원 저자 : 후쿠다 아키라( 福田昭 )
▲삼성전자가 2018년 1월 30일에 발표한 고속 SSD인 Z-SSD의 외관. 방열판을 제거한 상태입니다.
최대의 NAND 플래시 메모리 업체이며, 최대의 SSD 제조 업체인 삼성전자는 고속 SSD인 Z-SSD와 전용 NAND 플래시 메모리 기술인 Z-NAND의 내용을 일부 공개하였습니다.
2월 ( 2018년 2월 ) 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제학회인 ISCC에서 Z-SSD용 컨트롤러 기술과 Z-NAND의 기술의 개요를 발표하였습니다. ( 강연번호 20.2 )
숨겨왔던 Z-SSD와 Z-NAND의 정체
Z-SSD 기술과 Z-NAND 기술은 2016년 8월 플래시 메모리 업체 이벤트인 FMS ( Flash Memory Summit )에서 삼성으로부터 처음 발표되었습니다. ( 지난글 : 3D Xpoint 메모리에 대항하는 삼성의 Z-NAND 기술 )
Z-SSD는 NAND 플래시 메모리를 탑재하는 기존의 SSD보다 액세스 지연 시간 ( 레이턴시 )가 짧은 것을 특징하고 하고 있습니다. FMS에서는 이러한 시간을 비교하여 Z-SSD의 장점을 강조하고 있었지만, 용량이나 구체적은 성능과 기술에 대한 부분은 밝히지 않았었습니다.
이후 삼성은 2016년 9월 한국 서울에서 주최한 SSD의 이벤트인 Samsung SSD Global Summit 2016에서 Z-SSD의 시제품을 전시함과 동시에 구체적인 성능을 공개하였습니다. 히데오 이시이 씨의 보고서에 따르면 ( 지난글 : 삼성, 3D XPoint를 대항하는 차세대 SSD Z-SSD를 전시 ) Z-SSD의 기억 용량은 1TB ( 유저가 사용 가능한 공간은 800GB ), 제품명은 SZ985, 전용 컨트롤러의 개발 코드는 Phoenix, 순차 엑세스의 읽기 쓰기 속도는 모두 최대 3.2GB/s, 4KB 단위의 랜덤 읽기 성능은 최대 750,000IOPS, 4KB 단위의 랜덤 쓰기 성능은 최대 160,000IOPS로 발표되었습니다.
또한 삼성은 2017년 6월 일본 도쿄에서 개최한 SSD 이벤트인 2017 Samsung SSD Forum Japan에서도 유사한 전시를 실시하였습니다. (지난글 : Samsung, Nand 및 SSD의 동향과 기업의 활용 사례를 소개 [원문] )
이어서 2017년 8월에 개최된 FMS 2017에서 삼성은 Z-SSD( SZ985 )의 4KB 단위 랜덤 읽기 지연 시간이 ( 레이턴시 ) 15μs로 매우 짧을 것이라는 발표와 동시에 가격을 낮춘 2세대의 Z-NAND의 기술이 개발중임 키 노트 강연에서 밝혔습니다.
▲Z-NAND 기술과 V-NAND 기술 ( 삼성의 3D NAND 플래시 기술 )의 성능 비교.
Z-NAND는 V-NAND에 비해 읽기 지연 시간이 15분에 1로 짧아졌습니다.
※FMS 2017의 키 노트 강연에서 삼성의 슬라이드로 부터
▲Z-NAND 기술과 V-NAND 기술 ( 삼성의 3D NAND 플래시 기술 )의 성능 비교.
세로 축은 읽기 지연 시간, 가로 축은 비용으로 1 세대 Z-NAND의 기술에 비해 2 세대 Z-NAND의 기술은 비용이 낮아졌다는 것을 보여주고 있습니다.
※위와 동일
▲Z-NAND 기술의 SSD ( Z-SSD )와 TLC 방식의 NAND를 이용한 SSD의 읽기 지연 시간 ( 레이턴시 ) 비교.
Z-SSD는 15μs 이하의 지연 시간을 달성 할 수 있다고 발표하고 있습니다. 이는 일반적인 SSD의 5.5분의 1인 수치입니다.
※위와 동일
Z-SSD의 용량은 800GB와 240GB, 장기적인 쓰기에 안정
그리고 올해 ( 2018년 ) 1월 30일 삼성은 Z-SSD의 제품화를 공식적으로 발표했습니다. ( 기글 지난글 : 삼성 SZ985 Z-SSD )
제품명은 SZ985로 과거에 발표한 제품명과 다르지 않습니다. 폼펙터는 HHHL ( Half-Height Half-Length ), 물리적인 IO는 싱글 PCIe-3.0을 4레인, 논리 IO는 NVMe 1.2 버전을 지원하고 있습니다.
저장용량은 800GB와 240GB 두 종류가 준비되어 있습니다. 엔터프라이즈 제품인 800GB의 랜덤 읽기 지연 시간은 16μs이며 랜덤 읽기 성능은 750,000IOPS, 랜덤 쓰기 성능은 170,000IOPS입니다.
Z-SSD의 주목할만한 점은 읽고 쓰기의 신뢰성입니다. 하루의 전체 용량 기록 횟수가 30회 이며 (DWPS : Drive Write Per Day ) 5년의 수명을 보장하고 있습니다. 또한 평균 무고장 시간 ( MTBF : Mean Time Between Failures )은 200만 시간입니다.
삼성은 보도 자료에서 Z-SSD 및 관련 기술을 국제학회인 ISSCC에서 발표하기로 예고하였습니다. 그리고 2018년 2월 12일부터 14일에 개최된 ISSCC에서 삼성은 Z-SSD 컨트롤러 기술을 강연에서 설명하고, 병설된 미니 전시회에서 Z-SSD를 시연하였습니다.
▲Z-SSD 제품인 SZ985의 주요 사양
※삼성이 발행한 제품 카탈로그로부터 참조
▲Z-SSD의 외관 및 개요. 버퍼로 1.5GB의 LPDDR4 SDRAM을 탑재하고 있습니다.
※ISCC 2018 삼성의 강연 슬라이드로부터
▲국제학회 ISCC 2018 미니 전시회에 출품 된 Z-SSD ( 오른쪽 노란색 포스트잇이 붙어 있는 보드 )
데모에서는 기존 SSD보다 읽기 지연시간이 짧은 것을 어필하고 있었습니다.
※2018년 2월13일 오후 5시 30분경 ( 미국 태평양 시간 기준 ) 필자 ( 후카다 아키라 ) 촬영
읽기 액세스가 매우 빠른 Z-NAND의 기술
ISSCC 강연에서 삼성은 Z-SSD의 핵심 기술인 Z-NAND의 기술의 일부를 밝혔습니다.
Z-NAND는 워드 선의 적층수가 48층인 3D NAND 플래시 기술로 실리콘 다이 당 64Gbit의 저장 공간을 제공하고 있습니다.
동일한 48층의 3D NAND 플래시 기술과 TLC ( 3bit / 셀 ) 방식의 조합은 ( 기존의 기술 ) 실리콘 다이 당 256Gbit의 저장 공간을 제공하고 있기 때문에, Z-NAND의 기술은 저장 공간이 4분에 1로 줄어든 것을 알 수 있었습니다.
그리고 Z-NAND의 기술은 메모리 셀 배열의 접근이 빠름을 알 수있었습니다. 메모리 셀 배열과 입출력 버퍼의 사이의 지연 시간 ( 레이턴시 )을 비교해보면, 48층을 적층한 기존의 기술은 읽기 동작 시간이 45μs, 쓰기 동작이 660μs인 반면, Z-NAND의 지연 시간은 읽기 동작시 불과 3μs로 기존의 방식에 비해 15분에 1의 속도로 동작합니다. 또한 쓰기 동작시도100μs로 6분에 1이하로 줄어들었습니다.
▲기존의 3D NAND 플래쉬 기술 ( 삼성이 발표한 V-NAND 기술 )과 Z-NAND의 기술을 비교.
tR은 읽기 지연 시간 ( 메모리 셀 배열로 부터 데이터를 출력 버퍼에 전송될때 까지의 시간 ), tPROG 쓰기 지연 시간 ( 입력 버퍼의 데이터를 메모리 셀 배열에 기록하는 시간 )
※ ISCC 2018에서 삼성이 발표한 논문으로부터
Z-NAND 기술은 V-NAND 기술의 SLC ( 1bit / 셀 )버전이라는 이라는 추측이 맞아 떨어진다고도 볼 수 있을것 같습니다. 그러나 삼성은 SLC버전의 V-NAND 기술이라고 공식적으로 이야기하지 않고 있습니다. ( 설명을 피하고 있기 때문에 주의하여야 할 것 같습니다. )
여기서 떠오르는 작은 문제점이 있습니다. 원칙적이라면 V-NAND의 3분의 1로 줄어들었어야할 저장공간이 4분에 1로 더 줄어들었느냐 입니다.
여기에는 몇가지 추측이 있습니다.
가장 간단하게 설명 가능한 추측으로는 Z-NAND의 메모리 셀 배열이 V-NAND에 비해 작아지게 되어 64Gbit가 되었다는 것입니다. 즉 실리콘 다이가 V-NAND에 비해 작다는 것입니다. 삼성은 아직까지 실리콘 다이의 면적을 공표하지 않았기 때문에 명확하지는 않지만, 가능성은 충분히 열려 있습니다.
그러나 실리콘 다이 전체를 재설계하여 제조하게 된다면 상당한 비용 증가가 필요하게 되며, 또한 64Gbit에 근접한 물리적 배열이라면 오류 정정 기능을 ( ECC ) 내장하여야 하는데, 이는 속도를 저하시키기 때문에 좋은 방법은 아닙니다.
또 다른 추측은 메모리 셀 배열의 설계는 공유하고 있지만, 주변 회로의 설계를 변경하고 있다는 것입니다.
Z-NAND의 또 다른 특징으로는 페이지 크기가 4분의 1 ( 4KB ) 혹은 8분의 1 ( 2KB ) 보다 작다는 것 입니다. 주변 회로를 변경하지 않으면 이를 구현할 수 없습니다. 그리고 물리적으로는 256Gbit의 3분에 1에 해당하는 85Gbit탑재하고 있지만, 실제로는 그 중에서 64Gbit만 사용하고 있다는 방법입니다.
64Gbit만 사용하게 된다면 더티 비트를 제거하는 것과 성능이 높은 비트 ( 구체적으로는 성능이 높은 페이지 )를 선별하는 두가지를 얻을 수 있습니다. 이는 ECC를 내장하지 않아도 되기 때문에 성능 저하가 나타나지 않는 장점도 있습니다. 때문에 필자는 후자의 가능성이 더 크다고 생각하고 있습니다.
SSD의 읽기 지연시간을 5분에 1로 단축
삼성은 ISSCC의 강연에서 SSD의 읽기 지연 시간을 구성하는 요소를 아래와 같이 6가지로 분류하고 그 속에서 NAND 플래시 메모리 관련의 요소가 큰 것으로 나타냈습니다.
- 호스트가 명령을 실행하여 컨트롤러에 전달되기 까지의 시간
- 컨트롤러에서 주소를 변환하는 시간
- 컨트롤러가 NAND 플래시 메모리에 명령을 전달하여 메모리 셀 배열에서 읽는 시간,
- 명령을 받은 NAND 플래시 메모리가 메모리 셀 배열로부터 데이터를 출력하여 컨트롤러가 받을때 까지의 시간
- 받은 데이터를 컨트롤러가 확인하는 시간
- 컨트롤러가 호스트에 데이터를 전송하는 시간
PM963의 경우 호스트 컨트롤러가 데이터를 교환하는데 필요한 시간이 8.5μs이며, 컨트롤러 내부에서 데이터를 처리하는 시간이 15μs인 반면, 컨트롤러가 NAND 플래시 메모리와 데이터를 교환하는데 필요한 시간은 53μs로 굉장히 깁니다.총 읽기 지연시간인 76.5μs의 약 70%를 차지하게 됩니다.
NAND 플래시 메모리와 컨트롤러로 데이터를 전송하는데 필요한 시간 ( tMedia )은 메모리 셀 배열에서 페이지 데이터 ( 4kB의 데이터 )를 출력 버퍼에서 데이터를 읽는 시간 ( tR )과 출력 버퍼에서 데이터를 컨트롤러까지 전송하는 시간 ( tDMA )으로 나누어집니다. 여기서 시간을 대부분 차지하고 있는 것은 tR로 PM963 SSD의 경우 45μs에 달하며, tDMA은 8μs를 가지고 있습니다.
고속 SSD 기술인 Z-SSD는 전용 NAND 플래시 기술인 Z-NAND에 의해 tR을 3μs로 대폭 단축하였습니다. 또한 tDMA는 4μs로 절반이나 단축함으로써 7μs의 시간을 가지고 있는데 이는 7분의 1 이하로 감소된 수치입니다. 구체적으로는 4kB의 읽기를 2kB씩 두채널에서 동시에 판독하여 tDMA를 절반이나 단축한 것입니다.
또한 호스트와의 통신 및 컨트롤러 내부의 처리를 짧게하여 전체 읽기 지연 시간을 15.9μs로 약 5분의 1로 단축시켰습니다.
▲SSD의 읽기 지연 시간 ( Total Read Latency )비교. 기존의 SSD의 제품인 PM963 ( 위 ), Z-SSD ( 아래 )
※국제 학회인 ISCC 2018에서 삼성의 강연 슬라이로부터
▲Z-SSD용으로 개발된 컨트롤러와 실리콘 다이의 사진.
제조 공정은 FinFET, 가공 지수 및 실리콘 다이의 크기 등은 공개하지 않았습니다.
※ 위와 동일
벤치 마크를 통해 Z-SSD의 장점을 강조
이 밖에도 ISSCC에서는 몇가지 벤치마크를 이용하여 Z-SSD의 강점을 강조하였습니다.
종합 성능은 PCMark8의 스토리지 결과를 통해 보여주었으며, PostgreSQL TPC-C ( 데이터베이스 관리 시스템 ), RocksDB ( 키 벨류 스토어 ), Fatcahe Twempert ( 캐시 ), PageRank ( 실시간 분석 성능 ) 을 이용하여 엔터프라이즈의 성능을 비교하였습니다.
▲ PcMark8의 벤치마크 결과.
기존의 SSD ( 좌 ), 상 변화 메모리 ( PRAM )를 이용하여 제작한 비매품 SSD ( 중앙 ), Z-SSD ( 우측 )
※국제 학회인 ISCC 2018에서 삼성의 강연 슬라이로부터
▲엔터프라이즈 응용 프로그램의 성능 벤치마크 결과.
※위와 동일
Optane SSD와 Z-SSD의 기본 성능은 거의 동일
삼성이 개발한 Z-SSD와 경쟁하는 제품은 Intel의 고속 SSD인 Optane입니다.
기업용 Optane SSD의 제품인 DC P4800X는 Z-SSD의 제품인 SZ985과 기본 성능이 매우 유사합니다.
▲Optane SSD와 Z-SSD를 비교 ※ Intel과 삼성의 발표 자료를 토대로 필자가 요약한 것
물론 세세한 차이는 존재합니다. Optane은 읽기와 쓰기 성능의 차이가 거의 없는 반면, 삼성의 Z-SSD는 읽기가 빠르고 쓰기는 다소 느린 편입니다.
다만 Z-SSD의 쓰기 대기 시간이 16μs라는 수치가 다소 기괴합니다. 왜냐하면 ISSCC에서 삼성은 Z-NAND의 내부 쓰기 지연시간이 100μs라고 설명하고 있기 떄문입니다. 100μs 시간이 사실이 아니라면 Z-SSD의 쓰기 지연 16μs는 굉장히 재미있는 수치입니다. 하지만 이러한 모순은 아직까지 불분명한 상태입니다.
어찌되었건 Optane보다 빠른 SSD의 등장은 매우 좋은 일입니다. 소비자용 Z-SSD의 발표를 기대하고 싶습니다.
첫 작품은 베타 테스터가 될 가능성이 높아서...