3D Xpoint 메모리는 Intel과 Micron Technology가 작년 7월말에 공동 개발을 발표한 고속 대용량 비 휘발성 메모리 입니다. 이미 128Gbit 실리콘 다이 샘플이 출하되어 SSD ( Solid State Drive ) 시제품의 성능이 평가되고 있습니다. ( https://gigglehd.com/gg/275537 )
3D Xpoint 메모리는 실리콘다이의 성능이 NAND 플래쉬 메모리보다 100배 빠르며, NAND 플래쉬 메모리보다 1000배나 긴 수명을 가지고 있으며, DRAM의 10배의 저장 밀도를 가지고 있다고 발표하였습니다. 하지만 NVMe인터페이스의 SSD로 NAND 플래쉬 메모리 제품과 비교한 범위에서는 레이턴스 ( 지연 시간 ) 은 10분의 1정도 이며, 응용 프로그램의 처리 속도는 3배의 성능을 가지고 있습니다.
그래도 3D Xpoint 메모리에 대한 사용자들의 기대는 큽니다. 128Gbit를 가지고 있는 대용량의 비 휘발성 메모리는 NAND 플래쉬 메모리 제외하면 존재하지않기 때문입니다. 빠른 랜덤 엑세스가 가능한 의미로는 3D XPoint 메모리가 유일한 존재라고 할 수 있습니다.
Z-NAND 기술은 기억 칩과 컨트롤러의 구성
메모리 사용자들이 느끼는 중 한가지는, 3D Xpoint 메모리의 상업 생산 ( 대량 생산 )이 좀 처럼 시작되지 않기 때문입니다. 또 다른 한가지는 DRAM과 NAND 플래쉬 메모리의 속도 격차가 해소 할 수 있는 차세대 메모리로 유력한 후보가 3D XPoint 뿐이기 때문입니다. 후보가 한개라면 경쟁원리가 작동하지 않아 메모리나 SSD의 가격이 내려가지 않을거라는 우려가 생기게 됩니다.
거기에 등장한 것이 Samsung Electronics가 발표한 고속 대용량 비휘발성 메모리 기술인 Z-NAND 입니다. Z-NAND기술을 도입한 SSD ( Z-SSD라고 부름 )는 기존의 NAND 플래쉬 메모리를 내장한 SSD에 비해서 레이턴스 ( 지연 시간 )이 매우 줄어들었으며, 쓰루 풋 ( 데이터 이동 속도 ) 이 높은 프로토 타입을 플래쉬 메모리 업계 이벤트인 FMS ( Flash Memory Summit ) 에서 발표하였습니다.
▲Z-NAND 기술을 도입한 Z-SSD를 FMS 키노트 강연에서 발표
▲Z-SSD의 외관, 인터페이스는 NVMe ( Non-Volatile Memory express )를 사용
요소 기술은 대부분 설명되지 않았음
Z-NAND 기술에 의한 메모리의 성능이나 요소 기술은 현재로써는 아직까지 밝혀지지 않았습니다. 알고 있는 것은 Z-SSD의 간단한 구성 정도 입니다. Z-SSD는 Z-NAND 칩과 Z-SSD 전용으로 개발된 컨트롤러로 구성되어 있는것으로 보이며, 칩과 컨트롤러에 대해서는 독자적인 방식을 사용하고 있는 것 같지만, 역시 자세히는 밝혀지지 않았습니다.
Samung은 이전에 상변화메모리 ( Intel은 PCM, 삼성은 PRAM 이라 부름 )의 시제품을 개발하며, 한 동안 제품화 하였던 적이 있지만, FMS 강연에서는 Z-NAND칩에는 상변화메모리가 없다고 언급하였습니다. 또한 칩에다가 DRAM 실리콘 다이와 NAND 실리콘 다이를 내장시켜 성능을 올리는 방법도 있지만, 이것도 아닌것 같습니다.
Z-NAND 칩에 대해서는 미국 온라인 잡지인 EETimes가 Z-NAND 관련 보도 기사에 의하면, '3D NAND 플래시 메모리를 SLC 타입으로 사용함으로써 성능을 높인 가능성이 있다.'라고 도시바 엔지니어가 언급하였습니다. 3D NAND의 기본적은 사용 방법은 TLC ( 3bit / 셀 ) 타입 입니다. 동일한 실리콘 다이를 SLC ( 1bit / 셀 ) 타입으로 사용하면 저장 용량이 3분에 1로 줄어들지만, 엑세스 속도가 증가합니다. NAND 플래시 메모리는 원래 쓰기 성능이 낮다는 단점을 가지고 있습니다. 현존의 SSD는 입출력 채널의 멀티화나 DRAM 버퍼와 같은 것을 보충하여 높은 성능을 실현해 왔습니다.
예를 들어 256Gbit의 TLC 타입 3D NAND 플래시를 SLC 타입으로 사용하게 된다면 저장 용량은 약 85Gbit로 줄어듭니다. 하지만 기록에 필요한 시간이 짧아지게 되며, 수명 또한 크게 증가합니다. Samsung은 엔티프라이즈 SSD 솔루션으로써 Z-SSD를 소개하고 있기 때문에 수명이 길다는 것은 큰 의미를 갖습니다.
▲FMS전시회의 Samsung 부스에 전시된 Z-NAND 기술과 Z-SSD 기술
▲FMS전시회의 Samsung 부스에 전시된 Z-SSD 개요
상변화메모리 ( PRAM )과 성능을 비교한 의미
DRAM과 기존의 SSD 사이에는 큰 성능차이가 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. Samsung은 FMS 키노트 강연에서 이 차이를 메꾸기 위해서는 상변화메모리 ( PRAM ) 기반의 기술이 아닌 NAND 기반의 기술로 메꾼다고 발표하였습니다.
▲메모리계층의 DRAM과 SSD의 성능 차이를 메꾸기 위한 방법
여기서 PRAM 기반의 제품은 3D XPoint 메모리를 가르키는 것을 보입니다. FMS 키노트 강연과 전시회에서, Samsung은 Z-SSD의 성능을 대부분 기존 SSD와 비교하였지만, 간혹 PRAM 기반의 SSD와 비교한 결과도 나왔습니다.
키노트 강연에서는 Samsung은 NVMe SSD인 PM963과 PRAM 기반의 SSD, Z-SSD을 나열한 그래프를 보여주었습니다. 예를 들어 시퀀셜 ( 순차적 ) 쓰루풋 ( 데이터 처리량 ) 은 NVMe SSD의 2배 이상이였으며, PRAM 기반 SSD보다 미묘하게 빨랐습니다. 4KB 데이터의 레이턴스 ( 대기 시간 )는 NVMe SSD 보다 훨씬 짧고, PRAM기반 SSD와는 거의 동일하였습니다. 메모리 캐시 서버의 성능은 NVMe SSD 탑재 시스템보다 2배 이상이며, PRAM기반 SSD보다 약간 높습니다. 빅데이터 분석 성능은 NVMe SSD의 2배, PRAM 기반 SSD의 1.2배 높습니다. 그리고 Z-SSD의 에너지 소비 효율은 PRAM 기반 SSD보다 2.6배 높다고 합니다.
▲Samung의 NVMe SSD PM963과 PRAM기반 SSD, Z-SSD의 성능 비교
전시회 부스에서도 기존 NVMe SSD, PRAM기반 SSD, Z-SSD의 성능을 비교하여 슬라이드 쇼로 표시하고 있었습니다.
시퀀셜 ( 순차적 ) 쓰루풋 ( 데이터 처리량 )은 Z-SSD가 약 3.2GB/sec로 가장 높은 성능을 나타내고 있습니다. PRAM기반 SSD는 NVMe SSD ( NAND 플래시 기반 ) 보다 높지만, 처리량은 Z-SSD의 3분에 2정도 표시되어 있습니다. 4KB 데이터 레이턴스 ( 대기시간 )는 키노트 강연과 동일하게 Z-SSD가 NVme SSD에 비해 4분에 1로, PRAM 기반 SSD와 거의 동일한 수치입니다.
▲FMS 삼성부스에서의 NVMe SSD PM963과 PRAM기반 SSD, Z-SSD의 성능 비교
전반적으로 Z-SSD는 PRAM 기반의 SSD ( 3D XPoint 메모리 기반의 SSD인 Optane과 QunatX로 가정 )와 거의 동일한 성능을 가지고 있습니다. 또한 Samsung이 발표한 자료에 따르면 Z-SSD 제품은 2017년 에 출하될 것으로 예상하고 있습니다.
NVMe라는 초고속 인터페이스를 얻어 SSD가 극대화된 성능을 얻게 되었지만, 역설적이게도 NVMe 인터페이스의 극한의 성능까지 SSD를 고안하고 개발하는 의의가 생겼다고 할 수 있습니다. 3D Xpoint나 Z-NAND는 NVMe 인터페이스를 전제로 실현한 SSD 입니다. 앞으로 유사한 방향 목표로한 SSD가 고안 될 가능성이 적지 않기 때문에 매우 기대가 됩니다.
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