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Z-NAND 기술은 기억 칩과 컨트롤러로 구성

메모리 사용자가 불만을 느끼는 한가지는 3D XPoint 메모리의 상업 생산(대량 생산)이 좀처럼 시작되지 않는 것이다. 또 다른 하나는 DRAM 과 NAND 플래시 메모리의 속도 차이를 메우는 차세대 메모리의 유력 후보가 3D XPoint 메모리 하나뿐 이라는 것이다. 독립 후보는 경쟁 원리가 적용되지 않고, 메모리 및 SSD 등의 가격이 떨어지지 않을 것이라는 우려가 크다.

거기서 등장한 것이 삼성전자가 개발한 고속의 대용량 비휘발성 메모리 기술 "Z-NAND". Z-NAND 기술을 포함한 SSD("Z-SSD" 이라 함)를 개발하고 기존 NAND 플래시 메모리 내장 SSD에 비해 레이턴시(지연 시간)이 크게 짧고 처리량(데이터 전송 속도)가 높다는 점을 플래시 메모리 업계 이벤트 "FMS(Flash Memory Summit)"에서 발표했다.

Z-SSD의 외관. 인터페이스는 NVMe(Non-Volatile Memory express). 삼성전자가 FMS에서 공개한 자료

요소 기술은 대부분 미공개

"Z-NAND" 기술로 메모리의 성능 및 요소 기술 등은 현재 전혀 공개되지 않았다. 공개된 것은 "Z-SSD"의 간단한 구성과 성능 정도다. Z-SSD는 Z-NAND 칩과 전용 개발 컨트롤러를 조합한다. 칩과 컨트롤러 각각의 독자적인 설계가 적용되고 있다고 보이지만 자세한 것은 알수가 없다.

삼성은 이전에 상변화 메모리(인텔은 "PCM", 삼성은 "PRAM"이라 함)를 개발하는 것으로 밝힌적이 있다. 그러나 FMS 설명에서는 Z-NAND 칩은 상변화 메모리가 아니라고 밝혔다. 칩에 DRAM 실리콘 다이와 NAND 실리콘 다이를 내장하고 성능을 높이는 기법도 있지만 이것도 아닌 것이다.

Z-NAND 칩은 미국 온라인 잡지 EETimes가 Z-NAND에 관해 보도한 기사가 흥미롭다. 이 잡지의 기자가 도시바의 엔지니어와 인터뷰하고 "3D NAND 플래시 메모리를 SLC 타입으로 사용하는 것으로 성능을 높일 가능성이 있다" 라는 중요한 코멘트를 받고 있다. 3D NAND 플래시 메모리의 표준적인 사용법은 TLC(3bit/ 셀) 타입이다. 같은 실리콘 다이를 SLC(1bit/ 셀) 타입으로 사용하면 기억 용량은 3분의 1까지 떨어지지만 접근 속도는 올라간다. 특히 쓰기 성능이 올라간다. NAND 플래시 메모리는 종래, 쓰기 성능이 낮다는 약점을 안고 있었다. 이를 기존의 SSD에서는 입출력 채널의 다자화나 DRAM 버퍼의 탑재 등으로 보완하고 높은 성능을 실현해 왔다.

예를 들면 256Gbit의 TLC 타입 3D NAND 플래시를 SLC 유형으로 사용하면 기억 용량은 약 85Gbit로 작아진다. 그러나 쓰기에 필요한 시간은 짧아진다. 또 쓰는 수명이 크게 증가한다. 삼성은 엔터프라이즈용 SSD 솔루션으로서 Z-SSD를 소개하고 있으므로 수명의 증가는 큰 의미를 갖는다.

FMS 삼성 부스에 전시된 "Z-NAND" 기술과 "Z-SSD" 기술. 엔터프라이즈용 솔루션으로 소개되고 있는 것으로 나타났다

상변화 메모리(PRAM)와 성능을 비교한 의미

DRAM과 기존 SSD 사이의 메모리 계층에는 큰 성능 차이가 존재하는 것은 잘 알고 있다. 삼성은 FMS의 키노트 연설에서 이 갭을 메우는 데는 상변화 메모리(PRAM)를 기반으로한 어프로치가 지금까지 존재했으며 삼성은 NAND 기반의 접근으로 이 간극을 메우려 했다.

메모리 계층의 DRAM과 SSD 사이에 있는 성능 차이와 간극을 메우는 방법. FMS 삼성 키노트 강연

여기서 PRAM 기반의 접근은 "3D XPoint 메모리"를 가리키는 것으로 여겨진다. FMS의 키노트 강연과 전시회에서 삼성은 Z-SSD의 성능을 기존 SSD와 비교했는데 비교한 도면에서도 자주 PRAM 기반 SSD와 비교 결과가 나왔다.

키노트 강연에서 삼성의 NVMe SSD "PM963"과 PRAM 기반 SSD, Z-SSD의 성능을 늘어놓은 그래프를 보였다. 예를 들면 순차 읽기의 산출량은 NVMe SSD의 2배 이상이며 PRAM (SSD보다 약간 높다. 그리고 4KB 데이터 읽기의 레이턴시(지연 시간)은 NVMe SSD 보다 월등히 짧고, PRAM 기반 SSD와 거의 같다. 메모리 캐시 서버의 성능은 NVMe SSD 탑재 시스템의 2배 이상이며 PRAM 기반 SSD 탑재 시스템보다 조금 높다. 빅 데이터 분석 성능은 NVMe SSD 탑재 시스템의 2배 이상이며 PRAM 기반 SSD 보다 1.2배 가량 높다. 그리고 Z-SSD의 소비 에너지 효율은 PRAM 기반 SSD 보다 2.6배 높다.

삼성의 NVMe SSD "PM963" 과 PRAM 기반 SSD의 성능 비교. FMS 삼성 키노트 강연

전시회 부스에서도 기존의 NVMe SSD, PRAM 기반의 SSD, Z-SSD의 성능을 비교하고 대형 액정 패널에서 슬라이드 쇼로 표시하고 있었다.

시퀀셜 읽기와 시퀀셜 쓰기의 산출량은 Z-SSD가 약 3.2GB/sec 으로 최고의 성능을 나타내고 있었다. PRAM 기반 SSD는 NVMe SSD(NAND 플래시 기반)보다는 높지만 스루풋은 Z-SSD의 3분의 2전후가 되고 있었다.

4KB 데이터 읽기의 레이턴시(지연 시간)은 키노트 강연과 마찬가지로 Z-SSD가 NVMe SSD 보다 4분의 1로 짧고 PRAM 기반 SSD와 거의 같다.

전체적으로는 PRAM 기반의 SSD(즉 3DXPoint 메모리 기반 SSD "Optane"과 "QuantX"를 상정)과 동등 이상의 성능을 Z-SSD는 낼 수 있다고 어필했고 릴리스에 따르면 Z-SSD 제품판은 내년(2017년)에 출하할 것으로 기대되고 있다.

SSD는 NVMe의 초고속 인터페이스를 얻어 그 성능의 최대화 가능했다. 역설적이지만 NVMe 인터페이스를 극한까지 써서 성능의 SSD를 고안하고 개발하는 의의가 생긴 것이다. 3DXPoint와 Z-NAND 등은 NVMe 인터페이스가 전제인 SSD를 실현하는 요소 기술이다. 앞으로도 유사한 방향성을 목표로 한 SSD가 고안될 가능성이 적지 않으며 매우 기대된다.