컴퓨터가 점점 작아지면서 저장 장치 같은 하드웨어 부품도 함께 작아질 수밖에 없었습니다. SSD(솔리드 스테이트 드라이브)의 등장은 울트라북처럼 얇은 노트북 디자인을 가능하게 했지만, 업계 표준이던 SATA 인터페이스와 충돌하는 문제가 있었습니다.
mSATA 인터페이스는 SATA와 호환되면서도 얇은 프로파일의 카드를 만들기 위해 고안되었습니다. 그러나 SATA 3.0 표준이 SSD 성능을 제한하면서 새로운 병목이 발생했고, 이를 해결할 차세대 소형 카드 인터페이스가 필요해졌습니다.
원래 NGFF(Next Generation Form Factor)라고 불렸던 이 새로운 인터페이스는 SATA 3.2 사양에서 M.2 드라이브 인터페이스로 표준화되었습니다.
더 빠른 속도
크기만큼이나 드라이브의 속도 역시 중요한 요소입니다. SATA 3.0 사양은 드라이브 인터페이스에서 SSD의 실제 대역폭을 약 600MB/s로 제한했으며, 이미 많은 드라이브가 이 한계에 도달한 상태였습니다. SATA 3.2 사양은 SATA Express와 마찬가지로 M.2 인터페이스에 새로운 혼합 방식을 도입했습니다.
핵심은 이렇습니다. 새로운 M.2 카드는 기존 SATA 3.0 사양을 사용해 600MB/s로 제한될 수도 있고, 레인(lane)당 1GB/s의 대역폭을 제공하는 PCI-Express를 사용할 수도 있습니다. 이 1GB/s는 단일 PCI-Express 레인 기준이며, 여러 레인을 동시에 사용할 수도 있습니다. M.2 SSD 사양에서는 최대 4개의 레인까지 지원하는데, 2개 레인 사용 시 이론상 2.0GB/s, 4개 레인 사용 시 최대 4.0GB/s의 속도를 낼 수 있습니다.
이후 발표된 PCI-Express 5.0은 대역폭이 32GT/s로 증가해 16레인 구성에서 63GB/s를 지원하고, PCI-Express 6.0에서는 대역폭이 다시 두 배인 64GT/s로 늘어나 각 방향당 126GB/s를 구현할 수 있게 되었습니다.
단, 모든 시스템이 이런 속도를 달성할 수 있는 것은 아닙니다. M.2 드라이브와 인터페이스가 동일한 모드로 설정되어야 하기 때문입니다. M.2 인터페이스는 기존 SATA 모드 또는 최신 PCI-Express 모드 중 하나를 사용하며, 어느 쪽을 쓸지는 드라이브가 결정합니다.
예를 들어 SATA 레거시 모드로 설계된 M.2 드라이브는 600MB/s로 제한됩니다. 또한 드라이브가 최대 4레인(x4)의 PCI-Express를 지원하더라도 컴퓨터가 2레인(x2)만 할당했다면 최대 속도는 2.0GB/s에 그칩니다. 최고의 성능을 원한다면 드라이브와 컴퓨터·메인보드가 지원하는 사양을 반드시 확인해야 합니다.
더 작고 유연한 크기
M.2 드라이브 설계의 목표 중 하나는 저장 장치의 전체 크기를 줄이는 것이었습니다. 먼저 카드를 기존 mSATA보다 좁게 만들었습니다. M.2 카드의 너비는 22mm로 mSATA의 30mm보다 좁고, 길이도 30mm로 mSATA의 50mm보다 짧습니다. 흥미로운 점은 M.2 카드가 최대 110mm까지의 더 긴 길이도 지원한다는 사실입니다. 즉, 필요에 따라 더 큰 드라이브를 만들 수 있어 칩을 위한 공간이 넓어지고 결과적으로 더 큰 용량을 담을 수 있습니다.
길이와 너비 외에도 단면(single-sided) 또는 양면(double-sided) M.2 보드 중 선택할 수 있습니다. 단면 보드는 얇은 프로파일을 제공해 초슬림 노트북에 적합합니다. 반면 양면 보드는 두 배의 칩을 탑재할 수 있어 더 큰 저장 용량을 구현할 수 있으며, 공간이 상대적으로 덜 중요한 소형 데스크톱 환경에서 유용합니다.
문제는 카드 길이를 위한 물리적 공간뿐 아니라 컴퓨터에 어떤 종류의 M.2 커넥터가 있는지 확인해야 한다는 점입니다. 대부분의 노트북은 단면 전용 커넥터만 사용하기 때문에 양면 M.2 카드를 사용할 수 없습니다.
AHCI vs NVMe, 명령 모드의 차이
10년 넘게 SATA는 저장 장치를 플러그 앤 플레이 방식으로 사용할 수 있게 해왔습니다. 비결은 간단한 인터페이스와 AHCI(Advanced Host Controller Interface) 명령 구조 덕분입니다.
AHCI는 컴퓨터가 저장 장치에 명령을 전달하는 방식입니다. 모든 현대 운영체제에 내장되어 있어 새 드라이브를 추가할 때 별도의 드라이버 설치가 필요 없습니다.
그러나 AHCI는 물리적 헤드와 플래터의 특성상 명령 처리 능력이 제한적이었던 하드 드라이브 시대의 산물입니다. 당시에는 32개 명령을 담는 단일 명령 큐로도 충분했습니다. 문제는 오늘날의 SSD가 훨씬 많은 작업을 처리할 수 있음에도 여전히 AHCI 드라이버에 묶여 있다는 것입니다.
NVMe(Non-Volatile Memory Express) 명령 구조와 드라이버는 바로 이 병목을 없애고 성능을 개선하기 위해 개발되었습니다. NVMe는 단일 명령 큐 대신 최대 65,536개의 명령 큐를 제공하며, 각 큐마다 최대 65,536개의 명령을 처리할 수 있습니다. 덕분에 읽기·쓰기 요청을 훨씬 많이 병렬 처리할 수 있어 AHCI보다 월등한 성능을 발휘합니다.
훌륭하지만 한 가지 걸림돌이 있습니다. AHCI는 모든 현대 운영체제에 내장되어 있지만 NVMe는 그렇지 않다는 점입니다. 드라이브의 성능을 온전히 끌어내려면 운영체제 위에 드라이버를 설치해야 하며, 이것이 구형 운영체제에서는 부담이 될 수 있습니다.
M.2 드라이브 사양은 두 가지 모드를 모두 허용합니다. 덕분에 기존 컴퓨터와 기술 환경에서도 새 인터페이스 도입이 수월해졌습니다. NVMe 지원이 확대되면 동일한 드라이브를 새 명령 모드에서도 사용할 수 있습니다. 다만 두 모드를 전환하려면 드라이브를 재포맷해야 한다는 점을 기억해야 합니다.
향상된 전력 효율
모바일 컴퓨터의 가동 시간은 배터리 용량과 부품의 전력 소모에 따라 결정됩니다. SSD는 저장 장치의 에너지 소비를 크게 줄였지만, 개선의 여지는 여전히 남아 있었습니다.
M.2 SSD 인터페이스는 SATA 3.2 사양의 일부이므로 인터페이스 자체 외에도 여러 기능을 포함합니다. 그중 대표적인 것이 DevSleep입니다. 노트북이 완전히 꺼지지 않고 절전 모드로 진입하는 경우가 많아지면서, 기기가 깨어날 때 신속하게 복구할 수 있도록 일부 데이터를 활성 상태로 유지하는 데 배터리가 지속적으로 소모됩니다. DevSleep은 새로운 저전력 상태를 만들어 기기의 전력 사용량을 줄이고, 절전 모드에 들어가는 컴퓨터의 배터리 사용 시간을 연장합니다.
부팅 관련 문제
M.2 인터페이스는 컴퓨터 저장 장치의 큰 발전입니다. 다만 최고의 성능을 얻으려면 PCI-Express 버스를 사용해야 하며, 그렇지 않으면 기존 SATA 3.0 드라이브와 동일하게 작동합니다. 큰 문제처럼 보이지 않지만, 이 기능을 처음 적용한 초기 메인보드 다수에서는 실제로 골칫거리가 되었습니다.
SSD는 루트 드라이브 또는 부팅 드라이브로 사용할 때 가장 좋은 경험을 제공합니다. 그런데 과거 Windows는 SATA가 아닌 PCI-Express 버스에서 부팅하는 드라이브에 문제가 있었습니다. 즉, PCI-Express를 사용하는 M.2 드라이브는 운영체제나 프로그램이 설치되는 기본 드라이브가 될 수 없었고, 빠른 데이터 드라이브로만 쓸 수 있는 상황이었습니다.
물론 모든 컴퓨터와 운영체제에 이 문제가 있었던 것은 아닙니다. Apple은 M.2 사양 확정 이전인 2013년 MacBook Air부터 SSD를 PCI-Express로 전환했기 때문에, macOS(OS X)는 처음부터 PCI-Express 버스를 루트 파티션으로 사용하도록 개발되었습니다. Microsoft 역시 Windows 10을 업데이트해 새로운 PCI-Express 및 NVMe 드라이브를 지원합니다. 구버전 Windows도 하드웨어가 지원되고 외부 드라이버를 설치하면 사용할 수 있습니다.
M.2 사용 시 다른 기능이 제한될 수 있는 이유
특히 데스크톱 메인보드에서 주의할 부분은 M.2 인터페이스가 시스템의 나머지 부분과 어떻게 연결되느냐입니다. 프로세서와 다른 부품들 사이에는 사용 가능한 PCI-Express 레인 수가 제한적입니다. PCI-Express 호환 M.2 슬롯을 사용하려면 메인보드 제조사가 다른 부품에서 레인을 가져와야 합니다.
이 레인을 보드의 장치들 간에 어떻게 나누느냐가 중요한 쟁점입니다. 일부 제조사는 SATA 포트와 PCI-Express 레인을 공유하는데, 이 경우 M.2 슬롯을 사용하면 최대 4개의 SATA 포트를 잃을 수 있습니다. 또 다른 경우에는 M.2가 다른 PCI-Express 확장 슬롯과 레인을 공유하기도 합니다.
따라서 M.2 설치 전에 메인보드 설계를 반드시 확인하고, 다른 SATA 하드 드라이브, DVD 드라이브, 블루레이 드라이브 또는 기타 확장 카드 사용에 지장이 없는지 점검하는 것이 좋습니다.