플래시 메모리 서밋 2015에서 발표됐던 내용 중, 글을 따로 올리지 않은 것을 모아서 소개합니다.

 

삼성, 256Gb 3D 낸드 플래시로 16TB SSD를 실현

http://gigglehd.com/zbxe/13222170

 

도시바, 낸드 플래시와 SSD의 개발 전략을 발표

http://gigglehd.com/zbxe/13229572

 

기존에 올렸던 글은 위 링크를 참조하세요.

 

 

 

버퍼를 생략하고 40 달러의 128GB SSD를 실현

http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/20150814_716330.html

 

 

SSD의 저장 용량 대비 DRAM 버퍼 용량의 비율. SSD 저장 용량의 약 1/1000 정도 되는 DRAM 버퍼를 준비합니다.

SSD(Solid State Drive)는 대게 고속 버퍼 메모리를 탑재합니다. 버퍼 메모리론 주로 DRAM을 씁니다. SSD의 기억 소자인 NAND 플래시 메모리는 데이터의 재기록에 시간이 걸린다는 단점이 있습니다. 주로 이러한 약점을 보완하기 위해 빠른 쓰기가 가능한 DRAM을 버퍼 메모리로 넣습니다. SSD가 버퍼 메모리를 내장하는 건 스토리지 업계에서는 상식이며 당연한 일이라고 할 수 있습니다.

 

반면 SSD는 제조 원가를 낮추라는 요구를 항상 받곤 합니다. 원가 절감을 이끌어 온 것은 NAND 플래시 메모리의 제조 비용 절감(저장 용량 당 비용 절감)입니다. NAND 플래시 저장 용량 당 비용 감소는 계속되고 있으나, 저장 용량 당 단가로 치면 여전히 HDD(Hard Disk Drive)가 SSD보다 낮습니다.

 

그래서 SSD의 가격을 HDD 수준으로 낮추기 위해 SSD 컨트롤러 업체 Silicon Motion Technology는 버퍼 메모리인 DRAM을 빼버리는 방법을 고안했습니다. 그리고 그 결과를 플래시 메모리와 그 응용에 관한 세계 최대의 이벤트인 Flash Memory Summit(FMS)의 8월 11일 오후 일반 강연 세션에서 발표했습니다.

 

SSD가 DRAM 버퍼를 탑재하는 것은 당연한 것처럼 생각되며, DRAM 버퍼를 빼는 건 일종의 금기처럼 보이기도 합니다. SSD의 성능이 크게 떨어질것 같으니까요. Silicon Motion의 강연에서는 DRAM 버퍼를 생략하면 SSD의 성능이 분명 떨어진다고 설명했습니다. 예를 들면 지연 시간이 길어지고 쓰기 횟수가 늘어나는 등의 문제가 있습니다.

 

 

DRAM 버퍼의 유무에 의한, SSD의 성능 차이

 

DRAM이 없어도 SSD의 성능은 HDD보다 높음

여기서 중요한 건 DRAM 버퍼를 생략한 SSD의 성능이 HDD의 성능보다 여전히 높느냐는 것입니다. Silicon Motion은 DRAM 버퍼를 생략한 SSD가 읽기 속도와 쓰기 속도, 입출력 속도 등의 성능이 HDD에 비해 훨씬 높다고 설명했습니다. 예를 들어 PCMark 벤치에선 약 10배의 차이가 난다고 하네요.

 

 

DRAM 버퍼를 생략한 SSD와 HDD의 성능 비교

 

이 강연에선 용량 128GB의 SSD를 40달러에 공급하는 것을 PC 업체에서 요구한다고 설명했습니다. 대표적인 HDD의 최저 가격인 35~40달러와 거의 같은 가격입니다. 이 가격을 실현하기 위해 생각한 것이 DRAM 비용의 절감입니다.

 

 

대표적인 HDD의 가격과 128GB SSD에 대한 PC 업체의 요청 가격

DRAM 버퍼를 생략하면 SSD의 총 비용이 10% 이상 줄어든다고 Silicon Motion은 추정합니다. 제조 비용이 10% 정도 떨어지는 건 현재 힘든 가격 경쟁에 노출된 상황을 고려했을 때 충분히 의미가 있습니다.

 

 

DRAM 버퍼를 생략했을 때 총 비용(BOM)의 변화

 

이 강연에서는 자사의 SSD 컨트롤러 SM2256를 사용한 DRAM Less SSD가 2016년 1분기에 시장에 등장할 예정이라고 밝혔습니다. 3bit/셀(TLC 기술)을 도입한 NAND 플래시 메모리를 탑재하며 최대 용량은 256GB인 SSD 제품이 나올 것이라고 합니다.

 

 

SSD 컨트롤러 SM2256을 사용한 DRAM Less SSD의 개요. SM2256은 TLC 기술의 NAND 플래시 메모리를 탑재하는 걸 전제로 하여 오류 정정(ECC) 기능을 강화했습니다.

 

그리고 앞으로는 DRAM Less SSD가 시장에 다수 보급될 것으로 전망했습니다. 2018~2020년에는 SSD 전체의 절반을 DRAM Less SSD가 차지할 것으로 본다네요.

 

 

2015년 이후 DRAM Less SSD의 보급 예측

 

 

 

SK 하이닉스의 3D 플래시 개발. 2016년에 256Gbit 제품을 양산

http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/event/20150818_716595.html

 

NAND 플래시 메모리의 주요 공급 업체인 한국 SK 하이닉스는 플래시 메모리에 관한 세계 최대의 이벤트 Flash Memory Summit(FMS)에서 2015년 8월 12일의 기조 연설을 통해 자사의 대용량 NAND 플래시 메모리 개발 상황을 밝혔습니다. 또 FMS의 전시 부스에서도 3D NAND 기술의 개발 성과를 선보였습니다.

 

NAND 플래시 메모리 대용량화에 있어 비장의 카드는 3D NAND 기술입니다. NAND 플래시 메모리의 주요 공급 업체는 4개(엄밀히 말하면 2곳과 2그룹-2개 회사의 연합)이며, SK 하이닉스를 제외한 3개 회사(삼성 전자, 샌디스크-도시바 연합, 인텔-마이크론 연합)은 2015년 3월 말 시점에 3D NAND 기술에 의한 대용량 NAND 플래시 메모리를 양산하고 있거나 양산 계획을 발표했습니다. 다라서 남은 하나인 SK 하이닉스의 동향에 주목하지 않을 수가 없습니다.

 

 

256Gbit 다이를 넣은 실리콘 웨이퍼를 전시회에서 선보임

기조 연설에서 SK 하이닉스는 3D NAND 기술에 의한 NAND 플래시 메모리 개발 로드맵과 현황을 발표했습니다. 개발 로드맵을 보면 최신 세대가 3세대 제품(3D V3)까지 왔습니다. 최대 용량 256Gbit의 TLC(3bit/셀) 제품이지요. 2015년 4분기(10~12월)에는 개발을 완료하고 샘플 출하를 시작하며 양산은 2016년입니다. SK 하이닉스의 부스에선 3세대 기술 기반 실리콘 웨이퍼를 전시하고 있었습니다.

 

 
SK 하이닉스가 3세대 3D NAND 기술로 개발한 256Gbit TLC 메모리 다이를 제작한 실리콘 웨이퍼

 

 

방문자가 256Gbit 실리콘 다이를 확대하고 관찰할 수 있었습니다
 

 

3D NAND 기술 개발 로드맵. 2014 년 4 분기에 개발을 완료한 1세대 제품(3D V1)부터 시작해 2015년 4분기에는 3세대 제품(3D V3)의 개발이 끝났습니다.

 

상품화가 시작되는 건 2015년 3분기에 개발을 끝낸 2세대 제품(3D V2)부터 입니다. 최대 용량이 128Gbit인 MLC(2bit/셀)입니다. 전시회 부스에는 2세대 제품의 실리콘 다이를 장착한 제품의 실물을 전시했습니다. SATA 인터페이스의 512GB SSD와 eMMC5.1 기반 64GB 모듈 등입니다.

 

2세대 3D NAND 기술(3D V2)에 따르면 128Gbit의 NAND 플래시 메모리(MLC)는 2015년 3분기에 출시할 예정입니다. 처음에는 소비자 시장을위한 제품이 먼저 나옵니다. 3세대 3D NAND 기술(3D V3) 기반 256Gbit NAND 플래시 메모리(TLC)는 2015년 4분기에 출시할 예정입니다. 이것도 처음에는 소비자 시장을 위한 제품이 먼저 나옵니다. 그리고 2016년 2분기에 엔터프라이즈 시장을 위한 256Gbit 메모리(TLC)를 출시할 예정입니다.

 

 

2세대 3D NAND 기술(3D V2) 기반 128Gbit 실리콘 다이를 통합한 제품의 실물을 전시
 

 

대용량 NAND 플래시 메모리의 제품화 로드맵

 

3D NAND 기술은 전하 축적 기술, 적층 수는 36 층과 48 층

SK 하이닉스는 3D 낸드 기술의 개요도 발표했습니다. 메모리 셀의 기억 방식은 전하 포획(차지 트랩) 기술을 사용합니다. 전하 포획 기술은 삼성과 샌디스크-도시바 연합에서도 사용한 바 있는 3D NAND 셀의 기억 방식입니다. SK 하이닉스는 2010년에 국제 학회 IEDM에서 평면 기술과 같은 기억 방식인 플로팅 게이트 기반 3D NAND 메모리 셀을 발표습니했다. 그러나 이때 발표한 메모리 셀 구조는 동작과 제조가 쉬운지 알려지진 않았습니다.

 

SK 하이닉스가 발표 한 전하 포획 기술은 실리콘 질화막(SiN 막)을 이용하는 것으로, 이것도 삼성과 샌디스크-도시바 연합과 비슷한 기술입니다. 유일한 것은 아니지만 업계 표준인 기술이기에 이론적인 신뢰성이 높습니다.

 

 

3D NAND 기술에 의한 메모리 셀 어레이의 단면 구조와 메모리 셀의 원리
 

 
메모리 셀 구조 비교. 왼쪽이 평면(2D NAND) 기술, 오른쪽이 3D NAND 기술

 

메모리 셀 트랜지스터의 적층 수는 기조 강연과 전시 부스에서는 명확하게 밝히지 않았습니다. 그러나 기조 연설에 등장한 메모리 셀 스트링의 단면 사진을 보면 3세대 제품은 적어도 50층의 메모리 셀을 적층했음을 알 수 있습니다(실제 계산한 결과). 또한 일부 보도를 보면 2세대 제품이 36층, 3세대 제품을 48층으로 묘사하고 있습니다.

 

 
기조 연설에서 나타난 메모리 셀 스트링의 단면 사진

기조 강연에서는 3D NAND 기술의 난관인 메모리 셀 스트링의 게이트 전압 편차에 대한 데이터를 공개했습니다. 길쭉한 원통형의 메모리 셀 스트링을 형성할 때는 가늘고 긴 구멍을 내는 공정이 존재합니다. 구멍의 직경은 최상층(구멍의 입구)부터 최하층(구멍의 바닥)으로 갈수록 좁아집니다. 이 결과 최상층에서 최하층까지 데이터 기록(프로그램) 전압 임계 값과 삭제 전압 임계 값이 반대 방향으로 어긋나게 되는데,  이 차이를 보정해야 합니다.

 

또한 길쭉한 메모리 셀 스트링을 수직으로 형성하는 것도 어렵습니다. 단면 사진을 보면 제조 매개 변수에 따라 메모리 셀 스트링이 구부러져 형성될 수도 있음을 알 수 있습니다.

 

3D NAND 기술은 이론적으로는 좋은 성능을 얻을 수 있으나 제조는 매우 어렵습니다. 그러한 점을 볼 수 있는 내용입니다.

 

 

메모리 셀 스트링의 게이트 전압 편차와 보정. 왼쪽은 메모리 셀 스트링의 구조 개념. 상층에서 하층으로 갈수록 구멍이 가늘어지며 전계가 상승합니다. 오른쪽은 게이트 전압의 변화. 오른쪽은 프로그램 전압과 삭제 전압이 반대 방향으로 어긋나 있습니다. 오른쪽 아래는 게이트 전압의 차이를 보정 한 결과입니다.
 

 

메모리 셀 스트링의 단면 사진. 왼쪽은 스트링이 구부러진 경우이고 오른쪽은 스트링을 거의 수직으로 형성한 경우입니다. 사진 속 빨간 선은 수직 선을 의미합니다. 빨간 선과 비교하면 스트링이 약간 구부러져 있음을 알 수 있습니다.

 

 

 

낸드를 사용한 256GB DDR4 DIMM 메모리

http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/20150819_716850.html

 

NAND 플래시 메모리 응용 제품의 개발 벤처 회사인 캐나다 Diablo Technologies는 2015년 8월 5일에 256GB의 대용량 DDR4 호환 NAND 플래시를 탑재한 DIMMMemory1을 개발했다고 발표했습니다.

 

Memory1는 NAND 플래시 메모리를 탑재해 256GB의 큰 저장 용량을 실현한 DDR4 호환 메모리 모듈입니다. DDR4 DRAM DIMM 슬롯에 그대로 꽂아 사용할 수 있지요. DDR4 DRAM의 DIMM을 Memory1으로 바궈 메인 시스템 메모리 용량을 크게 늘릴 수 있습니다.

 

Diablo Technologies는 플래시 메모리에 관한 세계 최대의 이벤트 Flash Memory Summit(FMS)에서 8월 11일에 기조 연설을, 8월 13일 오전에는 일반 강연 을 실시하고 Memory1의 개요를 설명했습니다. 또한 병설 전시회에선 Memory1을 구현 한 서버를 출품했습니다.

 

 

Memory1을 구현한 서버의 실물 전시
 

 
Memory1의 외관. DDR4 호환 DIMM 소켓에 장착

 

 

대용량과 저비용, 저전력을 양립하는 NAND 플래시

 

시스템 메모리용 DDR4 호환 DIMM 메모리에 일반적인 DDR4 DRAM 대신 NAND 플래시 메모리를 쓰는 이유는 몇가지 있습니다. 우선 저장 용량 당 단가가 낮습니다. Diablo는 NAND 플래시 메모리의 채용으로 가격이 DRAM의 약 1/10으로 떨어질 것이라 주장합니다. 다음으로 스토리지 당 소비 전력이 낮습니다. Diablo는 소비 전력이 약 1/3으로 감소한다고 말합니다. 그리고 단위 면적당 저장 용량이 증가합니다. Diablo는 기억 용량이 약 10배 증가한다고 주장합니다.

 

 

DRAM과 비교하는 NAND 플래시 메모리의 장점

 

주 기억 용량 1TB의 서버를 쉽게 실현

 

Memory1의 가장 큰 특징은 주 기억 용량 1TB 이상인 컴퓨터를 쉽게 만들 수 있다는 것입니다. 마이크로 프로세서(CPU)가 2개의 DDR4 메모리 채널과 DDR4 컨트롤러를 내장하고 있다고 가정해 봅시다. DDR4 호환 DIMM 슬롯의 수는 총 4 개입니다. 여기서 DRAM DIMM을 장착하면 일반적으로 사용 가능한 DRAM DIMM의 최대 용량은 64GB이에 서버의 주 기억 용량은 최대 256GB가 됩니다.

 

이에 비해 Memory1의 저장 용량은 256GB이므로 서버의 주 기억 용량은 1TB에 달합니다. 주 기억 용량이 4 배가 되는 것이지요. 그리고 저장 용량 당 단가는 1/10이니 주 기억 메모리의 도입 비용은 DRAM에 비해 40%로 줄어듭니다. 가격은 저렴해지는데 용량이 늘어난다니 참 좋은 제품이라 할 수 있겠지요.

 

여기서 궁금한 것은 기존의 자원(하드웨어와 소프트웨어)를 그대로 이용할 수 있느냐는 것입니다. Diablo는 일반 강연을 통해 CPU와 서버, 하드웨어, OS(운영 체제), 응용 프로그램을 모두 변경할 필요가 없다고 설명했습니다.

 

서버 등의 컴퓨터 시스템에 Memory1을 구현할 때는 전용 소프트웨어를 시스템에 설치할 필요가 있습니다. 즉 Diablo 메모리 모듈과 전용 소프트웨어를 세트로 판매합니다. 이 전용 ​​소프트웨어가 Memory1을 호스트 측에서 DDR4 DRAM의 DIMM처럼 보이도록 작동합니다. 즉 DIMM의 하드웨어 차이(DRAM 및 NAND 플래시 메모리의 차이)를 소프트웨어 차원에서 숨기는 것입니다.

 

 

Memory1의 개요와 호환

 

NAND 플래시를 쓰지만 비 휘발성은 아님

Memory1는 비 휘발성 메모리 모듈이 아닙니다. 이 점은 매우 중요하니 꼭 알아두실 필요가 있습니다. 전원이 꺼지거나 시스템이 재부팅되면 Memory1에 저장된 모든 데이터가 손실됩니다. 이 점은 DRAM을 탑재한 DIMM과 다르지 않습니다.

 

NAND 플래시 메모리를 탑재한 DIMM이라면 백업용 NVDIMM(비 휘발성 DIMM)을 생각하는 경향이 있습니다. 백업 NVDIMM는 정전 또는 리셋이 발생했을 때 슈퍼 캐패시터에서 일정 시간 동안 DRAM의 공급을 유지하고 DRAM에서 NAND 플래시 메모리로 데이터를 복사합니다.

 

이에 비해 Memory1 백업용 전원(슈퍼 캐패시터 또는 2차 전지)이 없습니다. 또한 전원이 꺼지거나 시스템을 재부팅해도 백업이 작동하지 않습니다. Memory1과 NVDIMM(비 휘발성 DIMM)는 본질적으로 다릅니​​다. Memory1는 NAND 플래시 메모리의 중요한 성질인 '비 휘발성'을 버렸습니다.

 

그러면 Memory1의 장점은 무엇일까요? DRAM보다 저렴한 가격으로 DRAM보다 큰 저장 용량을 얻을 수 있다는 것입니다. NAND 플래시 메모리의 용량 당 가격은 DRAM보다 훨씬 저렴해며, 소비 전력도 DRAM보다 낮은 것을 활용한 초 고용량 저전력 메모리 모듈(DIMM)이 Memory1입니다.

 

DRAM과 NAND 플래시 메모리를 비교할 때 NAND 플래시 메모리는 약점이 있습니다. 하나는 데이터 기록 시간이 길다는 것, 다른 하나는 데이터 기록 횟수에 제한이 있다는 것입니다. 따라서 시스템을 모두 Memory1으로 쓰는 건 Diablo에서 권장하지 않습니다. Memory1의 저장 용량을 10이라고 하면 DRAM의 기억 용량을 1 정도는 확보해 둘 필요가 있습니다.

 

예를 들어 Memory1의 저장 용량이 총 1TB라면 DDR4 DRAM DIMM의 용량을 적어도 100GB(실제로는 용량을 자유롭게 선택할 수 없어서 128GB가 될 것) 정도 준비해야 합니다. 이 DRAM DIMM은 NAND 플래시 메모리 부분의 쓰기 지연 완화와 수명 연장에 도움이 됩니다.

 

 

DRAM DIMM과 Memory1(NAND 플래시 메모리 DIMM)가 혼합된 메모리 아키텍처

 

메모리 모듈의 세계가 바뀐다

엔터프라이즈 서버 및 데이터 센터 서버 등의 메모리 계층에서는 DRAM DIMM의 기본 메모리가 캐시 메모리 계층으로 취급됩니다. 주기억 메모리층 아래에는 여러 외부 저장소가 존재합니다.

 

이들 서버는 주 기억 용량을 확대해 시스템 성능을 높이는 것을 필요로 합니다. 그러나 서버 메인보드에 탑재 가능한 DIMM 슬롯의 수량은 한정돼 있고, 또 DRAM 모듈은 메모리 용량이 시스템 측의 요구보다 작으며 저장 용량 당 비용이 비싸다는 단점이 있습니다. 이 문제를 해결하는 수단의 하나는 저장 용량 당 비용이 DRAM보다 훨씬 저렴한 NAND 플래시 메모리로 DRAM DIMM를 대체하는 것입니다.

 

DRAM DIMM이 안고 있는 또 다른 문제는 소비 전력입니다. DRAM은 저장된 데이터를 정기적으로 다시 기록하는 동작(리프레시 동작)을 필요로 하는데요. 이 리프레시쉬 동작에 필요한 대기 전류를 무시할 수가 없습니다. DRAM에 액세스하지 않아도(대기 상태에도) 일정한 전력을 소비하기 때문입니다. 그런데 NAND 플래시 메모리는 리프레시 동작이 없으며 대기 상태의 소비 전력이 매우 낮습니다. 소비 전력을 줄여야 하는 서버에선 이것도 장점이 됩니다. 

 

NAND 플래시 메모리의 데이터 읽기 성능은 매우 높아 DRAM에 가깝습니다. 그러나 NAND 플래시 메모리의 데이터 쓰기는 DRAM보다 훨씬 시간이 걸립니다. 또한 데이터 쓰기 수명에 제한이 있습니다. 이러한 약점은 소프트웨어나 하드웨어로 해결해야 합니다.

 

Memory1의 자세한 제품 스펙, 예를 들어 읽기 사이클 시간과 쓰기 사이클 시간, 전원 전압, 전류 등은 밝혀지지 않았습니다. 아직 궁금한 점이 남아 있습니다. 그러나 제품 컨셉은 메인 시스템 메모리 분야를 바꿀 가능성을 갖고 있습니다. 앞으로 Memory1와 같은 개념의 모듈 제품이 다른 제조사에서도 분명 등장할 것입니다. 앞으로 당분간은 지켜볼 분야가 되지 싶습니다.

 

 

 

오버클럭킹으로 SSD의 성능을 향상하는 샌디스크의 연구

http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/event/20150821_717179.html

 

NAND 플래시 메모리 응용 제품을 내놓는 샌디스크와 스토리지 컨트롤러 업체  PMC-Sierra, 공과 대학 Rensselaer Polytechnic Institute으로 구성된 공동 연구팀은 SSD(Solid State Drive)를 오버 클럭해서 성능을 높이는 방법을 고안해 그 결과를 Flash Memory Summit(FMS)의 일반 강연 세션에서 8월 12일 오전에 발표했습니다.

 

SSD의 구성 요소는 NAND 플래시 메모리(기억), NAND 컨트롤러(제어), 버퍼 메모리, 호스트 인터페이스 등으로 나눌 수 있습니다. 샌디스크의 공동 연구팀은 NAND 플래시 메모리와 NAND 컨트롤러를 연결하는 인터페이스의 동작 클럭을 오버 클럭시키는 방법을 생각했습니다. 이걸로 읽기 성능을 향상시키는 것이 목적이지요.

 

 

컨트롤러의 오류 정정 (ECC) 기능을 활용

 

SSD의 NAND 플래시 메모리 컨트롤러는 에러 정정(ECC) 기능을 표준으로 지원합니다. 또 SSD는 데이터를 반복해서 기록할수록 데이터 오류가 증가하는 경향이 있습니다. 이를 미리 대비하여 ECC 기능의 성능이 매우 강하게 설계돼 있습니다.

 

샌디스크의 공동 연구팀은 여기에서 흥미로운 사실​​을 발견했습니다. SSD의 데이터 쓰기 횟수가 적을 때는 데이터 오류율이 적습니다. 즉 ECC 기능에 큰 여유가 생깁니다. 오버 클럭에 따라 판독 데이터 오류율과 인터페이스의 데이터 오류율이 늘어난다 해도 ECC 기능의 허용 범위 안이라면 불량률(오류 정정 기능을 사용한 후의 불량률)은 표기 스펙 정도로 억제할 수 있는 것입니다. 즉 오버클럭을 통해 SSD의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 

 

물론 SSD를 계속 사용할수록 표준 클럭에서도 오류가 늘어나고 ECC의 능력에 여유가 없어집니다. SSD의 누적 사용량을 보면서 오버클럭 수준을 적절하게 조정하면 여기에 대응할 수 있다고 하네요.

 

 

NAND 플래시 메모리의 쓰기 내역과 불량률(오류 수정 전의 불량률). 지금까지의 누적 사용량에 따라 불량률은 크게 다릅니다. 왼쪽의 두 그래프는 1000번 기록한 후와 5000번 기록한 후의 페이지 에러 수를 비교한 것입니다. 오른쪽 그래프는 1000번 기록한 후와 5000번 기록한 후의 데이터 보존 상태 불량률을 비교한 것입니다. 모두 기록 횟수가 늘어날수록 불량률도 크게 늘어나는 것을 알 수 있습니다. 
 

 

남는 ECC 능력을 이용하여 오버 클럭합니다. 왼쪽의 그래프는 표준 클럭에서 동작시켰을 때의 기록 횟수와 불량률의 관계. 기록 횟수가 적을 때는 불량률이 적어 ECC 기능의 능력에 여유가 있습니다. 오른쪽 그래프는 오버 클럭했을 때의 기록 횟수와 불량률의 관계. 불량률이 ECC의 능력을 넘어서지 않도록 적절히 조정하면서 오버 클럭합니다

 

166MHz의 표준 입출력 클럭을 275MHz까지 오버클럭
 

샌디스크의 공동 팀은 SSD의 읽기 동작의 지연 시간을 다음의 3가지로 나눠 검토했습니다. (1) NAND 플래시 메모리에서 데이터를 읽기까지의 지연 시간(읽기 지연). (2) 읽어낸 데이터의 전송에 소요되는 지연 시간(전송 지연), (3) 오류의 정정 처리에 걸리는 시간(ECC 지연)입니다. 이 중 마지막 ECC 대기 시간은 매우 짧아 전체 성능에 미치는 영향은 작습니다. (1)과 (2)의 지연 시간은 (3)에 비해 길며 (1)과 (2)는 같은 수준입니다. 그래서 (2)의 지연 시간을 오버 클러킹으로 줄이면 읽기 전체 지연 시간도 매우 짧아 될 것으로 추정했습니다.

 

그래서 ONFI 2.2 사양을 준수하는 NAND 플래시 메모리를 오버 클럭했습니다. 공식 스펙의 데이터 전송 속도와 클럭은 각각 166MB/sec와 166MHz입니다. 이 NAND 플래시 메모리에서 데이터 전송 속도를 275MB/sec(클럭 275MHz)까지 높여 봤습니다. 오버 클럭은 읽기와 쓰기 작업 모두에서 이루어졌습니다.

 

그러자 클록 237.5MHz 이하에서는 불량률 상승이 보이지 않았습니다. 237.5MHz를 넘어서면 불량률이 빠르게 상승하고 275MHz에서 1000~10000배에 달했습니다. 따라서 237MB/sec까지는 불량을 늘리지 않고 오버클럭할 수 있음이 판명된 셈입니다.

 

따라서 어느 정도의 성능 향상(지연 시간의 단축)이 생길 것인지를 시뮬레이션을 통해 확인했습니다. 조건에 따라 다르지만 대략 20 % 정도의 지연 시간 단축 효과가 있는 것으로 나타났습니다.

 

 

오버 클럭과 불량률의 관계
 

 

오버클럭의 지연 시간 단축 효과. 왼쪽은 클럭에 의한 차이. 오른쪽은 페이지 크기에 의한 차이

  

 

쓰기 횟수의 증가에 의한 열화를 방지

그러나 누적 스기 횟수가 늘어날수록 오버 클럭의 효과는 감소합니다. 예를 들면 ECC에 의한 오류 정정이 잘 되지 않으면서 다시 읽기를 시도하는 비율이 늘어납니다. 그 결과 평균 읽기 성능이 떨어집니다(오버 클럭에 의한 성능 향상의 비율이 감소).

 

이런 증상에 대한 대책으로는 오버 클럭을 더한 오류 정정 알고리즘의 도입, 예를 들면 LDPC(저밀도 패리티 검사 부호)가 유망하다고 하네요.