몇 달 전 태국에 홍수가 나 많은 HDD 부품 및 조립 생산 공장이 침수됐습니다. 특히 HDD의 주요 부품을 생산하는 공장의 피해가 커 HDD 생산이 일시적으로 중지되었죠. 그에 따라 HDD 가격이 몇 배나 폭등했죠. 아직까지 가격은 진정되지 않았고 홍수 이전 가격으로 안정화되기까지는 몇 달이 더 걸릴 것으로 예상되고 있습니다.
하지만 HDD 가격 폭등에 SSD 판매량은 오히려 훌쩍 늘었습니다. 이전까지는 SSD 60GB 내외 제품이 HDD 2TB 제품의 2배 가까운 비슷한 가격대를 형성하고 있어 가격면에서 크게 불리했었지만 최근에는 2TB 제품과 거의 비슷해졌습니다.

이런 상황에서 컴퓨터 업그레이드 비용을 SSD에 투자하시려는 분들이 많이 계실 것 같아 SSD 업그레이드의 필요성에 대한 글을 쓰려고 합니다.

SSD 구입 및 업그레이드의 필요성

먼저 여기서 제가 말하고자 하는 업그레이드의 의미는 이전에 사용하고 있던 SSD를 상위 제품으로 바꾼다는 것이 아니라 HDD를 사용하고 있었던 상태에서 SSD를 처음으로 구매하는 경우를 말합니다. 물론 SSD를 상위 제품으로 업그레이드했을 때의 효과도 크지만 HDD에서 SSD로 업그레이드 했을 때 만큼은 아니지요.

SSD 업그레이드는 여러가지 이유로 설명할 수 있습니다. 실제 체감 성능 향상이 크고 투자 비용 대비 성능 향상도 크죠. 하지만 저는 SSD 업그레이드의 필요성을 조금 기술적인 면에서 설명해보자 합니다.

참고로 이 글과 직접적인 관계는 없지만 HDD와 SSD를 자세히 비교한 제 연구는 아래에서 보실 수 있습니다.
[Researches/HDD and SSD] - 1. 서론
[Researches/HDD and SSD] - 2. HDD와 SSD의 읽기, 쓰기 원리와 속도 비교
[Researches/HDD and SSD] - 3. HDD와 SSD의 섹터별 속도 차이 비교
[Researches/HDD and SSD] - 4. HDD와 SSD의 전력 소비량/발열량 비교
[Researches/HDD and SSD] - 5. HDD와 SSD의 실제 상황에서의 성능 비교
[Researches/HDD and SSD] - 6. 결론

기술적인 면에서의 필요성

컴퓨터의 대부분의 연산은 CPU에서 이루어집니다. 또한 모든 작업을 위해서는 연산이 필요하죠. 그런데 연산을 해 어떠한 값을 출력하기 위해서는 반드시 입력값이 필요하고 이 입력값을 불러오는 과정이 있어야 합니다. 일반적인 경우에 실제 시스템 성능을 결정짓는 부분은 실제 연산 속도의 한계가 아닌 입력값을 불러오는 속도입니다.

CPU는 직접적으로 레지스터라는 작은 저장소에서 입력값을 불러옵니다. 레지스터는 속도가 매우 빨라 CPU의 연산이 이루어지는데로 새로운 입력값을 주기에는 유리하지만 크기가 매우 작아 처리할 모든 입력값을 저장할 수 없습니다. 따라서 연산 바로 전 단계의 입력값만 저장하죠. 그리고 레지스터는 새로운 입력값을 L1 캐쉬로부터 불러옵니다. 그리고 L1 캐쉬는 L2 캐쉬, L2 캐쉬는 L3 캐쉬에서 입력값을 불러오죠. 여기까지의 과정이 CPU 내부에서 일어납니다. 그리고 L3 캐쉬는 RAM에서 연산값을 불러오고 RAM은 보조 기억 장치, 대게는 HDD에서 입력값을 불러옵니다. 참고로 하위 단계의 저장소로 갈수록 속도는 느려지지만 생산 단가가 싸기 때문에 대용량화가 가능하죠.

다시 한번 정리하자면 입력값을 HDD 등 보조 기억 장치-RAM-L3 캐쉬-L2 캐쉬-L1 캐쉬-레지스터 순으로 전달됩니다. 시스템 속도가 빠르려면, 즉 연산이 빨리 이루어지려면 위 과정이 효율적으로 이루어져야 하죠. 그러기 위해서는 각 단계의 저장소의 성능 차이가 작아야 하죠. 다른 저장소의 연산 속도가 매우 빠르더라도 하나의 저장소의 성능만 떨어진다면 그것이 전체적인 데이터 처리 속도를 결정짓죠.

일반적인 컴퓨터의 경우 RAM에서 레지스터까지의 연산 속도는 비교적 큰 차이가 없습니다. 전자적인 원리로 작동하기 때문이지요. 하지만 기계젹인 원리로 작동하는 HDD의 연산 속도의 매우 느리기 때문에 상위 저장소가 최고의 성능을 발휘하지 못하는 일도 생깁니다. 이 부분은 제가 위에서 소개했던 연구의 2번째 파트에서 더 자세히 다루었습니다.
즉 다른 저장소들보다 극단적으로 데이터 처리 속도가 느린 HDD의 업그레이드가 시스템의 전체적인 성능을 올리는 가장 효과적인 방법이라는 것입니다.


마지막으로 제 시스템에서 실제로 진행한 벤치마크 값을 보겠습니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile23.uf@1310DB484EFC1551329E14.png%7Cwidth=%22539%22%20height=%22485%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%201.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

지연 시간은 무시하고 간단하게 보았을 때 L1 캐쉬 : L2 캐쉬 : L3 캐쉬 : RAM의 성능 차이는  7.5 :2.5 : 1 : 1 정도입니다. 단 단계에서 극단적인 차이를 보이지는 않죠.
 

하지만 RAM과 HDD의 성능 차이는 대략 50배가 넘습니다. 바로 이 부분이 시스템 성능을 저하시킵니다.

많은 분들이 SSD 업그레이드의 필요성을 너무 실제 느끼는 부분에서만 말하시는 것 같아 조금이나마 기술적인 관점에서 설명한 글을 써 보았습니다. 
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  1. 행인 2012.01.04 10:00 신고

    잘봤습니다.
    기술적인 측면으로의 접근으로 ssd의 필요성을 설명해주셨군요.
    이런거 볼때마다 진짜 중학생 신분이신가 하는 의심이...ㅎㅎ

    암튼 저는 ssd 초창기 시절부터 사용했으니... 몇년 되었군요.
    그때와 지금을 비교하면 성능도 좋아졌고, 가격도 많이 저렴해졌지만 그래도 아직 가성비 측면에선 ssd는 가야할길이 먼 것 같습니다. 근데 이번 태국 홍수로 인해 상황이 많이 바뀌긴 했지만요ㅋ

    • 초록 날개 2012.01.05 17:39 신고

      ㅎ 감사합니다~
      아직 일반 사용자가 SSD 구입을 거의 고려하지 않고 있지만 정말 실제 사용시의 성능을 따져보면 CPU나 메인보드. 그래픽을 깎아서라도 SSD를 하나라도 사서 OS용으로 가는 것이 합리적인데 많은 사람들이 이걸 몰라서 안타깝네요..ㅎ

이 글에서는 삼성 SSD Magician으로 SSD의 성능을 관리하는 방법을 설명해 보겠습니다.

삼성 SSD

뛰어난 낸드 플래시 기술과 생산 능력을 갖고 있는 삼성은 의외로 최근 몇 년 사이 급격히 성장한 개인용 SSD 시장에 진출하지 않았습니다. 처음에는 시장 규모가 그리 크지 않았기 때문에 기업용 제품만 생산하고 있었죠.

그런데 2010년 말 삼성에서는 읽기, 쓰기 속도의 합이 초당 470MB라는 S470 시리즈를 출시했습니다. 비교적 낮은 가격에 출시되었으면서도 매우 뛰어난 성능을 보여주는 S470 시리즈는 바로 그때까지 개인용 SSD 시장을 점령하고 있었던 인텔, OZC의 제품들과 치열한 경쟁을 시작했습니다. 성과는 꽤 뛰어났죠. 그리고 몇 달 전에는 SATA3 인터페이스의 870 시리즈를 출시하고 역시 뛰어난 성과를 거두고 있습니다.

삼성 SSD Magician

삼성 SSD의 사용자들이 급격히 증가함에 따라 당연히 SSD 관리 프로그램의 지원도 필요했습니다. 아직까지는 SSD는 HDD에 비해 관리가 더 필요한 제품이기 때문이죠. 그리고 삼성에서는 S470 시리즈와 함께 삼성 SSD Magician을 공개했고 최근 870 시리즈와 함께 여러가지 기능이 추가된 SSD Magician 3.0 버젼을 공개했습니다. 이 글에서는 삼성 SSD Magician 3.0을 이용해 SSD를 관리하는 방법을 설명해 보겠습니다.

먼저 아래에서 SSD Magician을 다운로드 해 설치합니다.
http://org.downloadcenter.samsung.com/downloadfile/ContentsFile.aspx?CDSite=UNI_SEC&CttFileID=4590636&CDCttType=SW&ModelType=N&ModelName=MZ-7PC064D/KR&VPath=SW/201110/20111019141716127/Samsung_Magician_Ver.3.0.exe

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile25.uf@196064404ED6AD0F2B3683.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%201.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

 SSD Magician의 홈 화면입니다. 총 9개 기능으로 연결됩니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile9.uf@206064404ED6AD0F2C9D33.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%202.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

먼저 System Information 기능입니다. 간단한 시스템 정보와 드라이브 정보를 보여주는데 드라이브 요약에서 SSD 매지션 기능의 지원 여부를 확인할 수 있습니다. 당연히 삼성 SSD만 지원하겠죠.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile22.uf@206064404ED6AD102D0535.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%203.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

Performance Benchmark 기능으로는 간단한 읽기, 쓰기 속도를 측정할 수 있고 이전 기록과 비교도 가능합니다. 시험 범위와 I/O 사이즈 설정이 가능합니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile4.uf@116064404ED6AD102EB15B.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%204.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

SSD Magician의 핵심 기능이라고 할 수 있는 Performance Optimization 기능입니다. SSD를 사용하다 보면 데이터의 주소만 삭제되고 정보는 남아 있는 더티 셀과 같은 성능 저하 요소들이 생기게 되는데 이런 부분들을 최적화해 성능을 다시 복구합니다.
단 너무 잦은 최적화는 오히려 SSD에 무리가 될 수 있고 최적화 후 자동으로 벤치마크로 연결됩니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile24.uf@136064404ED6AD11311CDE.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0,%20%EC%BB%A8%ED%8A%B8%EB%A1%A4%201.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

3.0 버젼에 추가된 가장 인상적인 기능인 OS Optimization 기능입니다. 슈퍼 패치, 조각 모음, 인덱싱 기능 등 SSD에 불필요하고 SSD의 성능을 저하시킬 수 있는 운영체제 요소들을 최적화해 줍니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile23.uf@156064404ED6AD1232A136.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0,%20%EC%BB%A8%ED%8A%B8%EB%A1%A4%202.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

F/W Upade 기능으로는 최신 펌웨어를 확인하고 업데이트 할 수 있습니다. 단 성능 개선이 없는 펌웨어 업데이트는 굳이 하실 필요가 없는데요 삼성 SSD는 매우 안정적인 편이여서 대부분의 경우에 펌웨어 업데이트는 불필요하다고 생각하시면 됩니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile5.uf@126064404ED6AD102F9B65.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%206.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]

Secure Erase는 SSD 완전 초기화 기능입니다. 초기 SSD의 경우에는 주기적으로 초기화를 해 줘야 성능이 복구가 되었는데 삼성 SSD의 경우에는 Performance Optimization 기능과 빠른 포맷으로 이를 대신할 수 있고 보안상의 문제가 아니라면 굳이 Secure Erase를 진행하실 필요가 없습니다.

Over Provisioning 기능은 SSD의 일정 용량을 사용하지 못하도록 설정해 그 부분의 셀을 돌려써 SSD의 수명을 연장시키고 성능 저하를 맊는 기능인데 너무 험하게 쓰시지 않는 이상 굳이 사용하시지 않으셔도 됩니다.

[##_http://grwings.com/script/powerEditor/pages/1C%7Ccfile10.uf@126064404ED6AD1130C142.png%7Cwidth=%22620%22%20height=%22405%22%20alt=%22%22%20filename=%22%EC%9C%88%EB%8F%84%EC%9A%B0%207.png%22%20filemime=%22image/jpeg%22%7C_##]Disk Clone은 870 시리즈부터 패키지로 제공되는 노턴 고스트와 연동되는 기능입니다.

Site Link는 몇몇 링크들을 연결해 줍니다.

지금까지 삼성 SSD Magician을 간단히 소개해 보았습니다.
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  1. 행인 2011.12.05 10:08 신고

    포스팅 수고하셨습니다.

    아쉬운건 secure erase가 먹히질 않더군요. 대부분의 메인보드는 락이 걸려있는데 Frozen... 뜨면서 secure erase가 진행되지 않는 사태가 발생합니다.

    아마 락이 걸려 있을 경우 사타커넥터와 전원커넥터 탈부착 신공으로 락의 임시해제가 가능하긴 할겁니다만,
    그냥 그 방법으로 hdderase 를 쓰는게 속편할듯 싶습니다.

    저는 샌디브릿지 보드를 사용중인데 위와같은 커넥터 탈부착 신공으로 hdderase를 돌리는데 성공했습니다.
    초록날개님은 AMD시스템을 사용하고 계시는데 어떤식으로 secure erase를 진행하시는지 궁금하군요.

    • 초록 날개 2011.12.05 15:35 신고

      근데 전원 커넥터로 껏다 키는 것은 필수 조건 아닌가요? 인텔 툴박스에서도 같은 현상이 있었습니다... 제 AMD 시스템에서도 찰부착 신공은 먹힙니다~ㅎ

  2. 행인 2011.12.07 14:57 신고

    최신 메인보드들은 락이 걸려 있어서 탈부탁 신공은 필수더라구요 ㅎㅎ
    AMD 보드도 같은 방법으로 하는게 맞군요.
    오래된 샘프론 시스템을 가지고 있는데 이런 구형 보드에선 탈부착 신공없이 바로 hdderase가 먹히더군요.

    • 초록 날개 2011.12.07 22:28 신고

      네, 근데 그게 은근히 귀찮더라고요...

      바이오스 설정으로 조정할 수 있으면 하는 부분이 2개가 있는데, 하나가 탈부착 신공을 대신할 기능이고 다른 하나는 RAID 구성 시 매번 장치 검색을 안하는 설정이에요~

2.2. 기타 장치에 의한 발열


2.2.1. HDD와 SSD의 발열량 비교

먼저 HDD와 SSD에 대해서는 이전 연구에서 자세히 다루었으므로 여기서는 이전 연구의 일부분을 조금 편집해 인용하려고 한다. 전체 연구는 아래 링크에서 확인할 수 있다.

http://www.kbench.com/hardware/?no=99265&sc=3


HDD는 컴퓨터의 다른 부품과 달리 기계적인 원리로 작동한다. HDD의 경우 플래터를 회전시키고 데이터를 처리할 섹터 위로 헤드를 이동시켜 전자기 유도의 원리에 의해 데이터를 기록하기 때문에 기본적으로 소비 전력이 크고 발열량도 크다. 반면에 최근 보조 기억 장치 시장에서 비중이 커져가는 SSD의 경우 완전히 전자적인 원리로 작동해 HDD에 비해 발열량이 작다.


HDD와 SSD의 전력 소비량 그리고 그에 따른 발열량을 비교해보기 전에 전력과 발열에 대해 알아보자.


위 식은 전력을 나타내는 식이다. 전력이란 전류가 단위 시간 동안에 하는 일 또는 단위시간 동안에 공급된 전기 에너지를 의미한다. 즉 전력량을 단위 시간으로 나누면 전력을 구할 수 있다.


위 식은 발열량을 나타낸다. 위 2개식으로부터 발열량과 전력이 비례 관계에 있음을 알 수 있다. 그러므로 일반적인 경우에서 제품의 소비 전력으로부터 발열량을 유추할 수 있다.


이것을 이용해 직접 HDD와 SSD의 발열량을 비교하는 실험을 진행해 보았다. 공정성을 위해 같은 용량과 같은 디스크 크기의 HDD와 SSD의 발열량을 비교했다. 삼성전자의 2.5 inch 250GB HDD(HM250HI/DOM 250GB)의 활성 상태에서의 소비전력은 2.5W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.85W이다. 삼성전자의 2.5 inch 256GB SSD(MZ-5PA256/KR SSD 256GB)의 활성 상태의 소비 전력은 0.24W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.14W이다. HDD가 SSD보다 전력 소비량이 5배~10배나 많다. 위수치는 삼성전자의 제품 사양 항목에 있는 내용이다. HDD의 경우 최근 1TB 이상의 제품이 대부분이며 SSD는 비교적 작은 용량으로 운영제체를 구동하는 용도로 쓰이는 것 일반적이므로 실제로 차이는 더 크게 난다.



컴퓨터 내부에서는 CPU와 그래픽 카드 등 HDD와 SSD 보다 발열량이 많은 부품들이 많으므로 이런 외부 열원들로 인한 변수를 없애기 위해 컴퓨터 케이스 외부에서 실험은 진행했다. 또한 보다 정확한 실험을 위해 위 사진처럼 HDD와 SSD를 스티로폼 박스 안에 넣은 후에 뚜껑을 덮은 상태에서 실험을 진행했다.


실험은 Hard Disk Sentinel이라는 프로그램을 이용해 HDD와 SSD에 Random Seek Test를 진행해 부하를 주며 온도 상승 정도를 측정하는 방식으로 진행했다.



위 스크린 샷은 각각 HDD와 SSD의 온도 변화 그래프이다. 초기 온도는 32로 같고 실험이 종료될 때 HDD는 38로 6가 올랐고 SSD는 2도 밖에 오르지 않았다. 역시 HDD의 기본적인 전력 소비량이 많고 모터로 플래터를 회전시키는 등 발열 요소가 많기 때문에 위와 같은 결과가 나온 것 같다.


여기서 한 가지 더 고려해야 할 부분은 실험에 사용된 HDD는 625g이고 SSD는 68g 으로 거의 10배의 가까운 질량차가 있다는 점이다. 때문에 실제 발생한 열량은 더 큰 차이가 있게 된다.



위 식은 발열량을 나타내는 식이다. C는 비열, m은 질량, ΔT는 온도 변화 정도를 나타낸다. 계산을 위해 HDD와 SSD의 온도는 모든 부분이 균일하게 상승했고, 모든 부분은 알루미늄으로 이루어져 있다고 가정하였다. 알루미늄의 비열은 0.22cal/g이다.



위 두 식으로부터 HDD에서는 약 825cal의 열이, SSD에서는 약 29.92cal의 열이 발생했음을 알 수 있다.


지금까지 살펴본 것처럼 HDD는 기계적 원리로 작동하기 때문에 발열이 많으며 SSD는 전기적 원리로 작동해 발열이 적은 점이 HDD가 SSD로 대체되고 있는 이유 중 하나라고 할 수 있다.


2.2.2. 파워 서플라이의 발열

파워 서플라이의 발열은 CPU와 그래픽카드 등 다른 부품에 비해 무시 받는 경향이 있다. 하지만 파워 서플라이의 발열은 생각보다 크며 파워 서플라이에 문제가 생길 경우 시스템 전체가 손상될 수 있다. 이는 개인용 컴퓨터의 첫 팬이 파워 서플라이에 장착된 이유이기도 하다.


파워 서플라이 발열의 원인은 다른 부품들에 비해 비교적 단순하다. 파워 서플라이에 흐르는 전류의 양 자체가 꽤 많기 때문에 자연히 발열도 큰 것이다. 또한 파워 서플라이에 입력되는 220V의 전류를 12V, 5V, 3.3V 등으로 변압하는 과정에서도 많은 열이 발생한다. 그리고 일반적으로 발전소로부터 공급되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 과정 역시 발열의 원인이다.


다른 부품들의 소비 전력을 획기적으로 줄이지 않는 이상 파워 서플라이의 발열 문제 해결은 힘들다고 볼 수 있다. 때문에 파워 서플라이에는 독립적 냉각 팬이 부착되어 있으며 변압기에는 방열판이 기본적으로 장착되는 등 여러 냉각 방법이 사용되고 있다.

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6.결론

본 연구를 통해 대부분의 성능 면에서 HDD 보다는 SSD가 우수함이 증명 되었다. HDD는 플래터의 회전 속도에 한계가 있고 작업이 진행될 섹터로 헤드가 이동해야 하기 때문에 접근 시간이 생기는 등 기계적인 작동원리에 따른 문제점으로 데이터 저장 속력에 한계가 있다. 하지만 SSD는 일반적인 Flash Memory와 같이 전자적 방법에 의해 데이터를 저장하기 때문에 접근 시간이 거의 없다. 또한 SSD에 있는 많은 Flash Memory들을 Controller의 대중 채널 분산 기술로 성능을 극대화 시키므로 HDD보다 SSD의 기본적인 읽기, 쓰기 속도가 빠르다. 그리고 이러한 결과는 직접 진행한 벤치마크 결과로 확인 되었다. 또한 HDD가 원형에 플래터의 자료를 기록하기 때문에 발생하는 바깥쪽과 안쪽 섹터의 성능 차이도 살펴보았다. 일반적인 3.5ich HDD에서 가장 바깥쪽과 안쪽 섹터의 실제 선속도는 3배 이상 차이가 났으며 실제 벤치마크에서도 읽기, 쓰기 속도가 2배 가까이 차이가 났다. 이에 비해 SSD는 섹터별 속도 차이가 없었다. 전력 소비량과 발열량 면에서도 HDD보다 SSD가 뛰어났다. 기본 전력 소비량부터 HDD가 SSD보가 크게 많았다. 또한, 같은 스트레스를 주었을 때의 온도 상승 정도도 HDD가 컸고 전체 발열량도 HDD가 SSD보다 30배 가까이 많았다.

본 연구의 가장 큰 의미는 이전에 단순한 벤치마크 결과만 나열했던 방식과 달리 작동원리를 먼저 과학적 측면에서 비교 분석해보고, 실제 벤치마크를 통해 그 사실들을 증명했다는 것이다. 사실 HDD와 SSD의 읽기, 쓰기 속도, 지연 시간 등의 벤치마크 결과 값을 비교한 글들을 많았지만 그런 차이가 생기는 근본적인 원인에 대해 쓴 글은 없었다. 본 연구를 통해 많은 사람들이 HDD와 SSD의 성능 차이가 큰 근본적인 이유를 이해할 수 있을 것 같다.

따라서 컴퓨터의 성능을 높이기 위해 부품을 업그레이드 할 때는 CPU나 RAM, 그래픽카드 등의 업그레이드보다 SSD를 장착하는 것이 좋다. 현재 CPU나 RAM의 데이터 처리 속도에 비해 HDD의 데이터 처리 속도가 크게 뒤떨어져 CPU나 RAM 등의 부품의 성능을 모두 발휘하지 못하는 경우가 많이 발생하고 있다. 때문에, 특별히 동영상 인코딩이나 대용량 그래픽 파일 편집과 관련된 작업을 하지 않는 일반적인 환경의 컴퓨터 경우 SSD를 추가로 장착했을 때의 체감 성능 향상이 가장 크다.

앞으로의 연구 과제는 여러 개의 저장장치를 Raid로 묶었을 때의 과학적 비교 분석과 실제 성능 차이를 벤치마크 하는 것이다. 또한, Raid0, Raid1, Raid2 의 작동 원리의 차이와 성능 및 안정성 차이가 나는 이유를 분석해 보는 것이다.


Reference

[1] 하팡EquilibriA,

 http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=ljs7206&logNo=150035002696

[2] 종합 기술 연구소, http://cafe.naver.com/totallab/book54727/732

[3] 위키피디아, http://en.wikipedia.org/wiki/NAND_Flash_Memory#NAND_flash

[4] 위키피디아, http://en.wikipedia.org/wiki/NAND_Flash_Memory#NAND_flash

[5] 참고 문헌 : PC 사랑 2009년 10월호

신고
  1. 최영환 2012.01.18 14:58 신고

    하... 정말 대단하십니다. 중학생이라곤 하지만 존대가 절로 나오네요.. 혹시 이 형하고 연락이 된다면 맛있는거 사줄테니깐 연락 바랍니다. 블로그 주소 써놨으니 쪽지 주시면 전번 알려드릴게요^^

  2. 나그네77 2012.03.26 23:44 신고

    물리학 식과 대학교 컴퓨터전공 관련지식 그림까지 동원된 전문리뷰는 처음봤군요. 잘봤습니다.

5. HDD와 SSD의 실제 상황에서의 성능 비교

마지막으로 일상에서 느낄 수 있는 HDD와 SSD의 실제 상황에서의 성능 차이를 비교해보겠다.

먼저 컴퓨터 성능의 가장 기본적인 비교 대상이라고 할 수 있는 부팅 시간을 비교해 보았다. 가상 디스크인 VHD에 윈도우 7 32Bit 버전을 설치한 후 원본 파일을 각각 HDD와 SSD로 복사한 후 CPU 코어 1개와 램 1024MB의 동일한 조건에서 가상머신 프로그램인 Virtual Box로 부팅시간을 측정해 보았다. 바이오스 로드 시간은 제외하고 윈도우 구동 후 바탕화면이 나타날 때까지의 시간을 측정해 보았다.

시험 결과 HDD에서는 56초가 소요됐고 SSD에서는 35초가 걸렸다. 만약 추가적으로 시작프로그램이 실행될 경우 프로그램 자체의 구동 시간에서도 HDD와 SSD가 차이가 날 것이므로 실제 환경에서의 차이는 더 클 것으로 생각된다.

Fig. 5-1 컴퓨터 부팅 시간 측정

이번에는 게임 로딩 시간을 비교해보았다. 많은 사람들이 컴퓨터를 게임을 위해 사용하는 경우가 많기 때문에 비교해 보았다. 참고로 게임을 실행한 후의 구동 환경은 CPU와 그래픽카드의 영향을 많이 받지만 실행할 때의 로딩 시간은 저장장치의 영향을 많이 받는다. 꽤 고사양을 요구하는 3D 게임인 롤러코스터 타이쿤 3의 Go With The Flow 시나리오의 로딩 시간을 측정해 보았다. HDD는 24초, SSD는 10초의 로딩 시간이 걸렸다.

Fig. 5-2 압축해제 속도 비교를 위한 zip 파일

압축 해제 속도 비교도 해 보았다. 약 2GB의 1008 개 사진 파일을 zip 형태로 압축한 후 각각 HDD와 SSD에서 해제해보았다. Fig. 5-3이 HDD, Fig. 5-4이 SSD의 경우이다. HDD에서는 53초, SSD에서는 35초가 소요돼 역시 SSD가 빨랐다.

Fig. 5-3 HDD의 압축해제 속도

Fig. 5-4 SSD의 압축해제 속도

프로그램의 설치 속도도 비교했다. 실험에는 Adobe 사의 Photoshop CS5 시험 버전이 사용됐다. Photoshop 설치의 특이점이라면, 무조건 시스템 파티션에 전체 설치 용량 1.5GB 중 반 정도인 700MB가 설치된다는 점이다. 즉 내 시스템 파티션은 SSD에 위치하기 때문에 결국 HDD에는 반 정도의 요소만 설치되는 것이다. 실험 결과 HDD에서는 1분 47초, SSD 에서는 1분 24초가 소요됐다. 비교적 HDD와 SSD의 속도 차이가 작다. 앞에서 말했던 이유 때문일 것이다.

마지막으로 업무 상황에서의 HDD와 SSD의 성능을 비교하기 위해 앞에서 설치했던 Photoshop의 로딩 속도를 비교해 보았다. Photoshop이 업무에서 가장 흔히 사용되는 조금은 무거운 프로그램이기 때문에 Photoshop을 실험 대상으로 선택했다. 실험 결과 HDD에서는 약 4초가, SSD에서는 약 2초가 소요되었다.

무거운 업무 프로그램에서의 성능 비교도 하기 위해 실제로 3D 파일 뷰어 프로그램인 Naviswork로 대용량 3D 파일을 불러오는 작업도 해 보았다. 프로그램을 시작하고 나서 3D 파일의 모든 내용을 불어오는 데 걸리는 시간을 측정했다. 윈도우 리소스 모니터에서 Naviswork 프로세스의 디스크 작업이 없어질 때를 로딩이 완료된 지점으로 두었다. 실험 결과 HDD에서는 1분 44초, SSD에서는 1분 22초가 소요됐다.

지금까지 비교한 6개 항목에 대한 값을 표와 그래프로 정리해 보았다.

Table 1 HDD와 SSD의 실제 상황에 대한 성능 비교 (단위 : 초)

항목

부품

윈도우 7 부팅

3D 게임 로딩

이미지 파일 압축 해제

HDD

56

24

53

SSD

35

10

35

항목

부품

프로그램 설치

그래픽 프로그램 실행

3D 그래픽 파일 로딩

HDD

107

4

104

SSD

84

2

82

Fig. 5-5 HDD와 SSD의 실제 상황에 대한 성능 비교 (단위 : 초)

실제 상황에서도 HDD와 SSD의 성능 차이는 꽤 났지만 수치적인 차이만큼은 아니었다. 가장 큰 이유는 프로그램들이 CPU, 그래픽카드, RAM 등 다른 컴퓨터 부품들의 영향도 받는다는 이유이지만 소프트웨어적으로 SSD의 성능을 모두 활용하지 못한다는 이유도 크다. 아직 시스템 드라이버 등의 측면에서의 최적화가 완벽하지 않기 때문이다. SSD가 보급화 된다면 SSD의 성능을 더욱 더 최적화된 상태로 사용할 수 있을 것이다.

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4. HDD와 SSD의 전력 소비량/발열량 비교

HDD의 또 다른 단점은 기계적으로 플래터를 회전시키는 방식으로 구동되기 때문에 전기적 신호로 구동되는 SSD보다 전력 소모가 훨씬 많다는 점이다. 전력 소모가 많아지면 당연히 발열도 많아지게 된다. 이런 문제 때문에 휴대성이 중요한 넷북이나 노트북에는 SSD가 사용되는 경우가 많다.

HDD와 SSD의 전력 소비량 그리고 그에 따른 발열량을 비교해보기 전에 전력과 발열의 대해 알아보자. 전력이란 전류가 단위 시간 동안에 하는 일 또는 단위시간 동안에 공급된 전기 에너지를 의미한다. 보통 P로 나타내며 단위는 W이고 1W=1J/s이다. 전력은 전류의 일률 개념이므로, 전력을 구하기 위해서는 먼저 전류의 일 개념인 전력량을 구할 수 있어야 한다. 전력량은 어느 시간 동안에 소비된 전기 에너지이므로 전기 에너지와 같은 개념으로 생각할 수 있다.

전위차가 V인 두 지점 사이에서 전하량 만큼이 이동할 때 전력량 W=qV가 되고 시간 초 동안 전류 I가 흐를 때의 전하량은 q=It이므로 W=qV=IVt로 표현할 수 있다. 여기에 옴의 법칙을 대입하면 전력량은 다음과 같이 표현된다.

                   (4)

그런데, 앞에서도 말했듯이 전력인 전류의 일률 개념이고 전력량은 전류의 일 개념이므로 일률 P=dW/dt와 equation(4)를 이용하여 다음과 같이 표현할 수도 있다.

                       (5)

또한 발열량 Q=VIt이므로 발열량이 전력 소비량과 비례함을 알 수 있다. 중요한 점은 컴퓨터 내부에서는 본체의 온도를 일정하게 유지해 주여야 하므로 내부 부품의 온도가 높아질 경우 그 온도를 낮추기 위해 냉각 팬을 가동하므로 결국 기기 자체의 전력 소비와는 별개의 전력 소비가 이루어진다는 점이다. 실제로 컴퓨터의 전체 전력 소비량의 상당 부분이 냉각을 위해 사용된다.

공정성을 위해 같은 용량과 같은 디스크 크기의 HDD와 SSD의 전력 소모를 비교해보자. 삼성전자의 2.5inch 250GB HDD(HM250HI/DOM 250GB) 의 활성 상태에서의 소비전력은 2.5W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.85W이다. 삼성전자의 2.5inch 256GB SSD(MZ-5PA256/KR SSD 256GB) 의 활성 상태의 소비 전력은 0.24W, 유휴 상태에서의 소비 전력은 0.14W이다. HDD가 SSD보다 전체적인 전력 소비량이 몇 배 이상 많다. 위수치는 삼성전자의 제품 사양 항목에 있는 내용이다. HDD의 경우 최근 1TB 이상의 제품이 대부분이며 SSD는 비교적 작은 용량으로 운영제체를 구동하는 용도로 쓰이는 것 일반적이므로 실제로 차이는 더 크게 난다.

Fig. 4-1 HDD의 발열량 측정을 위한 실험장치

Fig. 4-2 SSD의 발열량 측정을 위한 실험장치

발열량 측정은 단순히 컴퓨터상에서의 벤치마크가 아니라 실제로 실험을 해 보았다. 컴퓨터 내부에서는 CPU와 그래픽카드 등 HDD와 SSD보다 발열량이 많은 부품들이 많으므로 이런 외부 열원들로 인한 변수를 없애기 위해 컴퓨터 케이스 외부에서 실험은 진행했다. 또한 보다 정확한 실험을 위해 Fig. 4-1과 Fig. 4-2처럼 HDD와 SSD를 스티로폼 박스 안에 넣은 후 뚜껑을 덮었다. 그리고 Hard Disk Sentinel이라는 프로그램을 이용해 HDD와 SSD에 Random Seek Test를 진행해 스트레스를 주었다. 실험은 20분 동안 진행되었으며 같은 정도의 스트레스를 주었다.

Fig. 4-3 발열량 실험에서 HDD의 온도변화

Fig. 4-4 발열량 실험에서 SSD의 온도변화

Fig. 4-3, Fig. 4-4 는 각각 HDD와 SSD의 온도 변화 그래프이다. Hard Disk Sentinel은 Random Seek Test를 진행하면서 스트레스를 주고 있는 저장장치의 온도 변화를 측정할 수 있다. 초기 온도는 32℃로 같고 실험이 종료될 때 HDD는 38℃로 6℃가 올랐고 SSD는 2℃ 밖에 오르지 않았다. 역시 HDD의 기본적인 전력 소비량이 많고 모터로 플래터를 회전시키는 등 발열 요소가 많기 때문에 위와 같은 결과가 나온 것 같다.

여기서 한 가지 더 고려해야 할 부분은 바로 실험에 사용된 HDD는 625g이고 SSD는 68g 으로 거의 10배의 가까운 질량차가 있었다는 것이다. 때문에 실제 발생한 열량은 더 큰 차이가 있게 된다.

계산을 위해 HDD와 SSD의 온도는 모든 부분이 균일하게 상승했고 모든 부분은 비열이 0.22cal/g℃인 알루미늄으로 이루어져 있다고 가정하였다. 그리고 각각의 값들을 발열량 식 Q=Cm△T에 대입해서 각각의 발열량을 계산해 보았다.

      

      

즉 HDD에서는 825cal의 열이, SSD에서는 29.92cal의 열이 발생했음을 알 수 있다. 그리므로 실제 HDD에서는 SSD의 약 30배가 가까운 열량이 발생한 것이다. 앞 전력 소모량 수치의 차이보다 더 크다. 이는 같은 전력이 공급되었을 때도 HDD의 발열량이 SSD의 발열량보다 크다는 것을 위미한다. 이처럼 HDD는 SSD보다 발열면에서 크게 불리하다.

위 실험처럼 HDD는 SSD보다 전력 소비가 훨씬 많고 그에 따라 발열량도 커진다. 이는 휴대성을 강조하는 요즈음 트렌트에 큰 지장이 되기 때문에 앞에서도 말했듯이 휴대용 컴퓨터에는 SSD가 보다 많이 사용되고 있다.

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  1. KYJ 2015.05.12 14:59 신고

    글은 너무 좋은데 브라운 성형외과 광고가 떡하니 중간에 자리잡아서 절대 없어지지않네요 누르면 닫힌다고 해서 누르면 즈그 홈페이지로 연결되고 ㅡㅡ 아진짜 완전 좋은글 몇십분만에 겨우찾았는데 진짜 .. 너무 너무열받음ㅋㅋㅋㅋ 발열량 찾다가 내가 발열하는 상황.. 무튼 좋은글 잘읽고 갑니다.!

3. HDD와 SSD의 섹터별 속도 차이 비교

HDD의 또 다른 단점은 원판 모양의 플래터 위에 데이터를 기록하고 플래터가 회전하면서 데이터를 읽고 쓰는 원리이기 때문에 섹터의 위치에 따라 선속도가 달라지고 이것이 실제 성능 차이로 이어진다는 것이다.

각속도란 원주 위를 운동하는 물체가 단위 시간당 회전한 각도의 크기를 의미하며 다음과 같이 표현된다.

                                     (1)

또한 평균 각속도의 크기는 물체가 , 즉 2πrad을 회전하는 데 주기 만큼의 시간이 걸리므로 다음과 같이 표현할 수 있다.

                                     (2)

선속도는 원주 위를 운동하는 물체의 단위시간당 원주방향 이동거리를 의미하며 평균 선속도는 회전 주기 당 원의 둘레길이이므로 다음과 같이 표현된다.

                       (3)

Fig. 3-1 선속도와 각속도의 관계

일반적으로 사용 많이 사용되는 HDD의 플래터의 반지름은 3.5inch, 즉 8.89cm이다. 여기에 플래터를 돌려주는 스핀들의 반지름이 보통 1inch, 2.54cm임을 고려해야 한다. 즉, 플래터의 가장 바깥쪽 섹터는 플래터의 중심으로부터 8.89cm 떨어져 있고 가장 안쪽 섹터는 플래터의 중심으로부터 2.54cm 떨어져 있다. 그리고 대부분의 3.5inch HDD의 회전 속도는 7200rpm으로 회전 주기는 1/120sec 이다. 따라서 가장 바깥쪽 섹터의 선속도는 equation(3)으로부터

으로 약 6.7m/s 이다. 또한 가장 안쪽 섹터의 선속도는 같은 식으로부터

으로 약 1.9m/s 이다. 실제 선속도는 3배 이상 차이가 나게 된다. 물론 Controller를 포함한 부가적인 기술의 발전으로 실제 성능은 3배까지 차이가 나지는 않지만 분명히 큰 차이가 존재한다. 실제로 읽기, 쓰기 속도의 벤치마크 결과 값에서도 시작 부분과 끝 부분의 성능이 3배 가까이 차이가 난다. 이는 보통 플래터의 가장 바깥쪽의 있는 C 드라이브의 속도와 플래터의 안쪽에 위치하는 D, F 드라이브의 성능 차이가 3배 가까이 난다는 것이다.

이런 섹터의 위치에 따른 성능 불균형은 전체적인 시스템 성능의 저하를 유발한다. HDD 의 기록되는 파일들은 보통 여러 개의 섹터에 나누어져 저장된다. 한 개의 파일이 여러 개의 섹터에 나누어져 저장되면 각 섹터들로 헤드가 이동하는 데 Access Time이 생길 뿐 아니라 읽기 속도의 불균형으로 전반적인 속도가 떨어지게 된다.

그에 비해 SSD의 경우는 데이터의 읽기, 쓰기 모든 과정이 전기적으로 이루어지고 같은 성능의 Nand Flash Memory의 데이터를 같은 우선순위로 Controller에서 처리하므로 섹터별 성능 차가 거의 없게 된다.

Fig. 3-2 HDD의 64KB 파일의 읽기 속도 측정결과

Fig. 3-3 SSD의 64KB 파일의 읽기 속도 측정결과

위 2개의 그래프는 HDD와 SSD의 64KB 파일에 대한 실제 읽기 속도를 벤치마크 프로그램을 이용하여 측정한 결과이다. Fig. 3-2는 HDD 그래프로 실제로 속도가 갈수록 감소하고 있고 Fig. 3-3은 SSD 그래프로 비교적 균일하다. 벤치마크의 사용된 HDD는 최신 Controller 기술이 사용되어 비교적 성능의 낙폭이 적은 것을 참고하면 좋을 것이다.

Fig. 3-4 사용 중인 1TB HDD 의 쓰기속도 (D 드라이브: 가장 바깥쪽 파티션)

Fig. 3-5 사용 중인 1TB HDD 의 쓰기속도 G 드라이브: 가장 안쪽 파티션)

이번에는 쓰기 성능 비교를 해 보자. 나는 1TB의 HDD를 총 4개의 파티션으로 나누어 관리하고 있다. 가장 바깥쪽에 위치한 파티션은 D 드라이브이고 가장 안쪽에 위치한 파티션은 G 드라이브이다. 같은 저장장치 내에서 읽기, 쓰기 작업을 동시에 진행하면 오차가 생기므로 기계적으로 다른 저장장치인 SSD에서 파일을 복사하는 속도를 비교해 보았다. Fig. 3-4이 D 드라이브, Fig. 3-5가 G 드라이브이다. 즉 HDD의 가장 바깥 부분과 가장 안쪽 부분에 쓰기 작업을 해 본 것이다. 실제로 2배 가까이 쓰기 속도의 차이가 난다. 여기서 D드라이브와 G드라이브의 섹터가 모두 HDD의 가장 바깥쪽, 안쪽 트랙이 아닌 것을 감안하면 성능 차이가 더 크다는 것을 알 수 있다.

앞에서 분석했듯이 HDD의 가장 바깥쪽과 안쪽 섹터의 선속도 차이가 큰 것을 실제 읽기, 쓰기 성능의 차이가 뒷받침해주고 있다.

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2. HDD와 SSD의 읽기, 쓰기 원리와 속도 비교

HDD와 SSD의 가장 큰 차이는 바로 데이터의 읽기, 쓰기 속도이다. 컴퓨터에서의 데이터의 처리 및 저장은 모두 0과 1을 이용하는 이진법 원리로 작동된다. 이 0과 1로 이루어진 데이터들이 반도체의 AND, OR, NOT 등의 논리 회로들을 지나면서 연산이 이루어지게 되고 이 데이터들을 필요한 경우 역시 0과 1의 형태로 저장하게 된다.

지금 알아볼 HDD와 SSD의 읽기, 쓰기 속도 차이를 비교할 때 특히 주목해야 할 점은 바로 작은 파일들을 처리할 때의 속도이다. 작은 파일보다 큰 파일들을 처리하는 속도가 더 중요하다고 생각할 수도 있지만 사실은 작은 파일들을 처리하는 속도가 전반적인 시스템 속도를 결정짓는다고 할 수 있다.

Fig. 2-1은 윈도우 7 운영 체제가 설치되어 있는 드라이브의 사용량과 파일 수이다. 전체 사용량을 파일 수로 나누면 평균적인 파일의 크기를 얻을 수 있을 것이다. 전체 사용량은 약 10507384KB이고 파일 수는 65983개이다. 평균 파일 크기를 계산해보면 159KB라는 생각보다 훨씬 작은 값을 얻을 수 있다. 이는 일반적인 MP3 파일과 사진 파일들의 크기가 3MB 내외라는 것을 고려하면 매우 작은 값이다. 여기에 프로그램의 실행 파일들의 크기가 꽤 큰 것을 고려하면 전반적인 실제 시스템 파일의 크기는 매우 작은 것을 알 수 있다. 이제 왜 작은 파일들을 처리하는 속도가 전반적인 시스템 속도를 결정짓는지 이해할 수 있을 것이다.

Fig. 2-1 운영체제가 설치되어 있는 드라이브 사용량과 파일 수

HDD의 구동 원리에 대해 이해하기 위해서는 먼저 HDD의 주요 부품에 대해 알아야 한다. HDD는 플래터와 헤드, 스핀들, 헤드 구동 장치, 카트리지 등 많은 부품들로 이루어져 있지만 여기서는 HDD의 데이터 기록 원리와 직접적으로 관련이 있는 플래터와 헤드에 대해서만 다루기로 한다.

Fig. 2-2 HDD의 내부구조

플래터는 데이터가 실제로 기록되는 얇은 판으로 플래터 자체의 재질로 사용되는 알루미늄이나 유리가 자성을 갖지 못하기 때문에 표면에 자성을 가질 수 있는 산화물 층 또는 합금을 도금한다. HDD는 플래터가 회전하며 헤드가 플래터에 자기 데이터를 읽고 쓰는 원리로 구동되는데 플래터가 한 바퀴 돌 때마다 헤드가 일정량의 데이터 처리를 한다. 그러므로 플래터의 회전 속도는 HDD의 성능에 큰 영향을 미치는데 발열과 소음 문제 때문에 일반적인 HDD의 회전 속도는 7200rpm 이하로 작동한다. 그리고 플래터에서 데이터의 기록 단위를 섹터라고 하는데 헤드는 플래터에 데이터를 기록하는 장치로 플래터와 보이지 않을 정도의 간격을 두고 떨어져 있으며 플래터의 읽기, 쓰기를 원하는 섹터 위로 이동할 수 있다.

Fig. 2-3 HDD에서 헤드의 끝 부분이 읽기, 쓰기를 원하는 섹터 위의 위치한 모습[1]

Fig. 2-3은 헤드의 끝 부분이 읽기, 쓰기를 원하는 섹터 위에 위치한 모습을 나타내는 모식도이다. HDD의 쓰기 원리는 전자석의 원리를 이용한 것이다. Controller에서 쓰기 작업을 할 0과 1로 이루어진 디지털 신호를 전송하면 이것이 Fig. 2-3의 코일에 흐르는 전류의 방향을 결정하게 된다. 그리고 코일에 흐르는 전류의 방향이 결정되면 전자석의 원리에 의해 코어를 중심으로 하는 일정한 방향의 자기장이 형성되게 되고 이 자기의 방향이 섹터에 저장된다.

읽기는 쓰기의 원리를 거꾸로 생각하면 쉽다. 헤드가 읽기를 원하는 데이터가 저장되어 있는 섹터 위로 이동하면 섹터에는 이미 데이터가 저장되어 자기를 띄고 있으므로 코일 내부의 자기장의 변화가 생기게 된다. 따라서 전자기 유도의 원리에 의해 코일에 전류가 흐르게 되어 데이터를 읽게 된다. 즉 기록되어 있었던 데이터의 자기의 방향에 따라 코일에 유도되는 전류의 방향이 결정되고 이를 통해 데이터를 읽는 것이다.

이처럼 HDD는 기계적인 원리로 작동하기 때문에 전반적인 데이터 처리 속도가 느리다.  헤드가 데이터를 처리할 섹터 위로 이동해야 하기 때문에 10ms가 넘는 Access Time이 발생하고 데이터가 저장되는 플래터의 회전 속도가 일반적으로 7200rpm을 넘지 못하는 등 데이터 처리 속도가 느려질 수밖에 없다. 기본적으로 전자석 및 전자기 유도의 원리에 의해 작동한다는 점도 다른 전기적 원리로 작동하는 부품들에 비해 성능이 떨어질 수 밖에 없는 이유이다.

Fig. 2-4 SDD의 구성요소

SSD의 읽기, 쓰기 원리는 HDD 의 그것에 비하면 훨씬 간단하다. 기계적인 방법은 전혀 없이 전기적으로만 구동된다. SSD는 크게 Nand Flash Memory와 Controller로 구성되어 있다. 여러 개의 Nand Flash Memory가 하나의 SSD를 이루고 있고 Controller가 이 Nand Flash Memory들을 관리하는 방식으로 작동한다.

Fig. 2-6 Flash Memory의 Floating Gated에서의 읽기, 쓰기 작동 원리[2]

Flash Memory는 Floating Gate에 Control Gate를 이용해 전자를 주입시켜 전자가 없을 경우에는 1, 전자가 있을 경우에는 0이 되는 원리로 작동한다. 즉 Floating Gate의 전하량의 차이를 두어 데이터를 저장하는 것이다. 이때 Floating Gate의 데이터는 반영구적으로 보존된다. 이처럼 Flash Memory는 HDD와 같이 물리적으로 데이터를 처리할 섹터에 접근하는 과정이 불필요하기 없기 때문에 Access Time이 0.1ms 미만으로 매우 짧다.

Flash Memory는 또다시 Nor Flash Memory와 Nand Flash Memory로 나누어진다. Nor은 Not Or의 약자로 앞에서 살펴보았던 Floating Gate가 병렬로 연결되어 있고 Nand는 Not And의 약자로 Floating Gate가 직렬로 연결되어 있는 구조다. Fig. 2-6과 Fig. 2-7은 각각 Nor Flash Memory와 Nand Flash Memory의 모식도이다.

Fig. 2-6 Nor Flash Memory[3]

Fig. 2-7 Nand Flash Memory[4]

일반적으로 생각하면 Nor Flash Memory는 어떤 Floating Gate에나 직접 접근할 수 있지만 Nand Flash Memory는 어떤 Floating Gate에 접근하기 위해서는 다른 Floating Gate들을 거쳐야 하기 때문에 Nor Flash Memory가 Nand Flash Memory보다 빠르다고 할 수 있다. 이와 같은 이유로 각각의 Floating Gate에서의 읽기 작업은 Nor Flash Memory가 빠르다. 하지만 어떤 규모 이상의 데이터, 즉 Nand Flash Memory에서 한 단위 회로 이상의 데이터를 읽는 경우 Nor Flash Memory와 Nand Flash Memory 사이의 큰 차이가 없게 된다. 쓰기 작업의 경우 상황이 조금 다르다. 쓰기 작업의 특성상 한 번의 작업에서 한 단위만큼, 즉 Nand Flash Memory의 단위 회로 전체의 데이터를 처리하기 때문에 쓰기 작업에서는 Nand Flash Memory가 Nor Flash Memory에 비해 빠르다. 또한 Nand Flash Memory의 경우 직렬 회로로 구조가 비교적 단순해 집적도를 높이기 쉽기 때문에 대용량화와 보급화가 쉽다. 즉 읽기 성능은 조금 떨어지지만 쓰기 성능이 우수하고 무엇보다도 생산 단가가 저렴한  Nand Flash Memory가 Nor Flash Memory보다 많이 사용되고 있으며 SSD에도 주로 Nand Flash Memory가 사용되고 있다.

Nand Flash Memory는 또 SLC 방식과 MLC 방식으로 나누어진다. SLC는 처음 설명한 것과 같이 하나의 Floating Gate에 0과 1의 단계를 두어 1Bit의 데이터만을 저장하는 방식이다. MLC의 경우 하나의 Floating Gate에 0과 1사이의 더 많은 단계를 두어 1Bit 이상의 데이터를 저장하는 방식이다. SLC의 경우가 하나의 Floating Gate에서의 데이터 구별이 명확하기 때문에 속도와 신뢰성이 MLC 보다 우수하지만 대용량화가 힘들기 때문에 가격이 비싸다. 때문에 최근 Controller의 발전으로 MLC의 단점을 많이 보완할 수 있기 때문에 최근 출시되는 SSD는 보통 MLC 방식의 Nand Flash Memory를 사용하고 있다.

이제 Controller에 대해 알아보자. 앞에서 말했던 Nand Flash Memory의 읽기, 쓰기 속도는 보통 20MB 정도로 HDD보다 낮다. USB Memory의 속도가 느린 것을 생각하면 알 수 있다. 하지만 SSD는 여러 개의 Nand Flash Memory로 이루어져 있고 Controller가 하나의 데이터도 여러 개의 Nand Flash Memory에 나뉘어 저장하는 다중 채널 분산 기술을 사용하므로 SSD의 실제 성능을 극대화시켜준다. 실제로 SSD의 실제 성능은 하나의 Nand Flash Memory의 10배가 넘는다. 그렇기 때문에, Controller의 성능은 SSD의 성능의 큰 영향을 미친다. 최근 이 Controller의 기술이 급속도로 발전하면서 SSD의 성능의 발전을 이끌고 있다.

결론적으로 읽기 쓰기의 작동 원리적인 측면으로 봤을 때 HDD는 전기적 신호를 통해 섹터 위에 자기를 인식하거나 기록하는 상대적으로 느린 과정이 필요하고 읽기, 쓰기 작업을 할 섹터로 헤드가 이동하기까지 걸리는 Access Time이 있으며 플래터가 한 바퀴 돌 때마다 일정량의 데이터밖에 처리할 수 없으므로 읽기, 쓰기 속도가 비교적 느리다. 하지만 SSD는 Nand Flash Memory에 단순한 전기적 원리로 데이터를 저장하기 때문에 Access Time이 매우 짧고 Controller가 데이터를 다중 채널 분산 기술로 처리해 읽기, 쓰기 속도를 극대화시켜주기 때문에 성능이 매우 우수하다.

Fig. 2-8 HDD의 Access Time

Fig. 2-9 SSD의 Access Time

실제로 HDD와 SSD의 Access Time을 비교해 보았다. 측정 프로그램으로는 저장장치 벤치마크 프로그램인 HD Tune을 사용했다. Fig. 2-8는 HDD의 Access Time을 측정한 것이고 Fig. 2-9은 SSD의 Access Time을 측정한 것이다. 데이터가 저장돼 있는 섹터에 접근하는 HDD의 Access Time이 SSD에 비해 훨씬 길다. 특히 512B와 4KB, 64KB 등 작은 크기의 파일의 Access Time이 큰 차이가 난다. 그래프를 보면 차이를 더 쉽게 이해할 수 있다. 즉 작은 파일들에 접근하는 데 소요되는 Access Time에 의해 전반적인 시스템 속도가 결정되는 것을 감안했을 때 SSD가 훨씬 우수한 것을 볼 수 있다.

Fig. 2-10 HDD의 읽기 쓰기 속도

Fig. 2-11 SSD의 읽기 쓰기 속도

이번에는 HDD와 SSD의 실제 읽기, 쓰기 성능을 비교해 보았다. 역시 저장 장치 성능 벤치마크 프로그램인 CrytalDiskMark로 내 컴퓨터의 HDD와 SSD의 성능을 벤치마크 해 보았다. Fig. 2-10은 HDD, Fig. 그림 2-11은 SSD의 경우다. 전체적인 속도가 큰 차이가 났으며 역시 512KB와 4KB 등 작은 파일에서는 SSD가 HDD보다 훨씬 빠른 속도를 보여 주었다. 다시 한 번 말하지만 시스템의 실제적인 속도는 작은 파일들을 처리하는 데에 결정되기 때문에 SSD가 HDD보다 훨씬 우수함을 알 수 있다.

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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!!

이 글에서는 디스크키퍼[Diskeeper], 퍼펙트디스크[PerfectDisk], 오앤오디프랙[O&ODefrag] 등 디스크 조각 모음 프로그램들을 비교해 보겠습니다.

디스크키퍼, 퍼펙트디스크, 오앤오디프랙

디스크키퍼, 퍼펙트디스크, 오앤오디프랙 모두 디스크 조각 모음 프로그램 중 최고봉으로 최고의 성능을 자랑하고 있는 프로그램들이죠.

디스크키퍼
가장 유명한 디스크 조각 모음 프로그램입니다.
오랜 전통이 있으며, 윈도우 자체 내장 디스크 조각 모음 프로그램도 디스크키퍼 사의 성능이 조금 낮은 제품을 사용합니다. 마이크로소프트 사에서 인증했듯이, 안정성도 자동 조각 모음과, 이번 버젼부터 추가된 InteliWrite 기능을 지원합니다. InteliWrite란 파일의 단편화, 즉 파일의 디스크의 여러 부분에 나누어 저장되는 것을 미리 방지하는 기능으로 사용해본 결과 효과가 있는 듯 합니다. HyperFast 기능을 통해 SSD의 조각모음도 정식으로 지원합니다. 디스크 조각 모음 속도도 빠른 편입니다. 보시다시피 비공식 한글 언어팩도 있습니다.
정리하자면 InteliWrite와 HyperFast 등 유용한 부가 기능들이 큰 장점이고, 조각 모음 성능은 3개 프로그램 중 보통, 속도는 조금 빠른 편입니다.
http://www.diskeeper.com/


퍼펙트 디스크
디스크 조각 모음 프로그램 중 점유율 2위입니다. 역시 10년 이상의 전통이 있습니다. 특징으로는, 파일들의 사용 주기를 분석하여, 거의 사용하지 않는 파일, 가끔 사용하는 파일, 자주 사용하는 파일로 분류해 전체적인 파일 접근 속도 및 시스템 성능을 높인다는 것입니다. 이 기술은 SmartPlace라고 불리는데, 저는 성능 향상을 거의 느끼지 못했습니다. 단점으로는 디스크 조각 모음 시간이 디스크키퍼와 비교해 3배 이상 걸린다는 것입니다. 그에 대해 성능 향상은 비슷한 듯 합니다.
정리하자면 매번 비슷한 작업을 하는 경우와 같이 SmartPlace가 효과를 발휘하는 경우에는 퍼펙트 디스크가 매우 유용하겠지만 SmartPlace의 특성상 조각 모음에 매우 많은 시간이 걸린다는 단점이 있습니다.
http://www.perfectdisk.com/

오앤오디프랙
위의 프로그램들보다는 조금 덜 알려진 디스크 조각 모음 프로그램입니다. 하지만 성능은 뛰어납니다. 한번 사용해 보시는 아마 디스크키퍼와 퍼펙트디스크를 반반씩 섞어 놓는듯한 느낌을 받으실 수 있으실 것입니다. 특별한 특징은 없고 그냥 무난합니다.
성능, 조각 모음 속도 역시 보통입니다.
http://www.oo-software.com/

마지막으로 디스크 조각 모음 프로그램 선택으로 고민하시는 분들께 참고로 알려드립니다.
디스크 조각 모음이란 파일이 물리적으로 디스크의 여러 부분에 분산되어 저장되게 되면 그 파일을 읽기 위해 해드가 많이 움직이게 되서 시스템 성능이 저하게는 것을 줄이는 것입니다. 하지만 지금 처럼 컴퓨터 성능이 많이 발전하고,하드 디스크 부분만 해도 여러 가지 기술이 적용되었다고 하는 등, 디스크 조각 모음을 해도 별 성능 차이를 느끼기 힘든 상황이 되 버렸습니다. 그러니 디스크 조각 모음에 그렇게 민간하실 필요는 없는 것 같습니다.

참고로 SSD의 경우에는 디스크키퍼의 HyperFast 기능으로 조각 모음을 했을 떄만 효과가 있는데, 그 내용은 아래 글에서 설명했습니다.
[Computer Tips] - SSD 를 조각모음 및 최적화 하기

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  1. 옆마을정씨 2010.01.09 23:27 신고

    좋은글 잘 읽었습니다.
    민감해하지 않아도 된다는 것은 그래도 신경 쓰이면 아무거나 써도 큰 차이가 없다는 거군요.

    • 초록 날개 2010.01.10 07:18 신고

      네~^^
      모두 비슷한 성능대의 제품이고, 일정 성능 이상이면 체감 속도는 거의 변화가 없다고 볼 수 있습니다.

  2. 맑음 2010.01.15 18:38 신고

    디스크키퍼 한글 어디서 구하셨나요..

  3. pCsOrI 2011.02.26 13:03 신고

    위의 3가지 프로그램의 한글 패치가 필요하십니까?

    pcsori@gmail.com 으로 연락 주십시오.

    그동안 활동하던 http://hangeul.shworks.com/ 의 쥔장 관리 소홀(?)로 서비스가 정지된 상태라...

  4. 나그네 2011.11.17 08:33 신고

    구글 광고의 위치를
    좀 좌편이나 우편으로 옮겼으면 합니다 ^^
    본문이 가려지네요
    광고 X표기도 안보이구요

    • 초록 날개 2011.11.17 11:46 신고

      혹시 IE9 사용하시는지요.. 소스 자체는 정상적인데 유독 IE9에서만 본문을 덮는 것 같네요... 호환성 보기나 크롬 등 다른 브라우져를 사용하시면 정상적으로 보입니다.~

  5. 행인 2011.11.18 08:23 신고

    ssd에 하이퍼패스트를 돌리면 트림과 같은 효과가 나오는건가요?

    • 초록 날개 2011.11.18 22:15 신고

      하이퍼패스트에 관한 기술적인 정보는 아직 정확히 알고 있지 않아서...;; 일종의 인텔 툴박스, 삼성 매지션 툴과 최적화와 비슷한 기능이라고 합니다.. 작년까지만 해도 관련 툴이 거의 없었고, 아직도 중소기업 쪽은 툴박스가 없으니 그런 경우에 사용하시는 것 같아요~

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