MRAM SSD, 3D Xpoint(옵테인) SSD, 낸드 플래시 SSD(인텔 P3700)의 4K 랜덤 쓰기 속도 비교. MRAM(자기 저항 메모리)를 쓴 스토리지가 엄청난 속도를 과시하고 있습니다. 그것도 구체적으로요. MRAM을 쓴 SSD와 기준 플래시 메모리의 SSD를 비교한 결과, 지연 시간은 MRAM이 낸드의 1/10, 옵테인의 1/2가 나왔습니다. 

 

 

3D XPoint 메모리와 MRAM의 근본적인 차이

MRAM은 비휘발성 메모리면서 데이터 읽기/쓰기 속도가 빠르고 재기록 수명이 매우 높습니다. 반면 대표적인 비휘발성 메모리인 낸드 플래시 메모리는 재기록 수명이 상당히 낮고 데이터 기록에 시간이 오래 걸립니다. 이 단점을 해결한 대용량 비휘발성 메모리가 3D Xpoint 메모리입니다. 데이터 읽기/쓰기가 빠르고 재기수록 수명이 매우 높습니다. 게다가 실리콘 다이의 저장 용량은 128GBit로 낸드 플래시 다음입니다. 

 

MRAM과 3D Xpoint 메모리를 비교하면 SSD나 비휘발성 메모리 모듈의 응용 분야에서 지연 시간과 처리량은 MRAM이 다소 유리하나 성능에 큰 차이는 없습니다. 더 근본적인 차이는 유통 방식에 있습니다. MRAM은 반도체 메모리지만 3D Xpoint는 그렇지 않거든요. 

 

MRAM은 상용 제품입니다. 누구나 MRAM을 구입하고 모듈과 시스템을 개발할 수 있습니다. 그러나 3D Xpoint 메모리는 외부에 팔지 않습니다. 인텔 옵테인과 마이크론의 독자 제품에만 들어갑니다. 인텔과 마이크론은 3D Xpoint 메모리를 공동 개발/생산하지만 자신들의 제품에만 쓰지 외부에 판매하진 않습니다. 

 

반도체로 제품을 만드는 생산자 입장에서 보면 3D Xpoint 메모리가 싸고 비싸고를 논하기 전에, 구입 자체를 할 수 없으니 관심을 가질 이유가 없습니다. 그러나 MRAM은 제조사를 통해 누구나 살 수 있습니다. DRAM, SRAM, 표준 EEPROM, NOR 플래시 메모리 같은 일반적인 반도체 메모리 제품과 같습니다. 이 차이는 매우 중요합니다. 

 

3D Xpoint 메모리를 탑재한 고속 스토리지의 개발은 인텔과 마이크론 외의 다른 회사가 주제로 삼을 수 없는 이야기입니다. 그런 의미에서 MRAM을 탑재한 고속 스토리지는 다릅니다. 이를 개발할 능력만 있다면 누구나 접근이 가능합니다.  

 

 

256Mbit 제품 등장이으로 MRAM 스토리지 개발에 관심이 쏠리다

그럼에도 불구하고 MRAM을 탑재한 고속 스토리지는 최근까지 실현되지 않았습니다. 가장 큰 이유는 MRAM의 저장 용량이 너무 작기 때문입니다. MRAM은 처음에 4Mbit로 시작해 16Mbit, 나중에는 64Mbit로 용량을 늘렸습니다. 64Mbit라고 해봤자 낸드 플래시 메모리의 1/10000밖에 안 되네요. 

 

그래도 256Mbit 제품 양산이 2017년에 본격적으로 시작되면서 이를 활용한 스토리지를 개발하는 분위기가 늘었습니다. 수직 자기 기록 방식의 스핀 주입 토크 메모리(pSTT-MRAM) 기술의 실용화로, 앞으로 저장 용량 확대와 저장 밀도 향상을 기대할 수 있게 되었거든요. 256Mbit 제품 제조에는 40nm CMOS 공정을 사용했는데, 이를 28nm, 22nm, 16nm 세대로 미세화하면서 저장 용량을 1~4Gbit, 심지어 16Gbit까지 늘릴 수 있게 됐습니다. 

 

 

그리고 틈새 시장을 노릴 경우 256Mbit 용량의 실리콘 다이는 MRAM 스토리지 응용 분야를 개척하는 최저 수준을 통과했다고 볼 수도 있습니다. 인텔을 제외한 다수의 스토리지 개발 기업에게 MRAM 같은 상용 비휘발성 메모리는 매우 매력적인 존재입니다. 

 

스토리지의 최상위 계층을 목표로

MRAM 스토리지는 SSD나 하드디스크 등으로 구성되는 스토리지 계층에서 티어 0이라 불리는 최고 성능의 스토리지 계층을 노립니다. 속도는 빠르나 저장 용량이 적은 MRAM 스토리지 입장에선 이 계층을 겨낭하지 않을 수가 없습니다. 데이터센터를 비롯한 엔터프라이즈 시스템에선 스토리지를 계층화해 속도, 저장 용량, 비용의 균형이 맞도록 조정해 왔습니다. 상위 계층에선 용량은 작아도 매운 빠른 속도를 추구하며 가격은 비쌉니다. 하위 계층은 속도는 느려도 용량을 늘리고 가격이 저렴합니다. 

 

 

낸드 플래시 메모리의 SSD를 상위 계층에서 쓰기엔 속도가 부족합니다. 그래서 낸드 플래시 메모리보다 빠른 비휘발성 메모리를 탑재한 고속 SSD에 대한 요구가 강해지고 있습니다. 구체적으로는 3D Xpoint 메모리를 탑재한 옵테인 SSD와 SLC 3D 낸드 플래시를 도입해 속도를 늘린 삼성 Z-SSD가 있습니다. MRAM 스토리지도 이 분야를 노립니다. 

 

1GB 용량의 NVMe 스토리지를 상품화

MRAM 스토리지의 첫 번째 제품은 MRAM 업체인 에버스핀 테크놀러지와 모듈 회사인 스마트 모듈러 테크놀러지가 공동 개발한 PCIe 인터페이스 MRAM 스토리지인 nvNITRO 시리즈입니다. 작년부터 시장에 출시됐으며 판매는 에버스핀과 스마트 모듈러가 제각각 맡습니다.

 

 

nvNITRO 시리즈의 대표적인 제품은 NVMe1.2 인터페이스를 갖춘 확장 카드형 SSD로 에버스핀의 모델 넘버는 ES1GB-N03, 스마트 모듈러의 모델 넘버는 SSPE8N1LXLAM36BEV입니다. 용량은 1GB로 작습니다. 256Mbit의 STT-MRAM 칩을 32개나 36개 탑재한 걸로 오입니다. 대신 스펙은 매우 높습니다. 랜덤 읽기/쓰기 IOPS는 최대 150만(4KB 단위 액세스), 읽기 레이턴시는 6μs, 쓰기 레이턴시는 7μs입니다. 순차 읽기/쓰기 처리량은 최대 6,000MB/s로 높습니다.

 

 

Everspin ES1GB-N03

 

 

SMART Modular SSPE8N1LXLAM36BEV

 

 

스마트 모듈러가 발표한 자료를 보면 인텔 옵테인 SSD 480GB보다 스토리지 성능이 훨씬 높습니다. 4KB QD 1 랜덤 쓰기는 옵테인이 57,750 IOPS지만 MRAM 스토리지인 nvNITRO는 69,000 IOPS입니다. 응답 시간은 옵테인이 16.5μs인데 nvNITRO는 14μs입니다. 그리고 128KB QD 1 순차 쓰기는 옵테인이 10,000 IOPS인데 nvNITRO는 20,000 IOPS로 2배입니다. 응답 속도도 옵테인은 90μs, nvNITRO는 50μs입니다.

 

 

에버스핀은 U.2 인터페이스를 갖춘 2.5인치 SSD인 ES1GB-U201도 판매합니다. 여기도 용량은 1GB로 작습니다. 성능은 랜덤 읽기/쓰기가 최대 75만 IOPS(4KB 액세스), 읽기 레이턴시는 7μs, 쓰기는 8μs, 순차 읽기/쓰기 속도는 최고 3000MB/s입니다. 

 

옵테인과 MRAM 스토리지를 비교하면 저장 용량이 압도적으로 부족합니다. 옵테인 SSD에 탑재된 3D XPoint 메모리는 128Gbit 다이지만 MRAM은 256MBit입니다. 무려 512배가 차이납니다. MRAM의 차세대 제품인 1Gbit 다이를 쓴다 해도 128배가 차이납니다.  

 

 

엔터프라이즈 SSD에서 MRAM을 버퍼로 사용

 

다른 쪽에선 MRAM 스토리지를 저장 매체가 아닌 SSD의 버퍼 메모리에 쓰려는 움직임이 있습니다. 낸드 플래시 메모리 기반 SSD는 일반적으로 DRAM 버퍼 메모리를 탑재합니다. 낸드 플래시 메모리는 데이터 기록에 시간이 걸리기에, 데이터를 빠르게 기록할 수 있는 DRAM을 버퍼로 삼아 쓰기 성능의 저하를 억제합니다.

 

그러나 SSD 전원이 어떤 이유로던 갑자기 끊기면 DRAM 버퍼의 데이터가 사라집니다. 이 데이터 손실을 방지하기 위해 DRAM 버퍼를 탑재한 SSD엔 대용량 캐패시터도 들어갑니다. 그럼 전원 공급이 끊겨도 대용량 캐패시터가 전원을 일시적으로 유지하고, 그 사이에 DRAM 버퍼의 데이터를 낸드 플래시 메모리에 기록합니다. 

 

 

대용량 캐패시터는 두가지 단점이 있습니다. 하나는 캐패시터가 SSD 내부에서 공간을 차지하기에, 정작 데이터를 저장할 낸드 플래시 메모리를 넣을 공간이 줄어듭니다. 위 이미지에선 4개의 낸드 플래시 메모리에 해당되는 공간을 차지하고 있지요. 또 대용량 캐패시터는 전자 부품으로서의 신뢰도가 떨어져 SSD의 고장 요인이 됩니다. 

 

 

그래서 DRAM 대신 MRAM을 SSD의 버퍼로 사용, DRAM의 데이터 유지를 위한 대용량 캐패시터가 필요하지 않는 SSD가 엔터프라이즈 시장에 나왔습니다. IBM은 8월에 발표한 FCM(FlashCore Module) SSD에 MRAM 버퍼를 넣었습니다.

 

 

FCM은 64단 TLC 3D 낸드 플래시를 스토리지로 사용, 용량은 4.8TB, 9.6TB, 19.2TB를 달성했습니다. FCM 버퍼에 넣은 MRAM은 에버스핀의 256Mbit STT-MRAM입니다. 용량은 128MB. 또한 DRAM 버퍼를 완전히 뺀건 아니고 일부 DRAM 버퍼를 조합했습니다.

 

 

FCM SSD의 블럭 다이어그램과 기판 레이아웃.