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[궁금한 반도체 WHY] ZNS SSD, 기존 SSD와 무엇이 다를까?

TECH/반도체 Story

 

 

SK하이닉스는 최근 차세대 기업용 SSD 표준으로 예정된 ZNS SSD 솔루션을 업계 최초로 시연해 눈길을 끌었습니다. 이 솔루션에는 SK하이닉스가 자체 개발한 ZNS SSD 소프트웨어가 탑재돼 있다고 하는데요. ZNS란 Zoned Namespace의 약자로, 네임스페이스(Namespace)를 존(Zone) 단위로 나눠 사용하는 기술을 말합니다. 여기서 네임스페이스는 논리 블록으로 포맷할 수 있는 비(非) 휘발성 메모리의 양을 뜻하는데요. 컴퓨터 탐색기에 보이는 C:\/D:\가 각각 하나의 네임스페이스라고 이해하면 쉽습니다. 그렇다면 과연 ZNS 솔루션은 어떠한 방식으로 데이터를 효율적으로 저장할까요? 오늘 <궁금한 반도체 WHY> 6탄에서는 ZNS 솔루션의 개념과 등장 배경에 대해 알아보도록 할게요.

 

 
 

_ ZNS 솔루션은 왜 등장했을까?

 

 

 

 

흔히 4차 산업의 핵심기술을 ABCD라고 이야기합니다. ABC는 각각 인공지능(AI), 빅데이터(Big Data), 클라우드(Cloud)를 말합니다. 그리고 이 기술들은 모두 ‘D’, 바로 데이터센터(Datacenter)를 통해 동작하죠. 이렇듯 데이터센터는 4차 산업의 밑바탕이라고 해도 과언이 아닌데요. 때문에 세계 유수 기업들은 데이터센터의 성능과 비용효율을 높이기 위해 치열한 기술경쟁을 벌이고 있습니다.

과거 데이터센터는 하나의 성능 좋은 컴퓨터(Server)에서 하나의 운영체제와 응용프로그램을 구동했습니다. 반면 차세대 데이터센터는 하드웨어 풀(Pool) 위에 다수의 가상 운영체제와 응용프로그램이 구동되는 형태입니다. 즉, 다양한 종류의 프로그램이 하나의 저장장치를 동시에 읽고 쓰는 것인데요. 따라서 데이터센터에서는 속도뿐 아니라 다중 사용 환경(multi-tenant)에서도 서로 간섭 없이 일정한 성능을 제공하는 서비스품질(Quality of Services, QoS)을 갖춘 저장장치가 요구됩니다.

 

 

알려진 것처럼 SSD는 HDD(하드디스크)에 비해 굉장히 빠른 속도를 자랑하는 저장장치입니다. 하지만 SSD 역시 때때로 *Garbage Collection(가비지 콜렉션)이 발생한다는 약점이 있습니다. 가비지 콜렉션이 발생하면 진행 중이던 읽기•쓰기 동작이 잠시 멈추기 때문에 서비스품질이 떨어지게 되죠. 이러한 이유로 글로벌 데이터센터 업체와 반도체 제조사들은 오랫동안 응용프로그램 사이의 성능 간섭과 가비지 콜렉션 발생 문제를 해결할 기술을 고민해왔습니다. 이후 해결책으로 등장한 것이 바로 차세대 기업용 SSD 표준 솔루션인 ZNS 솔루션입니다.

*SSD의 Garbage Collection이란?

SSD를 사용해 데이터를 저장하고 삭제하다 보면 불가피하게 낭비되는 공간, ‘Garbage’가 발생합니다. 낸드플래시(NAND Flash)의 쓰기(Write) 및 지우기(Erase)의 단위가 다르고, 덮어쓰기(Overwrite)가 불가하다는 특성 때문에 발생하는 것인데요. SSD는 효율적인 자원활용을 위해 종종 Garbage가 있는 낸드블록에서 유효한 데이터만 복사하여 다른 낸드블록으로 모아 저장한 후, Garbage가 있는 낸드블록을 지워 재활용합니다. 이를 ‘Garbage Collection’이라고 부릅니다.

 

 
 

_ ZNS는 기존의 SSD와 저장방법이 어떻게 다를까?

 

 

 

 

ZNS 솔루션에서는 기존 SSD와 저장방법이 다릅니다. 기존 SSD에서는 여러 응용프로그램이 논리적으로 각자 원하는 영역에 데이터를 저장하더라도, 실제로는 하나의 낸드블록에 순차적으로 데이터가 저장됩니다. 이렇게 되면 하나의 낸드블록에 여러 데이터가 섞여 저장되므로 데이터 변경 시 Garbage 발생을 피할 수 없습니다.

반면, ZNS SSD에서는 여러 응용프로그램이 각자 정해진 존(zone)에 순차적으로 데이터를 저장합니다. 여기서 존은 논리적인 공간과 더불어 실제 낸드블록에서도 나누어져 있는데요. 하나의 존 안에는 비슷한 데이터끼리 모여 있으며, 순차적으로 저장했다가 존 단위로 지우기 때문에 Garbage가 발생하지 않습니다. 따라서 가비지 콜렉션이 불필요하고 이로 인한 여러 오버헤드를 제거할 수 있습니다.

 

 

 

_ 1석 5조! ZNS 솔루션

 

 

일반적인 SSD는 가비지 콜렉션을 수행하는데, 이때 SSD 내부에서는 추가적인 쓰기가 발생합니다. 이렇게 쓰기의 양이 증폭되는 정도를 *WAF(Write Amplification Factor)라고 합니다. 일반 SSD에서는 WAF가 무려 4를 넘어가기도 하죠. 반면 ZNS 솔루션이 적용된 SSD는 Garbage가 발생하지 않기 때문에 가비지 콜렉션이 필요치 않으며 WAF 역시 1입니다.


*WAF(Write Amplification Factor)

SSD에서 가비지 콜렉션 등의 이유로 내부에서 추가적인 쓰기가 발생하는 정도를 뜻합니다. WAF가 1에 근접할수록 효율적입니다.


WAF = 낸드플래시에 실제 기록한 양 / 호스트에서 요청한 기록양


① SSD를 무려 4배 오래 사용할 수 있습니다. SSD는 Write 할 수 있는 횟수에 한계가 있는데, ZNS 솔루션은 기존에 비해 적게 Write 하므로 그만큼 오래 사용할 수 있죠. 각 응용프로그램이 독립적인 존을 사용하고 가비지 콜렉션에 의한 읽기•쓰기 동작의 정지가 발생하지 않으므로 다중사용자 환경에서 ② 저장속도가 30% 향상되고, ③ 서비스품질의 안정성이 25% 향상됩니다. 또, ZNS의 효율적인 저장구조로 인해 SSD 내 ④ *OP영역을 총 SSD 용량의 6%만큼 줄일 수도 있습니다. 기존 SSD의 D램에는 Addressing과 Nand 사이 Mapping 정보를 담은 table이 있는데, 이 table은 D램 사용량의 많은 부분을 차지할 정도로 큽니다. 반면 ZNS는 SSD를 동일 크기의 존 단위로 나눠서 사용하고 존 내에서 append로만 write하므로 mapping table이 필요하지 않죠. 때문에 ⑤ D램을 매우 효율적으로 사용할 수 있습니다.


*OP(Over provision) 영역

사용자에게 보여주지 않고 숨겨놓은 예비 영역으로, 가비지 콜렉션 등 SSD 내부 관리를 위한 영역입니다.

 

 

오늘은 그동안 우리가 꿈꿔온 가비지 콜렉션 없는 SSD를 만들 수 있는 ZNS 솔루션에 대해서 알아보았습니다. 앞으로 수명과 성능이 획기적으로 개선된 SSD 제품 기대해보아도 좋겠죠? <궁금한 반도체 WHY> 시리즈는 반도체 관련 주제에 대한 여러분의 궁금증이 해소되는 그날까지 함께 합니다. 7탄도 많이 기대해주세요~! ^^






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