 초과하며, AHCI 드라이브와 비교해 최대 900% 이상 빠릅니다. NVMe는 또한 시스템 CPU와 직접 통신을 하며, 호환성으로 인해 속도는 놀라운 수준이 됩니다. 폼 팩터에 관계없이, NVMe 드라이브는 모든 주요 운영 체제에서 작동합니다.

NVMe(Non-Volatile Memory Express)는 PCIe가 제공하는 높은 대역폭을 활용하는 커뮤니케이션 인터페이스 및 드라이버입니다. 성능과 효율성을 높이도록 설계되었으며 한편 여러 기업 및 클라이언트 시스템의 상호 운용을 가능하게 합니다. NVMe는 SSD를 위해 설계되었으며 폼 팩터의 제약을 받지 않고 고속 PCIe 소켓을 사용하여 스토리지 인터페이스와 시스템의 CPU 사이에서 통신을 수행합니다.

NVMe 프로토콜은 고성능 프로세서 구조와 같은 기본 미디어에서 평행, 낮은-지연시간 데이터 경로를 활용합니다. 그 결과 SAS와 SATA 프로토콜과 비교했을 때 성능은 크게 높아지고, 지연시간은 감소하였습니다. NVMe는 입력 값이 64K인 각각의 대기열에 대해 최대 64K로 여러 I/O 대기열을 지원할 수 있습니다. AHCI(Advanced Host Controller Interface)와 같은 레거시 드라이버를 사용하는 구형 스토리지 모델과 비교해 더 많은 데이터를 더 빠르게 전송하는 입력/출력 작업이 가능합니다. NVMe가 특별히 SSD를 위해 설계되었다는 점에서, 실제로 새로운 산업 표준이 되었습니다.

SSD 스토리지: 과거와 현재

데이터 버스는 시스템 내에서 데이터를 전송하며 그리고 NAND-기반 SSD가 처음 출현하였을 때, 산업에서 새로운 버스와 프로토콜이 필요하다 는 사실이 분명했습니다.

• 첫 번째 SSD는 기존 SATA 스토리지 인프라를 편리하게 사용할 수 있도록 만들어졌기 때문에 속도가 매우 느렸습니다. SATA 버스가 16Gbps로 진화하였으나, 상업적으로 SATA 버스는 거의 모두 6Gbps 로 구현되었던 것입니다.
• PCIe 3.0의 전체 처리량은 16Gbps인 한편 PCIe 4.0의 처리량은 PCIe 3.0의 2배 에 이릅니다. 최대 16레인을 제공하고 최대 32,000MB/s로 데이터를 전송할 수 있는데 반해 SATA III는 600MB/s가 최대입니다.

기존의 높은 대역폭 버스를 활용하기로 한 결정으로 SATA 프로토콜은 PCIe 기술로 대체되었습니다.이미 몇 년 전NVMe가 PCIe 스토리지를 선보였습니다. 그러나 SATA, AHCI와 같은 구형 데이터 전송 프로토콜로 인해 이전 솔루션에서 병목이 발생하였으며, 그로 인하여 최근까지 잠재성을 모두 폭발시킬 수 없었습니다. NVMe는 병목을 해소하는 솔루션이었으며, 낮은 지연 시간 명령과 64K 대기열을 제공하여 제한을 없앴습니다. 여러 대기열에서 빠른 데이터 전송이 가능하며 이는. 하드 드라이브 와 같은 회전형 디스크에서 기록되지 않는 대신 칩과 블록을 사용한 하나의 분산 방식을 통하여 SSD에 기록되기 때문입니다.

통신 드라이버: AHCI vs NVMe

운영 체제는 통신 드라이버를 사용하여 스토리지 장치에 데이터를 전송합니다. NVMe 드라이버는 SATA 인터페이스에서 일반적으로 발견되는 AHCI 드라이버와 비교해 속도가 빠릅니다.

• AHCI 드라이버는 회전형 디스크 기술을 사용한 일반적인 하드 드라이브를 위해 설계되었으며, 특별히 SSD를 위해 플래시 기술 을 사용하여 설계된 NVMe 는 AHCI 드라이버보다 빠릅니다.
• NVMe 64K 명령 대기열을 갖고 있으며, 대기열 당 64K 명령을 전송할 수 있는 한편, AHCI의 대기열은 하나이며, 대기열 당 32 개의 명령만 전송할 수 있습니다.
• AHCI 드라이버를 사용했을 때, 명령은 높은 CPU 사이클을 활용하고 그리고 지연 시간이 6 마이크로초인데 반하여, NVMe 드라이버 명령은 낮은 CPU 사이클을 활용하고 그리고 지연 시간은 2.8 마이크로초입니다.

NVMe 드라이버 는 시스템 CPU와 직접 통신을 하지만, AHCI는 반드시 SATA 컨트롤러와 통신해야 합니다. AHCI는 IOPS(Input/Output Operations Per Second)가 최대 100K인데 반하여 NVMe는 100만 이상입니다. IOPS (Input/Output Operations Per Second, pronounced i-ops)는 컴퓨터 스토리지 장치를 벤치마킹하는데 사용되는 일반적인 성능 측정입니다.

NVMe SSD 폼 팩터

NVMe SSD에 다양한 폼 팩터가 포함되지만, 사용 사례나 애플리케이션에 따라 특별해 집니다.

• 개인/클라이언트 제품은 BGA와 M.2 폼 팩터를 사용합니다.
• 데이터센터/서버 애플리케이션은 M.2, U.2, U.3와 EDSFF 폼 팩터를 사용합니다.

동일한 프로토콜(NVMe), 동일한 인터페이스(PCIe)를 공유하고, 자체 에지 커넥터(SFF-TA-1002), 핀 아웃과 기능(SFF-TA-1009)을 사용한 폼 팩터와 표준을 역동적인 범위로 제공하는 EDSFF(Enterprise and Data Center SSD Form Factor) 내에서 표준과 노력이 개발되고 있습니다.

우수한 스토리지 기술에 있어서 NVMe는 독보적인 위치에 있습니다. 슬쩍만 보아도 NVMe와 SATA 간의 성능 차이는 상당합니다. NVMe와 SATA의 통신 드라이버와 인터페이스는 완전히 다른데, SATA는 회전 기술을 사용하는 하드디스크 드라이브(HDD)용으로 설계된 AHCI 드라이버를 사용하는 반면 NVMe 드라이버는 플래시 기술을 사용하는 SSD용으로 특수하게 설계되었습니다. 이외에도 NVMe는 PCIe 소켓을 이용하여 스토리지 인터페이스와 시스템의 CPU 간에 서로 통신하는 데 있어서 더 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 대결을 스포츠 경기에 비유하자면 F1 레이스와 슈퍼 투어링 레이스를 비교하는 격입니다.

얼핏보면 NVMe와 SATA는 모두 속도가 빠르지만 SSD의 두 가지 유형을 비교하면 이들의 차이점은 두드러집니다. 귀하가 필요로 하는 것, 원하는 것 그리고 요건을 평가할 때 이러한 차이점을 고려하는 것이 중요합니다.

SATA SSD

직렬 ATA(SATA) 기술은 2000년에 케이블 크기, 비용, 성능 및 기능성이 제한된 기존의 병렬 ATA 기술에 대한 향상된 기술로서 도입되었습니다. 하드디스크 드라이브(HDD)는 오늘날의 SSD보다 성능이 상당히 떨어지기 때문에 이 두 기술 모두 HDD에 사용하기에 충분했습니다. SATA 기반 SSD의 출현은 ATA 버스의 성능이 한계에 도달했음을 보여주었습니다. HDD의 읽기 성능이 겨우 50~120 MB/s에 도달할 수 있는 반면, SSD는 550 MB/s에서 SATA 버스 성능이 최대치에 다다를 수 있습니다. 버스에 이러한 제한이 있음에도 불구하고 기존 HDD 기술 대신에 SATA 기반 SSD를 사용할 경우 일반적으로 시스템의 전체 성능이 10~15배 개선되는 것이 확인되었습니다.

AHCI

고급 호스트 컨트롤러 인터페이스(AHCI)는 SATA 연결 스토리지 장치의 성능과 유틸리티를 개선할 수 있도록 약 2004년에 설계된 통신 모드입니다. AHCI는 HDD용으로 설계되었고 최대 32개의 명령어를 포함하는 단일 스토리지 요청 대기열을 도입하였습니다. 이는 HDD가 높은 처리량과 성능을 달성할 수는 있지만, 이러한 구현이 향후 SSD 컨트롤러 기술의 장애물이 될 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 SATA 기반 SSD가 최대 100,000 IOPS에 도달하여 SATA 버스에 의해 인위적으로 성능이 제한되는 경우 HDD는 최대 200개의 초당 입/출력 작동(IOPS)을 달성할 수 있습니다.

NVMe SSD

NVMe(Non-Volatile Memory Express) 기술은 SATA 인터페이스와 통신 프로토콜의 여러 병목현상을 해결하기 위해 2011년에 도입되었습니다. NVMe 기술은 SATA 버스 대신에 PCIe 버스를 사용하여 스토리지 장치의 엄청난 잠재적 대역폭을 실현할 수 있습니다. PCIe 4.0(현재 버전)은 최대 32개의 레인을 제공하고 이론상으로 SATA III의 사양 한계인 600 MB/s와 비교하여 최대 64,000 MB/s의 데이터를 전송할 수 있습니다. 또한 NVMe 사양은 65,535개의 명령어 대기열이 가능하여 대기열당 최대 65,536개의 명령어를 가질 수 있습니다. SATA 기반 SSD는 대기열당 단지 32개의 명령어를 포함하는 단일 대기열로 제한된다는 점을 상기하십시오. NVMe 기술은 폭넓은 범위의 시스템에서 효율성, 성능 및 상호 운영성 증가를 통해 스토리지 장치의 높은 잠재력을 생성합니다. 이 기술은 산업의 새로운 표준이 될 것임이 보편적으로 받아들여지고 있습니다.

SSD 폼 팩터

HDD의 일반적인 폭은 2.5 또는 3.5인치이며 대부분의 SATA 기반 SSD의 폭은 2.5인치이고 두께는 7 mm인 반면, NVMe 드라이브는 다양한 장치에 적합하도록 많은 새로운 폼 팩터를 채택하였습니다.

• M.2 - M.2 폼 팩터에서 확인된 드라이브의 물리적 크기 감소는 앞으로 이러한 스토리지 장치가 일반적으로 사용되는 미래 환경을 보장합니다. 22는 폭을 나타내고 30/42/80/110은 길이(mm)를 나타냅니다. 현재 M.2 2280은 SATA를 지원하고 이는 또한 NVMe용의 가장 일반적인 NVMe SSD 폼 펙터입니다. 기술은 발전했다가 쇠퇴하므로 이 기술 또한 변할 수 있습니다.
• U.2 - 이는 데이터 센터/기업용 스토리지 환경에서 일반적으로 볼 수 있는 가격이 높고 성능과 내구성이 뛰어난 스토리지 장치입니다.
• 애드인 PCIe 카드 - 이러한 고성능 NVMe SSD는 아직 조정된 소켓을 갖추지 않은 시스템에서 M.2 폼 펙터를 수용할 수 있는 방법을 찾았습니다.

SSD 성능 살펴보기

NVMe는 SSD를 염두에 두고 특수하게 설계된 스토리지 프로토콜입니다. SATA HBA의 중간 층을 제거함으로써, NVMe는 SSD가 PCIe 버스를 통해 CPU와 직접 통신하도록 허용하여 혁신적인 성능 개선의 통로를 엽니다. NVMe에 대해 자세히 알아보자면, SATA III 버스의 성능 한계는 6 Gb/s이며 이는 오버헤드를 고려하면 SATA SSD가 최대 550 MB/s의 처리량을 제공할 수 있음을 의미합니다. 단일 PCIe 3.0 레인은 1 GB/s(양방향)의 처리량을 제공할 수 있으므로 PCIe 3x4 SSD의 최대 처리량은 4 GB/s 읽기/쓰기에 도달할 수 있습니다. PCIe Gen 4X4 SSD의 경우 최대 처리량은 8 GB/s(양방향)에 이릅니다. 성능 한계가 프로토콜에서 NAND 미디어로 이동하는 등 최근 괄목할만한 발전을 이루었으며 제조업체들은 최고 밀도와 성능을 초소형 폼 펙터에 밀어 넣을 수 있게 되었습니다.

또한 NVMe는 SATA/SAS 보다 짧고 최적화된 데이터 경로를 제공하므로 NVMe를 사용할 경우 프로토콜 지연이 상당히 감소합니다. 또한 I/O 처리 도어벨 신호는 CPU 오버헤드를 상당히 감소시키므로 NVMe 장치의 대기열 관리가 CPU에 의해 보다 효율적으로 처리됩니다. 뿐만 아니라 NVMe 장치는 지난 10년간 이루어온 엄청난 개발 노력 덕분에 대부분의 주요 운영 체제에서 지원됩니다.

 노트북이나 데스크탑에 적용할 수 있는 가장 큰 업그레이드는 더 빠른 스토리지입니다. 그리고 더 빠른 스토리지 측면에서 SSD는 오래전부터 기존의 하드 디스크 드라이브를 능가했습니다. 하지만 가장 인기 있는 두 가지 SSD인 NVMe와 SATA  중에서 선택하는 것은 어떻습니까. 먼저 두 SSD 드라이브에 대해 하나씩 알아보겠습니다.

1. NVMe란 무엇입니까?

Non-Volatile Memory Express 또는 NVMe는  PCle SSD용 최신 소프트웨어 프로토콜입니다. 2013년에 도입된 NVMe는 PCle를 통해 데이터를 읽고 씰 수 있습니다. NVMe는 장치 드라이버와 PCle 장치 사이의 계층 역할을 하며 PCle 기반 솔리드 스테이트 스토리지를 사용하는 컴퓨터의 요구 사항을 해결하도록 설계되었습니다. 

전체 용어로 말하면 비휘발성 메모리는 시스템이나 전원이 꺼진 경우에도 데이터를 유지하는 메모리를 의미하고 익스트레스는 시스템 메인보드의 PCle 버스에서 데이터가 이동하는 것을 의미합니다. 

애플리케이션이 훨씬 더 복잡해지고 리소스에 의존하게 된 오늘날에도 소비자와 기업은 여전히 빛처럼 빠른 응답 시간을 기대합니다. 또한 성능과 데이터 내구성이 그 어느 때보다 중요합니다. 짧은 시간과 높은 대역폭에 대한 사항을 충족하기 위해 NVMe 인터페이스는 PCIExpress 버스를 통해 플래시 스토리지에 액서스하여 수천 개의 병렬 명령 대기열을 지원합니다. 이로 인해 NVMe는 단일 명령 대기열을 활용하는 HDD 및 기존 올플래시 아키텍처보다 훨씬 빠릅니다. 

2. NVMe의 장점과 단점 

1) NVMe 장점

뛰어난 속도와 저장공간을 제공합니다. 

CPU와 직접 통신하여 높은 수준의 호환성 제공

NVMe 기반 SSD는 폼 팩터에 관계없이 모든 주요 운영 체제와 호환됩니다. 

NVMe는 데이터 개인 정보 보호 문제를 터널링 프로토콜을 지원합니다. 

SAS 또는 SATA 보다 훨씬 높은 대역폭을 지원합니다. 

NVMe는 소프트웨어 스택도 포함하여 10마이크로초 미만의 엔드투엔드 대기 시간을 제공합니다. 

2) NVMe 단점 

NVMe SSD는 가격이 비싸며 표준 2.5인치 SSD 장치보다 가격이 훨씬 높습니다. 

구형 컴퓨터 시스템은 레거시 NVMe를 지원하지 않으므로 스토리지 시스템을 업그레이드하는 것이 어렵습니다. 

클라이언트 PC는 NVMe M.2 형식을 사용하므로 사용 가능한 다른 솔루션에 비해 드라이브 선택이 제한됩니다. 

이는 대용량 데이터를 저장하기 위한 비용 효율적인 솔루션이 아닙니다. 

3. SATA란 무엇인가?

직렬 ATA 또는 SATA는 SSD가 시스템과 통신하는 데 사용하는 연결 인터페이스입니다. 2003년에 만들어진 이 제품은 하드 드라이브와 동일한 인터페이스를 사용합니다. SATA는 가장 낮은 등급의 SSD이지만 SATA SSD를 사용하는 시스템은 여전히 하드 드라이브를 사용하는 시스템과 유사하게 3~4배의 대역폭을 제공합니다. SATA SSD는 2003년에 출시된 이후 이를 사용하는 사용자를 찾을 가능성이 높습니다. 

SATA SSD는 HDD보다 훨씬 빠르게 부팅하고 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다. 또한 SATA SSD의 수명은 약 10년이므로 HDD 드라이브보다 수명이 더 깁니다. PC를 켜거나, 작업을 전환하거나, 애플리케이션을 열 때 SATA SSD와 HDD의 속도 차이를 확인할 수 있습니다. 그러나 SATA SSD는 HDD보다 가격이 더 비싸므로 동일한 저장 용량에 비해 비용이 두 배 정도 비쌉니다. 

4. SATA 장점과 단점

1) SATA 장점  

SATA는 다양한 폼 팩터와 하드웨어에 대한 광범위한 지원으로 수십 년 동안 알려져 왔습니다. 이로 인해 2000년대 초반부터 출시된 많은 새롭고 오래된 장치와도 놀라울 정도로 호환됩니다. SATA SSD는 쉽게 구할 수 있고 회전식 미디어보다 성능 수준이 낮기 때문에 상대적으로 저렴합니다. 시스템 메인보드의 슬롯을 차지하지 않습니다. 잘 정립된 형식을 가지고 있습니다. 

2) SATA 단점 

SATA는 가장 느린 스토리지 전송 프로토콜입니다. 따라서 최신 또는 향후 출시될 장치가 아닌 오래된 저장 장치에 이상적입니다. 빠른 데이터 전송과 낮은 대기시간을 필요로 하고 분주하고 데이터 집약적인 환경에서 적합하지 않습니다. SATA 슬롯과 명령 세트를 사용하는 일부 M.2 장치는 NVMe 장치보다 훨씬 느리게 작동합니다. 설치를 위해서는 베이가 필요합니다. 

 

SSD(solid-state drive)는 HDD(hard-disk drive)보다 속도가 빠르다. 하지만 모든 SSD가 같은 것은 아니다. SSD는 모양과 크기가 다양하며, 최대 속도와 가격도 천차만별이다. SSD의 종류별 특징과 차이점을 알아보자.

인터페이스 종류

SSD는 NVMe 혹은 SATA를 사용해 PC의 나머지 부분과 통신한다. 일반적으로 SATA는 NVMe보다 속도가 느리다. 반면 M.2는 사실상 폼팩터에 가까우므로 시중에는 NVMe M.2 SSD와 SATA M.2 SSD가 모두 출시되어 있다. 

다만 제품 광고나 설명서에서 가끔 NVMe 드라이브임을 나타내기 위해 ‘M.2 SSD’라는 표현을 사용하고, 2.5인치 폼팩터 SSD임을 나타내기 위해 ‘SATA SSD’라는 표현을 사용한다. 따라서 ‘M.2 SSD’나 ‘SATA SSD’라는 표현을 액면 그대로 받아들이면 안 된다. 반드시 기술 사양을 확인하고 노트북 또는 데스크톱 PC의 스토리지 드라이브의 대략적인 속도를 확인해야 한다.

속도 : NVMe > SATA

앞서 언급했듯이 NVMe 드라이브는 SATA 드라이브보다 속도가 빠르다. 두 가지 드라이브 모두 M.2 폼팩터를 탑재해도 마찬가지다. 전송률은 NVMe 드라이브가 사용하는 PCIe 커넥터 세대와 개별 모델에 따라 달라진다.

현재 NVMe PCIe 3.0(3세대) SSD의 최대 속도는 3,500MBps다. NVMe PCIe 4.0(4세대) SSD는 7,500MBps까지 전송할 수 있다. 통상적으로 제조업체는 특정 모델에서 예상할 수 있는 이론적인 속도를 기술한다. 실제 속도는 독립적인 벤치마크 테스트로 확인할 수 있다. 

SATA SSD의 최대 전송률은 500MBps다. NVMe 드라이브처럼 개별 모델마다 성능이 다르지만, NVMe와 비교하면 놀라울 정도로 느리다. 하지만 SATA HDD와 비교했을 때 차이가 극명하다. 7,200RPM HDD는 최대 속도가 160MBps다. 웹 브라우징이나 문서 편집 같은 기본적인 작업을 수행할 때도 HDD와 SATA SSD의 차이를 모두가 느낄 수 있는 정도다. 대용량 파일을 다룰 때에는 SATA가 아닌 NVMe가 적합하다. 

M.2 폼팩터 : NVMe와 SATA 모두 지원

노트북이나 완성품 PC에 탑재된 NVMe SSD는 M.2 폼팩터를 사용한다. 다른 폼팩터도 있지만 일반적으로 사용되지는 않는다. SATA SSD는 2.5인치 혹은 M.2 드라이브 형태를 모두 채택할 수 있다. 노트북에 잔여 M.2 슬롯이 있다면, 드라이브를 추가 구매하기 전에 NVMe를 지원하는지 SATA를 지원하는지, 아니면 2가지 모두 지원하는지 확인해야 한다.

가격 : NVMe > SATA

예상했겠지만, SSD는 속도가 빠를수록 가격이 비싸다. 시중에 판매되는 1TB SATA SSD의 가격은 10만 원 초반대이며, 1TB NVMe PCIe 3.0 드라이브의 가격은 10만 원 중후반대다. 1TB PCIe 4.0 드라이브 가격은 10만 원 초반대부터 20만 원대까지 다양하다. 조금 저렴한 1TB PCIe 4.0 드라이브는 최대 속도가 5,000MBps 정도다.

폼팩터 종류에 따라 가격 차이가 나지는 않는다. 2.5인치 SATA SSD와 M.2 모델의 가격이 동일한 경우가 대부분이다. 가끔 2.5인치 모델이 M.2 모델보다 저렴한 경우가 있는데, 일반적이지는 않다.

NVMe/M.2/SATA SSD 비교 정리

	NVMe SSD	M.2 SSD	SATA SSD
속도	PCIe 3.0 최대 3,500MBps PCIe 4.0 최대 7,500MBps	SATA 최대 550MBps NVMe PCIe 3.0 최대 3,500MBps NVMe PCIe 4.0 최대 7,500MBps	최대 550MBps
폼팩터 종류	M.2 U.2* PCIe 카드* *일반적이지 않은 종류	N/A	2.5인치 드라이브 M.2
인터페이스 종류	N/A	SATA NVMe	N/A
장점	속도가 빠름	공간을 덜 차지함	속도와 가격의 균형
단점	가격이 비쌈	SATA M.2가 2.5인치 SATA보다 비싼 경우가 있음	속도가 느리고 공간을 많이 차지함

 

<관련 학문 및 원리>

스핀트로닉스의 개념과 정의

스핀트로닉스(Spintronics)는 ‘스핀(Spin)’과 ‘일렉트로닉스(Electronics)’의 합성어로, 전자(electron)의 스핀(Spin)과 전하(charge) 두 가지 특성을 동시에 활용하는 기술입니다. 기존 전자공학이 전자의 전하(charge)를 이용해 정보를 저장하고 처리했다면, 스핀트로닉스는 여기에 전자의 스핀(Spin)이라는 양자역학적 특성을 추가로 이용합니다.

전자의 스핀(Spin)이란?

전자의 스핀은 전자가 가지는 고유한 자기적 성질로, 전자가 회전하는 것처럼 보이는 양자역학적 특성입니다. 스핀은 주로 ‘업(↑)’과 ‘다운(↓)’ 두 가지 상태로 존재할 수 있습니다. 이 두 상태를 활용하여 0과 1의 이진(binary) 정보를 표현할 수 있습니다.

스핀트로닉스의 작동 원리

자기저항 효과(Giant Magnetoresistance, GMR): 서로 다른 자성을 가진 두 층 사이에 얇은 비자성 물질을 끼워 넣었을 때, 외부 자기장에 따라 전자의 이동 저항이 달라지는 현상입니다. 자기저항 효과(GMR, Giant Magnetoresistance)는 1988년 알베르 페르(Albert Fert)와 페터 그륀베르크(Peter Grünberg)에 의해 독립적으로 발견된 현상으로, 자기장에 따라 전자의 이동 저항이 급격히 변화하는 현상입니다. 이 발견으로 두 과학자는 2007년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 두 강자성층의 스핀 방향이 평행(Parallel)일 때 전자의 이동 저항이 낮아집니다. 두 강자성층의 스핀 방향이 반평행(Anti-parallel)일 때 저항이 급격히 증가합니다. 외부 자기장이 가해지면 두 강자성층의 스핀 방향이 조정되며, 저항 값이 변하게 됩니다.

GMR의 모식도

스핀 밸브(Spin Valve): 전자의 스핀 방향을 조절하여 전도성을 제어하는 장치입니다.

터널 자기저항 효과(Tunnel Magnetoresistance, TMR): 두 강자성체 층 사이에 얇은 절연체를 두었을 때 스핀 정렬 상태에 따라 터널링 전류가 달라지는 효과입니다.

 

스핀트로닉스의 장점

저전력 소모: 스핀트로닉스는 전자의 스핀을 활용하기 때문에 전하 이동에 비해 에너지 소모가 적습니다.

비휘발성: 스핀 상태는 전원이 꺼져도 유지되므로 비휘발성 메모리 구현이 가능합니다.

고속 데이터 처리: 스핀 상태를 빠르게 읽고 쓸 수 있어 고속 데이터 처리가 가능합니다.

소형화 및 집적도 향상: 스핀트로닉스 장치는 기존 반도체보다 더 작고 집적도가 높습니다.

 

스핀트로닉스의 응용 방법

MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory): 자기저항 효과를 활용한 비휘발성 메모리로, 데이터 저장 속도와 안정성이 뛰어납니다.

하드디스크 드라이브(HDD): 스핀트로닉스 기술로 읽기 헤드의 감도를 높여 저장 밀도를 극대화합니다.

양자컴퓨팅(Quantum Computing): 전자의 스핀을 양자 비트(qubit)로 활용하여 양자 연산을 수행합니다.

센서 및 자기장 감지기: 자동차 및 산업용 센서에서 자기장을 정밀하게 감지합니다.

고속 데이터 전송 장치: 초고속 데이터 전송이 필요한 네트워크 장비와 통신 장치에 활용됩니다.

 

스핀트로닉스 기술의 한계

스핀을 정확하게 제어하고 검출하는 기술이 매우 복잡합니다. 스핀에 의한 저장 정보는 온도 변화에 민감하여 안정성이 떨어질 수 있으며, 첨단 기술을 필요로 하기 때문에 제조 비용이 높습니다.

 

스핀트로닉스의 미래 전망

스핀 기반 양자 컴퓨터: 스핀트로닉스 기술은 차세대 양자 컴퓨터 개발에 핵심 역할을 할 것입니다.

차세대 메모리: MRAM과 같은 비휘발성 메모리가 기존 DRAM과 NAND 플래시를 대체할 가능성이 있습니다.

에너지 효율성: 저전력 고성능 장치 개발로 다양한 모바일 및 임베디드 시스템에 활용될 것입니다.

 

스핀트로닉스는 기존 반도체 기술의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 열어갈 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 특히 MRAM, 양자컴퓨터, 고속 데이터 전송 장치 등 다양한 산업 분야에서의 응용이 기대됩니다.

스핀트로닉스(Spintronics)는 전자의 스핀과 그 연관된 자기 모멘트를 이용하여 정보를 저장하고 처리하는 기술 분야를 의미합니다. 이는 전통적인 전자공학이 전자의 전하를 이용하는 것과는 달리, 전자의 또 다른 속성인 스핀을 활용합니다. 스핀트로닉스는 나노기술, 정보 기술, 재료 과학 등 다양한 학문 분야와 긴밀하게 연관되어 있으며, 미래의 고성능, 저전력 전자기기의 핵심 기술로 주목받고 있습니다.

 

스핀트로닉스의 개념

전자의 스핀

전자는 기본 입자로서 전하와 스핀이라는 두 가지 중요한 특성을 가집니다. 스핀은 전자가 가지는 고유의 각운동량으로, 이를 쉽게 설명하기 위해 종종 전자가 스스로 회전하는 것처럼 비유됩니다. 전자의 스핀은 두 가지 상태(스핀 업과 스핀 다운)로 존재할 수 있으며, 이 두 상태는 외부 자기장에 의해 정렬될 수 있습니다.

자성 재료

스핀트로닉스에서 중요한 역할을 하는 자성 재료는 전자의 스핀 상태를 제어하고 감지하는 데 사용됩니다. 페로자성 재료(예: 철, 니켈, 코발트)는 자화 된 상태를 유지할 수 있으며, 스핀트로닉스 소자에서 스핀의 방향을 유지하거나 변경하는 역할을 합니다. 이와 함께 반자성 재료와 강자성 재료도 스핀트로닉스 소자에서 중요한 역할을 합니다.

거대자기저항(GMR) 및 터널링 자기 저항(TMR)

스핀트로닉스의 중요한 기술적 발견 중 하나는 거대자기저항(GMR)과 터널링 자기 저항(TMR) 효과입니다. GMR은 두 자성층 사이에 비자성층이 있을 때, 외부 자기장에 의해 자성층의 상대적 배향이 변화함에 따라 전기 저항이 크게 변하는 현상입니다. 이는 1988년에 발견되었으며, 이후 하드 디스크 드라이브의 읽기 헤드에 사용되어 데이터 저장 밀도를 크게 향상했습니다.

TMR은 두 자성층 사이에 얇은 절연층이 있을 때, 전자의 양자 터널링에 의해 발생하는 저항 변화를 의미합니다. 이는 자기 터널 접합(MTJ) 구조에서 관찰되며, MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)과 같은 비휘발성 메모리 소자의 개발에 중요한 역할을 합니다.

스핀트로닉스 소자의 동작 원리

스핀트로닉스 소자는 전자의 스핀 상태를 제어하고 감지하는 데 중점을 둡니다. 예를 들어, 스핀밸브(spin valve) 소자는 두 자성층과 그 사이의 비자성층으로 구성되며, 외부 자기장에 따라 자성층의 상대적 배향이 변하여 저항이 변화합니다. 이 변화를 통해 정보를 읽고 쓸 수 있습니다.

또한, 스핀 전달 토크(STT) 및 스핀 궤도 토크(SOT)와 같은 효과를 활용하여 전자의 스핀 상태를 조작할 수 있습니다. STT는 스핀 편광 전류가 자성층을 통과할 때 발생하는 현상으로, 자성층의 자화를 제어할 수 있습니다. SOT는 스핀-궤도 상호작용에 의해 발생하며, 이는 보다 효율적인 스핀 제어를 가능하게 합니다.

스핀트로닉스의 응용 분야

하드 디스크 드라이브(HDD)

스핀트로닉스 기술은 하드 디스크 드라이브의 성능을 크게 향상했습니다. 특히 GMR과 TMR 기술을 이용한 읽기 헤드는 데이터 저장 밀도를 극대화하여 대용량 스토리지 설루션을 제공하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이러한 기술은 오늘날에도 여전히 HDD 산업에서 널리 사용되고 있습니다.

비휘발성 메모리

스핀트로닉스는 MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)과 같은 비휘발성 메모리 소자의 개발에도 큰 영향을 미쳤습니다. MRAM은 전원이 꺼져도 데이터를 유지할 수 있으며, 기존의 휘발성 메모리보다 높은 속도와 내구성을 제공합니다. 이는 컴퓨터 시스템의 성능과 에너지 효율성을 향상하는 데 중요한 역할을 합니다.

스핀트로닉스 기반 로직 소자

스핀트로닉스는 로직 소자의 개발에도 적용될 수 있습니다. 전통적인 CMOS 기술을 대체하거나 보완하는 스핀트로닉스 로직 소자는 낮은 전력 소비와 높은 처리 속도를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 스핀 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 스핀트로닉스 기술을 이용하여 정보 처리를 수행하는 소자로, 기존의 트랜지스터보다 높은 효율성을 가질 수 있습니다.

센서 및 자력 측정

스핀트로닉스 기술은 고감도의 자력 센서 개발에도 사용됩니다. 이러한 센서는 자기장을 정밀하게 측정할 수 있으며, 산업, 의료, 우주 등 다양한 분야에서 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 스핀트로닉스 기반의 자력 센서는 자기 공명 영상(MRI) 장비의 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다.

      MRI : 자기 공명 영상(MRI)

스핀트로닉스의 연구 동향과 미래 전망

재료 과학의 발전

스핀트로닉스의 발전은 새로운 자성 재료의 발견과 개발에 크게 의존합니다. 특히, 스핀트로닉스 소자의 성능을 극대화하기 위해 새로운 합금, 복합 재료 및 2차원 재료가 활발히 연구되고 있습니다. 그래핀과 같은 2차원 재료는 우수한 전기적, 스핀적 특성으로 인해 큰 관심을 받고 있습니다.

스핀 궤도 토크(SOT)와 스핀 전달 토크(STT)

스핀 궤도 토크(SOT)와 스핀 전달 토크(STT)는 스핀트로닉스 소자의 효율성을 향상시키는 중요한 메커니즘입니다. SOT는 전자의 스핀과 궤도 운동 사이의 상호작용을 이용하여 자화를 제어하는 방법으로, 높은 속도와 낮은 전력 소비를 가능하게 합니다. STT는 스핀 편광 전류를 통해 자화를 제어하는 방법으로, 특히 MRAM에서 중요한 역할을 합니다.

양자 컴퓨팅과 스핀 큐비트

스핀트로닉스는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 전자의 스핀 상태는 양자 비트(큐비트)로 사용될 수 있으며, 이는 양자 컴퓨터의 기본 단위입니다. 스핀 큐비트는 높은 코히러스 시간과 빠른 연산 속도를 제공할 수 있으며, 스핀트로닉스 기술을 이용하여 안정적이고 효율적인 양자 컴퓨터를 개발할 수 있는 가능성을 제시합니다.

신경 모방 컴퓨팅과 인공 지능

스핀트로닉스는 신경 모방 컴퓨팅과 인공 지능(AI) 기술에도 적용될 수 있습니다. 스핀트로닉스 기반 소자는 뇌의 시냅스를 모방하여 신경 네트워크를 구현할 수 있으며, 이는 AI 시스템의 학습 능력과 에너지 효율성을 향상할 수 있습니다. 예를 들어, 스핀트로닉스 기반의 메모리스터(memristor)는 가변 저항 특성을 이용하여 신경 시냅스를 모사할 수 있습니다.

결론

스핀트로닉스는 전자의 스핀을 이용하여 정보를 저장하고 처리하는 혁신적인 기술 분야로, 전통적인 전자공학의 한계를 극복하고 미래의 고성능, 저전력 전자기기를 실현하는 데 중요한 역할을 합니다. 스핀트로닉스는 하드 디스크 드라이브, 비휘발성 메모리, 로직 소자, 센서 등 다양한 응용 분야에서 사용되고 있으며, 새로운 자성 재료의 개발과 스핀 궤도 토크, 스핀 전달 토크와 같은 메커니즘을 통해 지속적으로 발전하고 있습니다. 또한, 양자 컴퓨팅과 신경 모방 컴퓨팅 등 미래 기술에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

스핀트로닉스의 연구와 개발은 나노기술, 재료 과학, 물리학, 전자공학 등 다양한 학문 분야의 협력을 통해 이루어지고 있으며, 이는 새로운 기술 혁신을 촉진하고, 차세대 전자기기의 개발을 가속화할 것입니다. 스핀트로닉스는 앞으로도 계속해서 진화하며, 우리의 일상생활과 산업 전반에 걸쳐 중요한 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

 

<김갑진 교수, 자석과 스핀트로닉스 시리즈!>

★ 3부

3-1. 스핀트로닉스: https://youtu.be/V6yLMTLbERU (본 영상)

3-2. 차원의경계: https://youtu.be/JJHK-WYmeTU

★ 1부

1-1. 자석의 원리: https://youtu.be/FU29W6B1eeE

1-2. 양자역학: https://youtu.be/1tsAW1f-heE

1-3. 자석과 상대론: https://youtu.be/lFIIoFb40TE

★ 2부

2-1. 가장강력한 자석: : https://youtu.be/2Gfv3kxoGfg

2-2. 전자의 흐름: https://youtu.be/xEEUVxnVw7c