HDD와 SSD의 작동원리분석과 이에 따른 성능 비교


1. 서론

현재 컴퓨터에 없어서는 안 될 부품 중 하나가 바로 HDD(Hard Disk Drive)이다. 사실 HDD는 주로 하드디스크(Hard Disk)라 불리나 정식 명칭은 HDD(Hard Disk Drive)이며 앞으로 비교할 SSD(Solid State Drive)와의 비교를 위해 앞으로도 HDD로 표기하겠다. HDD는 컴퓨터의 데이터를 저장하는 보조 기억 장치이다. 컴퓨터의 데이터를 저장하는 저장 장치는 크게 주 기억 장치와 보조 기억 장치로 나뉘는데, 주 기억 장치와 주 기억 장치를 대표하는 D-RAM(Dynamic Random Access Memory)은 지금은 자세히 다루지 않기로 하고 보조 기억 장치를 대표하는 HDD 와 SSD를 수학, 과학적 측면에서 비교해보려 한다.

컴퓨터의 보조 기억 장치란 컴퓨터의 데이터를 전원이 들어오지 않는 상황에서도 저장하기 위해 사용되는 장치이다. 주기억장치를 대표하는 D-RAM의 속도는 HDD와는 비교가 되지 않을 정도로 빠르며 보조 기억 장치 중 최고의 속도를 자랑하는 SSD보다도 빠르다. 하지만 D-RAM은 휘발성 반도체로 주기적으로 리플래시라는 동작을 통해 전류를 공급해 줘야만 데이터를 보존할 수 있다는 단점이 있다. 물론 ROM과 같은 비휘발성 주 기억 장치도 있지만 경제적인 면에서 매우 불리하다. 때문에 컴퓨터를 종료하게 되어 더 이상 전류가 공급되지 않으면 저장된 데이터가 모두 손실되게 된다. 이러한 이유로 전원이 없는 상태에서도 데이터를 보존할 수 있는 보조 기억 장치들이 사용되는 것이다.

현재 보조 기억 장치의 대부분은 HDD가 차지하고 있다. 하지만 플래터를 회전시켜 플래터 위에 자기적으로 데이터를 기록하는 기계적인 원리의 HDD는 많은 전력 소모, 발열, 소음 등의 문제가 있고 무엇보다도 전자적 원리로 작동하는 컴퓨터의 다른 부품들에 비해 데이터 처리 속도가 매우 느려 시스템의 전체적인 성능을 저하시키게 된다. 하지만 지금까지는 Flash Memory 등 다른 비휘발성 반도체 저장 장치의 생간 단가가 매우 비싸 HDD를 대신할 수 없었다. 그러나 최근 몇 년 사이 나노 기술이 발전하면서 Flash Memory, 특히 Nand Flash Memory의 가격이 급속도로 하락해 많은 Nand Flash Memory들에 Controller를 조합해 만든 SSD가 등장하게 되었다. 반도체 집약 기술이 나날이 발전해서 제조 단가가 낮아져 SSD의 가격도 계속해서 떨어지고 있고 Controller의 발전으로 전체적인 성능과 안정성도 향상되고 있다. 그 예로 Freezing 문제의 해결을 들 수 있는데 초기 MLC SSD에서 가장 큰 문제가 되었던 Freezing 현상은 순간적으로 데이터 처리량이 많아졌을 때 일어나는 일종의 병목 현상으로 시스템 자체가 일시적으로 정지하는 SSD의 대표적 문제였다. 이 추세라면 앞으로 수년 안에 SSD가 보조 기억 장치를 대표하게 될 것이다.

그래서 본 연구에서는 HDD와 SSD의 작동원리에 따른 성능의 차이를 비교, 분석해보려고 한다. 먼저 HDD와 SSD의 기본적인 구동 원리에 따른 읽기, 쓰기 속도를 비교했으며 선속도 차이를 이용한 HDD 플래터의 위치에 따른 데이터 처리 속도 비교, 전력 소비량과 발열량도 비교 하였다.

또한 직접 본인의 컴퓨터의 HDD와 SSD의 성능을 비교해 보았다. 실험에 사용된 HDD는 삼선전자의 1TB Spinpoint F3 HD103SJ로 가장 최신 세대의 모델이고 SSD는 S470 Series 64GB MZ-5PA064로 역시 가장 최신 세대의 모델이다.

1TB, 즉 1024GB와 64GB라는 큰 용량의 차이가 있는 제품들을 비교한다는 것에 의문이 있을 수도 있다. HDD의 경우 일반적으로 2개 내외의 플래터에 데이터를 기록하는데 HDD의 용량이 커질수록 플래터에서의 기록 밀도가 높아져 어느 정도의 성능 향상이 존재한다. SSD의 경우 데이터를 여러 개의 Nand Flash Memory로 분산시켜 처리하므로 어느 정도까지는 용량이 클수록 Nand Flash Memory의 수도 많아지고 따라서 성능도 높게 된다. 따라서 본 연구의 벤치마크 결과 값의 절대적인 수치에는 큰 의미를 두지 않아도 되며 HDD와 SSD의 성능 차이를 보이는 방법으로만 사용할 것이다. 참고로 SSD의 경우는 Controller의 특성 상 데이터 저장 비율이 높은 경우에서는 약간의 성능 저하가 발생하기 때문에 데이터 저장 비율은 약 50% 의 상태에서 진행했다.

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  1. 애기잔다 2012.10.03 20:32 신고

    좋은글 읽고 갑니다.
    중학생이라고 하시니 진짜 할말이 없고 존경합니다.
    앞으로 우리나라의 멋훈날이 기대됩니다.^^""
    앞으로 더욱 멋진 사람되길 바랄께요~~
    화이팅!!

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