요즘 SSD(솔리드 스테이트 드라이브)는 누구나 사용하는 대중적인 저장 장치가 되었습니다. 하지만 인기가 높아진다고 해서 이해도가 함께 높아지는 것은 아닙니다. SSD가 어떻게 작동하는지 정확히 모른다면 혼자만은 아닙니다. 이번 글에서는 플래시 메모리, 즉 NAND 메모리가 실제로 어떻게 작동하는지, NAND의 다양한 '등급'이 무엇을 의미하는지, 그리고 오늘날 SSD를 합리적으로 구매하는 방법까지 자세히 알아보겠습니다.
NAND 메모리란 무엇인가?
컴퓨터의 프로세서와 메모리는 논리 게이트(logic gate)로 구성됩니다. 논리 게이트는 컴퓨터가 1과 0을 처리하는 능력을 물리적으로 구현한 것으로, 입력값에 따라 특정 출력값을 내보냅니다. 게이트의 종류에 따라 입력을 처리하는 방식이 다르며, 이러한 게이트들을 정교하게 조합하면 두 숫자를 더하는 것부터 사진을 인식하는 것까지 컴퓨터가 수행하는 거의 모든 작업이 가능해집니다.
SSD의 메모리는 논리 게이트의 한 종류인 NAND 게이트를 기반으로 만들어집니다. NAND는 'NOT AND'의 약자로, 흔히 알려진 AND 논리 게이트의 역(反) 연산을 수행합니다.
논리 게이트가 정보를 저장할 수 있는 이유
NAND 게이트에는 대부분의 논리 게이트가 갖고 있지 않은 특별한 성질이 있습니다. 바로 '플립플롭(flip-flop)'이라 불리는 회로를 만들 수 있다는 점입니다. 플립플롭은 두 개의 NAND 게이트를 매우 특정한 방식으로 연결해 만든 회로로, 위 그림에서 볼 수 있듯이 각 NAND 게이트의 출력이 서로의 입력에 교차하여 연결되는 구조입니다.
이러한 배선 방식 덕분에 전원 공급이 없어도 시간이 지나도 1과 0의 상태를 그대로 유지하며 저장할 수 있습니다. 즉, 적절한 배선만 있으면 NAND 게이트로 1비트 분량의 컴퓨터 메모리를 만들 수 있는 것입니다. 여기에 NAND 게이트를 수없이 많이 모으면 수많은 비트를 저장할 수 있고, 이것이 바로 플래시 메모리이며, 나아가 SSD가 되는 원리입니다.
SLC, MLC, TLC, QLC란?
플래시 저장 장치는 비트를 저장하는 '셀(cell)' 단위로 구성됩니다. 가장 기본적인 저장 방식은 '싱글 레벨 셀(SLC, Single-Level Cell)'입니다. SLC 셀은 0 또는 1, 즉 켜짐과 꺼짐 상태만 표현할 수 있습니다. 이 방식은 속도가 빠르고 내구성이 뛰어나지만 저장 용량이 크지 않다는 단점이 있습니다. 용량을 늘리려면 셀 하나당 여러 비트를 저장해야 합니다.
그 해결책이 바로 '멀티 레벨 셀(MLC, Multi-Level Cell)'입니다. MLC는 네 단계의 전하 레벨을 활용해 하나의 트랜지스터에 2비트의 정보를 저장합니다. 예를 들어 0V, 1V, 2V, 3V의 전압을 각각 이진수 00, 01, 10, 11에 대응시키는 방식입니다. 더 많은 데이터를 담을 수 있지만, 데이터를 저장하고 읽어올 때 더 정밀한 기술이 요구됩니다.
최신 SSD는 '트리플 레벨 셀(TLC, Triple-Level Cell)'을 기반으로 만들어집니다. TLC는 셀 하나에 3비트를 저장할 수 있어 용량을 크게 늘렸지만, 더욱 정교한 제조 공정이 필요하기 때문에 속도와 신뢰성을 일부 희생하는 대신 비용과 용량 면에서 이점을 얻습니다.
다음 단계는 '쿼드 레벨 셀(QLC, Quad-Level Cell)'입니다. 인텔과 마이크론이 관련 공정을 개발했지만, 대중적인 채택까지는 앞으로 몇 년이 더 걸릴 것으로 보입니다.
3D NAND란?
초기 SSD는 컴퓨터 프로세서처럼 2차원 평면 위에 제작되었으며, 다이(die)를 구성하는 트랜지스터의 크기를 줄여 용량과 속도를 높였습니다. 다이에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록 더 많은 데이터를 저장할 수 있기 때문입니다. 하지만 CPU의 트랜지스터와 달리 SSD의 트랜지스터는 15nm 이하로 줄이기 어렵습니다. 그 이유는 이 크기 이하에서는 전자가 주변 트랜지스터로 새어나가 데이터가 손상될 수 있기 때문입니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 제조업체들이 개발한 것이 바로 3D NAND입니다. 트랜지스터를 위로 쌓아 올리는 이 3차원 공정은 'V-NAND'라고도 불리며, 하나의 다이에 최대 64층의 트랜지스터를 배치할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 저장 용량의 가능성이 한 차원 높아졌습니다.
대신 3D NAND는 초정밀한 트랜지스터 기둥(column)을 만들어야 하므로 극도로 정밀한 제조 기술이 필요합니다. 이미 고정밀 공정이 요구되는 MLC, TLC, QLC 방식 SSD에게는 특히 중요한 과제입니다. 그럼에도 불구하고 3D NAND는 현대 시장을 빠르게 장악하고 있습니다.
모든 것이 하나로: SSD 구매 가이드
현재 많은 파운드리(반도체 공장)가 3D TLC NAND 드라이브를 생산하고 있지만, 여전히 상당량의 MLC 드라이브 재고가 남아 있습니다. MLC 드라이브는 속도가 빠르고 적당히 큰 용량을 제공하면서도 가격이 크게 내려간 상태입니다. 가성비 좋은 SSD를 찾고 있다면 지금이 바로 구매하기 좋은 시기입니다. 기술적으로는 약간 오래된 방식이지만, 성능 차이보다는 저장 용량에서 차이가 날 뿐입니다. 필요한 용량을 충족하는 3D MLC NAND 드라이브를 저렴하게 구할 수 있다면 망설이지 말고 선택하는 것이 좋습니다.
전자제품이 그렇듯이 제조사의 신뢰성 이력은 매우 중요합니다. 저렴한 무명 브랜드 드라이브는 오래된 공정 노드나 느슨한 허용 오차로 만들어졌을 수 있습니다. 또는 깐깐한 검수를 통과하지 못한, 기능은 겨우 하는 수준의 잔여 부품을 판매하는 경우도 있습니다. 어느 쪽이든 장기적인 안정성을 기대하기 어렵습니다.
SSD 기술의 다음 혁명은 동일하거나 비슷한 전력 소모 수준에서 훨씬 더 큰 용량을 실현하는 것입니다. 새로운 공정 설계에 필요한 기술에 파운드리들이 숙련되면서 앞으로 몇 년에 걸쳐 이러한 제품들이 출시될 것으로 기대됩니다.
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