SSD VS HDD

컴퓨터의 보조 기억 장치란?

• 보조 기억 장치는 컴퓨터의 데이터를 전원이 들어오지 않는 상황에서도 저장하기 위해 사용되는 장치이다.
• 주기억장치를 대표하는 D-RAM의 속도는 HDD와는 비교가 되지 않을 정도로 빠르며, 보조 기억 장치 중 최고의 속도를 자랑하는 SSD보다도 빠르다.
• 하지만, D-RAM은 휘발성 반도체로 주기적으로 리플래시라는 동작을 통해 전류를 공급해 줘야만 데이터를 보존할 수 있다는 단점이 있다.

• 물론, 비휘발성 주 기억 장치도 있지만, 경제적인 면에서 매우 불리하다. 때문에 컴퓨터를 종료하게 되어 더 이상 전류가 공급되지 않으면 저장된 데이터가 모두 손실되게 된다. 이러한 이유로, 전원이 없는 상태에서도 데이터를 보존할 수 있는 보조 기억 장치들이 사용되는 것이다.

• 현재, 보조 기억 장치의 대부분은 HDD가 차지하고 있다.
• 하지만, 플래터를 회전시켜 플래터 위에 자기적으로 데이터를 기록하는 기계적인 원리의 HDD는 많은 전력 소모, 발열, 소음 등의 문제가 있고, 무엇보다도 전자적 원리로 작동하는 컴퓨터의 다른 부품들에 비해 데이터 처리 속도가 매우 느려 시스템의 전체적인 성능을 저하시키게 된다.

HDD

• HDD의 구동 원리와 그 속도에 대해 이해하기 위해서는 먼저, HDD의 주요 부품에 대해 알아야 한다.
• HDD는 플래터와 헤드, 스핀들, 헤드 구동 장치, 카트리지 등 많은 부품들로 이루어져 있지만, HDD의 데이터 기록 원리와 직접적으로 관련이 있는 장치는 플래터와 헤드이므로, 지금은 플래터와 헤드에 대해서만 다루기로 한다.
• 플래터는 데이터가 실제로 기록되는 얇은 판으로, 자성체로 되어 있으며, 다른 원인에 의한 사정의 변화를 막기 위해 산화물 층으로 절연돼 있다.
• HDD의 플래터가 회전하며, 헤드가 플래터에 자기 데이터를 읽고 쓰는 원리로 구동되는데, 플래터가 한 바퀴 돌 때마다 헤드가 일정량의 데이터 처리를 한다.
• 그러므로 플래터의 회전 속도에 따라 HDD의 성능이 결정된다고 할 수 있는데, 발열과 소음 문제 때문에 일반적인 HDD의 회전 속도는 7200rpm을 넘지 못한다.
• 플래터에서 데이터의 기록 단위를 섹터라고 하고, 한 동심원 위에 있는 섹터들의 집합을 트랙이라고 한다.
• 헤드는 플래터에 데이터를 기록하는 장치로, 플래터와 보이지 않을 데이터의 간격을 두고 떨어져 있으며, 플래터의 읽기/쓰기를 원하는 위치로 이동할 수 있다.

SSD

• SSD의 읽기/쓰기 원리는 HDD의 비하면 훨씬 간단하다.
• 기계적인 방법은 전혀 없이 전기적으로만 구동된다.
• SSD는 크게 Nand Flash Memory와 컨트롤러로 구성되어 있다.
• 여러 개의 Nand Flash Memory가 하나의 SSD를 이루고 있고, 컨트롤러가 이 Nand Flash Memory들을 관리하는 방식으로 작동한다.
• Flash Memory는, Floating Gate에 Control Gate를 이용해 전자를 주입시켜, 전자가 없을 경우에는 0, 전자가 있을 경우에는 1이 되는 원리로 작동한다.
• 즉, Floating Gate 당 1Bit의 데이터를 저장하는 것이다.
• 이 때, Floating Gate는 HDD의 플래터와 마찬가지로 산화물 층으로 절연돼 있기 때문에, 데이터는 반영구적으로 보존된다.
• 이처럼, Flash Memory는 단순하게 전자에 의한 전하를 이용해 데이터를 저장하기 때문에, Access Time이 매우 짧다.
• Flash Memory는 또다시 Nor Flash Memory와 Nand Flash Memory로 나누어진다.

• Nor은 Not Or의 약자로, 앞에서 살펴보았던 Floating Gate가 병렬로 연결되어 있고, Nand는 Not And의 약자로 Floating Gate가 직렬로 연결되어 있는 구조다.

• 일반적으로 생각하면, Nor Flash Memory는 어떤 Floating Gate에나 직접 접근할 수 있지만, Nand Flash Memory는 일부 Floating Gate에 접근하기 위해서는 다른 Floating Gate들을 거쳐야 하기 때문에 Nor Flash Memory가 Nand Flash Memory보다 빠르다고 할 수 있다.
• 이와 같은 이유로 각각의 Floating Gate에서의 읽기 작업은 Nor Flash Memory가 빠르다.
• 하지만, 쓰기 작업의 특성상, 한 번의 작업에서 한 단위만큼, 즉 Nand Flash Memory에서는 한 직렬 회로에 있는 Floating Gate 만큼의 데이터를 처리하기 때문에, 쓰기 작업에서는 Nand Flash Memory가 빠르다.
• 그리고 쓰기 작업과 같은 이유로, 규모가 큰 데이터를 처리할 때는 읽기/쓰기 속도 모두 Nand Flash Memory가 빠르다.
• 또한, Nand Flash Memory의 경우, 직렬 회로로 구조가 비교적 단순해 집적도를 높이기 쉽기 때문에, 대용량화와 보급화가 쉽다.
• 즉, 일상적인 Byte 단위 이상의 작업에서 유리하고, 대용량화와 보급화에 유리한 Nand Flash Memory가 Nor Flash Memory보다 많이 사용되고 있으며, SSD에도 주로 Nand Flash Memory가 사용되고 있다.
• Nand Flash Memory는 또 MLC 방식과 SLC 방식으로 나누어진다.
• MLC는 앞에서 말했던 하나에 Floating Gate에 전자의 양, 즉 전하량의 차이를 두어 0과 1 사이의 단계를 두어, 1Bit 이상의 데이터를 저장할 수 있는 방식이다.
• SLC는 처음 설명했듯이, 하나의 Floating Gate에 1Bit 만에 데이터를 저장하는 방식이다.

• SLC의 경우가 하나의 Floating Gate에서의 데이터 구별이 명확하기 때문에, 속도와 신뢰성이 MLC보다 우수하지만, 대용량화가 힘들기 때문에 가격이 비싸다.

• 결론적으로 읽기 쓰기의 작동 원리적인 측면으로 봤을 때, HDD는 전기적 신호를 자기로 바꾸어 읽기/쓰기 작업을 하는 중간 과정이 필요하고, 읽기/쓰기 작업을 할 섹터로 헤드가 이동하기까지 걸리는 Access Time이 있으며, 플래터가 한 바퀴 돌 때마다 일정량의 데이터밖에 처리할 수 없으므로, 읽기/쓰기 속도가 비교적 느리다. 하지만, SSD는 Nand Flash Memory에 단순한 전기적 원리로 데이터를 저장하기 때문에 Access Time이 거의 없고, 컨트롤러가 데이터를 다중 채널 분산 기술로 처리해 읽기/쓰기 속도를 극대화시켜주기 때문에 성능이 매우 우수하다.