SSD(Solid - state Drive) 기술 및 시장 동향 - SKKUhome.skku.edu/~mobiletech/201203_SSD.pdfPD ISSUE REPORT MARCH 2012 VOL 12-2 ISSUE 2 SSD(Solid-state Drive) 기술 및 시장

PD ISSUE REPORT MARCH 2012 VOL 12-2

68 한국산업기술평가관리원 한국산업기술평가관리원 69

SUMMARY

[참고문헌]

1.“i - Fashion의 개념과 실행”, 박창규, Vol. 10 No. 3, 2008, 한국의류산업학회지

2.“IT와 패션의 융합 : i - Fashion”, 박창규 김성민, Vol. 5, 2008, 패션정보와 기술

3.“i - Fashion 기술과 산업”, 박창규, Vol. 10 No. 3, 2006, 섬유기술과 산업

4.“IT 융합의 첨병에 있는 옷과 IT와의 만남”Vol. 41 No. 4, 2008, Make IT Easy

[국내의 주요 기술개발 현황]

프로젝트 명 개요 연구기간

i - Fashion 의류기술센터

구축사업

ubiquitous와 personalization의 두 가지 핵심 키워드를 패션산업에 접목함으로써‘디지털 서비스’와‘맞춤’이라는 패션산업에서의 새로운 고부가가치를 실현하고 신규 서비스로 더 많은 가치를 제공함으로써 새로운 i - Fashion 시장과 산업을 창출

2006.06 ~ 2011.05

u - 라이프를 위한 디지털 콘텐츠

산업화 혁신 클러스터 구축패션상품의 디지털 콘텐츠화를 통한 산업화 지원기술 개발 2005.12 ~ 2010.11

의류패션산업의 한 브랜드화 한국적 디자인 기술 혁신 신기술 개발 네트워크 구축 2006.05 ~ 2011.07

맞춤 양산형 섬유제품 PLM시스템 개발

소비자 중심 기반의 의류제품과 서비스를 IT 기술과 통합 시스템화 하여, 의류제품 및 서비스 전주기에 걸친 소비자 관점 기반의 맞춤의류 시장 구축

2010.04 ~ 2014.03

LOHAS섬유 전문인력양성사업LOHAS 섬유 분야의 섬유 관련 기업체와 연구소를 포함하는 산학연 공동사업 컨소시엄을 운영함으로써 교육 및 연구 활동을 통한 핵심 인재 양성

2008.09 ~ 2013.08

디지털 텍스타일 IT융합기술개발

디지털 텍스타일’의 상용화 및 양산화 기술개발 및 교육 프로그램을 통하여 실질적인 상품화 기술 및 인력을 확보하고, 해외 시장을 선도할 수 있는 산업체 연계형 글로벌 전문가를 양성

2011.06 ~ 2014.12

SSD (Solid - state Drive)

▶� 기계적 메커니즘으로 구동되는 자성 디스크 기반의 HDD (Hard Disk Drive)를 대체하는 반도체 메모리 (낸드

플래시, DRAM 등) 매체 기반의 저장장치로 성능, 폼팩터, 내구성(외부충격), 소음, 전력 소모 면에서 매우 우수

SSD(Solid - state Drive)를 구성하는 주요 기술

▶� 저장매체인‘반도체 메모리’： 현재 낸드플래시가 주류이며, DRAM도 백업전원을 이용해 휘발성 문제를 해결

하는 방식으로 고성능 서버용 SSD에 사용되고 있음

▶�SSD 컨트롤러： 호스트와 메모리저장장치 간 고속 인터페이스를 포함해 오류제어, 보안 등을 지원하는 CPU

및 하드웨어 로직으로 구성되며, 소프트웨어와 결합되어 SSD의 경쟁력을 좌우함

▶� 소프트웨어： 주로 파일시스템을 의미하며, SSD 컨트롤러 내 임베디드 CPU를 통해 주소 매핑, 성능·신뢰성·

내구연한 향상, 유연성 지원 기능 등을 수행

메모리반도체 기술력을 바탕으로 SSD 시스템반도체 경쟁력 확보 필요

▶� ’15년까지 SSD는 매년 평균 51.1%, 매출액은 매년 평균 36.8% 증가할 것으로 전망되는 고도성장 분야로 우리

나라가 보유한 최고의 메모리반도체 기술을 바탕으로, 정부 및 민간에서 시스템 아키텍처, 회로, 패키징에 이르는

설계/검증 기술 및 관련 임베디드 SW 개발을 지원함으로써 신성장 동력으로 육성

SSD(Solid - state Drive) 기술 및 시장 동향

ｌ저자ｌ 한태희 PD / KEIT 시스템 반도체 PD실

이유상 책임 / KEIT 시스템 반도체 PD실

PD ISSUE REPORT MARCH 2012 VOL 12-2 ISSUE 2 SSD(Solid-state Drive) 기술 및 시장 동향


1. SSD 등장 배경 및 시장 추세

기술 및 시장의 성숙에 따른 이상적 저장장치에 대한 요구 증가

▶� 하드디스크를 대체하는 고성능·경박단소 저장장치에 대한 니즈와 스마트 기기의 폭발적 성장 및 플래시메모리 단가 하락에 힘입어 SSD 시장이 본격적으로 개화

－� 프로세서가 사용되는 모든 정보기기는 메모리 계층구조 (Memory Hierarchy)를 가지고 있으며, 이는 근본적으로 메모리의 물리적 구현에 소요되는 비용 차이에 의함

－� 궁극적으로 고속, 고집적, 비휘발성, 저가, 저 전력 특성을 갖는 이상적인 메모리 (Universal Memory) 소자가 개발되면 메모리 계층 구조가 단순해지면서 정보기기의 획기적 발전이 가능

－� 지난 수십 년간 스토리지의 대명사였던 HDD는 고속 회전하는 자성체 디스크를 헤드로 읽고 쓰는 기계적 메커니즘으로 인해 액세스 속도가 반도체 메모리에 비해 현저하게 낮고 외부 충격에 취약하며 소음, 발열 문제를 가지고 있음

●�� 로컬 스토로지로 사용되는 HDD는 차상위 메모리계층(메인메모리 - DRAM)과 10만 배 수준의 성능격차가 있어 전체 시스템 성능 향상에 bottleneck으로 작용

[그림 2-1] 메모리 계층 구조

기술·시장·경쟁력에 따른 SSD의 진화

▶� 초기에는 대용량 HDD와 소용량 SSD 캐시를 이용해 자주 액세스 되는 데이터에 대한 성능을 개선한‘하이브리드 HDD’형태로 제공됨

－� 프로그램 로딩 및 부팅 시 SSD에 가까운 성능을 제공하나 데이터 집중적(data - intensive) 작업에서는 순수 HDD와 차별성이 떨어지지만 순수 SSD보다 가격경쟁력이 높아 1,000$ 이하의 울트라 북 등에 적합

[그림 2-2] SSD 기술, 경쟁력, 시장 추세

▶� 현재 낸드플래시 기반의 SSD가 주류를 이루며, 고성능이 요구되는 서버와 같은 분야에는 latency가 10㎲이하인 DRAM기반의 SSD도 사용되고 있음

－� 비휘발성 메모리인 DRAM 기반 SSD는 대용량 커패시터 배터리로 백업 전원을 유지해야하는 고가 솔루션으로 시장성이 제한되어있음

[표 2-1] HDD vs SSD 비교 분석

구분 HDD (Hard Disk Drive) SSD (Solid-State Drive)

랜덤 액세스 시간 5~10ms 0.1ms

최대데이터전송속도 100MB/s 100~500MB/s

소비전력 12~18W 4~9W

쓰기/지우기 내구성 ~1015 ~105 (낸드플래시)

용량 (As of Dec. 2011) upto 4TB (Typ. 500GB~1TB) upto 2TB (Typ. 64~256GB)

용량 당 가격 (As of Feb. 2011)$0.05 per GB (3.5”)$0.10 per GB (2.5”)

$0.90~2.00 per GB

▶� 낸드플래시의 지속적 가격 하락에 따라 아이패드 같은 태블릿이 SSD를 채용하는 데 힘입어 최근 2~3년 새 SSD 시장이 폭발적으로 성장하고 있음

－� 삼성전자(’11년 3분기 양산시작), 하이닉스 등이 20nm급 공정의 낸드플래시 개발에 성공하고 10nm급 미세 공정을 낸드플래시 메모리에 우선 적용할 예정 등으로 인해 낸드플래시 시장 확대는 더욱 탄력을 받을 전망



저장매체별 SSD 스토리지 현황

▶� 당분간 HDD가 스토리지 시장의 주류를 유지할 전망이지만, IT환경 변화에 따라 SSD 기반의 고성능 스토리지 (DRAM SSD, Flash SSD) 수요도 지속 증가 예정

－� 태블릿 등에서는 폼팩터, 성능, 전력소모, 내구성 측면에서 우세한 낸드플래시 기반의 순수 SSD가, 기타 시장에서는 하이브리드 HDD (SSD + HDD)가 대세가 될 전망

▶� 고성능 서버 등에서는 DRAM 기반의 SSD도 시장의 한 축을 형성할 것으로 예상

－� [표 2-2]와 같이 DRAM SSD는 Random 및 Sequential 읽기·쓰기 등 모든 IO영역에서 성능이 월등하나, 높은 가격으로 인하여 플래시 SSD 또는 HDD와 결합한 하이브리드 형태가 주로 사용될 것으로 예상

▶� 본 리포트에서는 낸드 플래시기반 SSD 및 컨트롤러에 대해서 집중 조명하고자 함

[표 2-2] 저장 매체별 SSD 비교

구분

입출력 성능 특성

Mostly Random

Sequential, Single

Threaded

MostlySequential

장점 단점 활용도

DRAM SSD ○ ○ ○ -� 최고성능-� 최고 가격-� 최저 용량

-� 극상의 성능을 요하는 업무-� 메모리 데이터베이스

DRAM SSD+ Flash SSD

○ △ ○-� 최상의 성능-� 중간 용량

-� 고가-� 최고의 성능과 중간용량이 필요한

업무

DRAM SSD + HDD

△ - ○·우수한 성능·대용량·중저가

- -� 고성능 대용량 스토리지

Flash SSD △ - △-� 우수한 성능-� 중간 용량-� 휴대 용이

-� 고가-� 고성능 중간용량 스토리지 (~ 512 GB)

Flash SSD+ HDD

- X △-� 대용량-� 저가

-� 낮은 성능 -� 낮은 성능 대용량 스토리지

HDD X X --� 최고용량-� 최저가격

-� 최저 성능-� 성능을 요하지 않는 Archive용

스토리지

* 출처 : SMARTOPIA 구현을 위한 IT R&D 추진전략(2013 ~ 2017)

2. SSD 기술 개요

SSD 성능 지표

▶� 낸드플래시 고유 특성으로 인해 주소 매핑, 오류 제어, 마모 평준화(Wear leveling) 등의 제어 기능이 요구되며 최적화된 시스템 구현 방식을 선택하기 위한 성능, 물리적 규격, 가격, 시스템 인터페이스 등의 지표([표 2-3])가 요구됨

－�SSD 사양 만족을 위해 최적의 구현 방향에 따라 설계됨

●�� 넓은 의미의 SSD인‘USB 메모리스틱’은 시장 특성상 가격경쟁력이 최우선 고려지표이며, 이에 따라 성능이 다소 희생되더라도 대부분의 기능을 별도의 하드웨어 추가 없이 호스트 컴퓨터의 CPU를 이용한 소프트웨어적 처리를 통해 비용을 절감

[표 2-3] SSD 경쟁력 지표

지표 구성 요소 비고

성능 (Performance)

Access latency 드라이브 응답 시간

Sustained Read Rate 지속적 읽기 속도 (cache buf fer 사용 없는)

Sustained Write Rate 지속적 쓰기 속도 (cache buf fer 사용 없는)

Reformatting Time (TRIM)SSD내 불용 데이터 블록 정보를 알려주어 Garbage col lec t ion overhead를 줄여줌

물리적 규격

Packaging (form factor, PCB) 부피 (휴대성)

Power usage and dissipation 전력소모, 발열

Weight 무게 (휴대성)

Scaling 용량 확장성, 부가 기능 확장성 등

가격Competitive base offering 기본형 제품 가격

Competitive scaled offering 확장형 제품 가격

시스템 인터페이스

Fixed 고정된 인터페이스 제공

Available with different interfaces 서로 다른 호스트 인터페이스 지원 가능

Available multiple interfaces 다중 호스트 인터페이스 지원 가능

낸드 플래시 메모리 기술

▶� SSD의 HDD 대비 최대 약점인‘비트당 가격’개선을 위해 공정 미세화, 하나의 셀에 2비트 이상 저장할 수 있는 MLC (Multi-level Cell), 3차원 셀 구조, 패키지 수준의 다중 칩 적층 기술 등이 활발히 연구 및 개발되고 있음

－� 한 개의 셀에 SLC(Single - level Cell)는 1비트, MLC(Mult - level Cell)는 2비트, TLC(Tri - level Cell)는 3비트를 저장할 수 있으나, 정보 밀도 증가로 잡음 여유가 줄어들어 강력한 ECC (Error - correcting code) 기능이 필요하게 되는 등 제어 복잡도가 증가함



하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 간 trade - off를 고려한 최적화된 컨트롤러 설계

▶� 일반적으로 SSD 컨트롤러는 임베디드 프로세서, 펌웨어 메모리, 작업메모리, 외부DRAM 버퍼, 오류제어 로직, 플래시 및 호스트 인터페이스로 구성되며 [표 2-4]와 같은 기능을 수행함

▶� 임베디드 프로세서는 SSD성능을 좌우하는 가장 중요한 구성요소로 신뢰성, 내구한도, 성능, 보안 및 유연성을 위한 주요 기능을 수행하며, 이 중 일부는 성능 향상을 위해 별도의 전용 하드웨어로 구현 처리되기도 함

－� 신뢰성 확보를 위해서 ECC 지원, Bad block mapping, Read scrubbing 및 Read disturb 관리

－� 내구한도 확보를 위하여 플래시메모리 각 셀의 액세스 빈도를 전체적으로 균일하게 함으로써 메모리 수명 단축을 방지하는 Wear leveling

－� 보안을 위한 encryption과 성능 향상을 위한 Read/write caching 및 garbage collection

－� 유연성 확보를 위한 다양한 폼팩터와 벤더의 플래시메모리 수용 가능한 LBA (Logical block address) 테이블 관리 기법 및 유니버설 컨트롤러 호환성 기술

[표 2-4] SSD 컨트롤러 구성 요소

컨트롤러 구성 요소 설명

임베디드 프로세서-� 최근 32비트 CPU가 사용되며, SSD 고성능화를 위해 다중 CPU화 추세에 있음-� 플래시 메모리 어플리케이션을 위한 펌웨어 구동, Wear leveling, 보안 관련 기능 등을 수행함

오류 제어 (ECC)-� 플래시 메모리를 읽고 쓰는 과정에서 잡음, 디바이스 결함 등에 의해 발생하기 쉬운 오류를

감지하고 정정하는 로직으로서, 별도의 하드웨어를 추가하여 오류 정정에 대한 신뢰도를 향상

플래시 메모리 컨트롤러-� 다중 낸드플래시 메모리의 데이터 전송, 버스 제어 등을 수행하며 통상 8비트 Open NAND

Flash Interface(ONFi)와 16개 이상의 플래시 메모리 컴포넌트 지원

DRAM 컨트롤러 -� 호스트와 낸드플래시 사이의 데이터 완충 역할을 하는 DRAM 버퍼를 제어

호스트 인터페이스-� SATA, SAS, PCIe와 같은 고속 호스트 인터페이스 규격을 지원하는 물리계층 회로와 전송

프로토콜 지원하는 로직으로 구성

컨트롤러 메모리 -� 임베디드 프로세서가 펌웨어를 저장하고 작업에 필요한 메모리로 활용

범용 I/O (GPIO) -� 응용처에 따라 프로그램 가능한 여분의 입출력 포트

최적의 시스템 Throught를 위한 인터페이스 간 Bandwidth 엔지니어링

▶� [그림 2-3]에서 보는 바와 같이 호스트인터페이스 규격으로는 기존 HDD에 사용되던 SATA, SAS, USB, PCIe 등의 인터페이스가 있으며, 최신 규격인 SATA3.0은 최대 6 Gbps의 데이터 전송을 지원

[그림 2-3] SSD 내부구조와 데이터 트래픽 균형을 위한 bandwidth 엔지니어링

▶� 낸드플래시 인터페이스 규격으로는 시장 1, 2위 업체인 삼성전자와 도시바가 지원하는 토글모드(Toggle mode) 규격과 하이닉스, 인텔, 마이크론 등이 참여하는 Open NAND Flash Interface Working Group에서 제정하는 ONFi 규격 존재

－� 하나의 플래시 다이(die)는 비동기 모드에서 40~50MByte/s로 프로그램될 수 있는 데 비해 동기식 인터페이스가 가능한 ONFi2와 토글모드 DDR1에서는 채널당 133MByte/s, 최신 ONFi3과 토글모드 DDR2 규격에서는 채널당 400MByte/s로 플래시 인터페이스 성능이 향상됨

[그림 2-4] SSD 병렬채널 모델 및 ECC-free 구조

채널 1 : 낸드버스1(ONFi, 토글모드)




낸드플래시메모리




ECC

ECC

ECC

ECC

SSD 컨트롤러

호스

트 I/

F

플래

시 M

gmt.






ECC SP

SSD 컨트롤러

호스

트 I/

F

플래

시 M

gmt.


ECC SP


ECC SP


ECC SP

* SP : Signal Processing

a) 낸드플래시 병렬채널 구조 b) ECC 및 신호처리 기능을 낸드플래시 메모리로 이관한 차세대 SSD 구조



메모리 병렬화 및 컨트롤러 기능 분산 기술 추세

▶� SSD성능은 일반적으로 [그림 2-4] a)와 같이 병렬적으로 채널을 증가시키거나 채널당 다수의 낸드플래시를 사용하여 성능을 증대할 수 있음

▶� 또한, 논리적으로 순차적인 데이터를 서로 다른 물리적 디바이스에 분산시켜 신속한 액세스가 가능한‘데이터 스트리핑(stripping)’기능 등 다양한 기술이 적용되어 성능 개선을 추구하고 있음

▶� [그림 2-4] b)와 같이 낸드플래시 집적도 증가와 MLC화에 따른 ECC기능 고도화 요구로 인해 새로운 낸드플래시 출시 때마다 컨트롤러를 새롭게 설계해야하는 문제가 발생하고 있어 이를 해결하기 위해 낸드플래시 내에 ECC와 물리 계층의 신호처리 일부 기능을 내장하는 ECC - free NAND 기술(예: 마이크론社의 ClearNAND)도 등장하고 있음

[표 2-5] SSD 컨트롤러 사양 비교

코드명 (사명)Van Goh (Marvell)

Barefoot (Indilinx)

Barefoot2 (Indilix)

Jetstream (Indilix)

JM612 (JMicron)

SF1500 (SandForce)

SF2200 (SandForce)

호스트 IF 속도

6Gbps 3Gbps 3Gbps 6Gbps 3Gbps 3Gbps 6Gbps

채널 수 8 4 8 16 8 16 16

공정 65nm 90nm 90nm 65nm 90nm 90/65nm

버퍼메모리 DDR2/3 MSDRAM LPDDR DDR2/3 DDR2/3 Embedded

대역폭 4.8Gbps 2.5Gbps 2.5Gbps 4.8Gbps 2.5Gbps 2.5Gbps

DRAM 1GB 128MB 256MB 1GB 256MB - -

AES(Encrypt ion)

지원 미지원 지원 지원 지원 지원 지원

ECC (1KB) 78-bit 16-bit (512B) 40-bit 40-bit 24-bit24-bit(512B)

55-bit (512B)

엔지니어링샘플

‘09년 3Q 08년 3Q 10년 2Q 11년 2Q 09년 2Q 09년 3Q

양산 10년 2Q 09년 1Q 10년 3Q 11년 3Q 09년 4Q 10년 2Q 11년 1Q

3. 성능 및 신뢰성 개선을 위한 SSD 컨트롤러 주요 기술

병렬 수행을 위한 Native command queuing (NCQ)

▶� 다중(128개~256개 이상)의 낸드플래시 메모리 다이(die)에 동시 프로그램을 위한 NCQ는 자동으로 command를 분류·추적하며 동적으로 대기열을 재배열(Out - of - Order)함

－� NCQ는 SATA 드라이브 사양의 일부로 호스트 시스템이 동시에 32개의 command를 관리하여 새로운 command이슈에 따른 운영체제(OS)의 대기 시간을 단축함

Garbage collection과 Block picking

▶� Garbage collection은 overwrite를 위하여 기존에 write된 Block을 비워주는 과정으로, erase할 Block수를 최소화 함으로써 성능을 개선

－ � [그림 2-5]와 같이 드라이브가 사용될 때 데이터는 변하며, 변경된 데이터는 block X 내의 다른 페이지에 write 되며, overwrite를 위해서는 page들의 집합체인 block X를 지우기 위해 Block 내 다른 Page들의 유효한 데이터들은 다른 Block으로 이동되기 때문에 메모리에 가해지는 write 횟수는 호스트가 요구한 것보다 증가하게 되어 write의 속도를 저하하는 요인으로 작용

●�� Cell : 하나의 비트 이상을 저장하는 단위, Page: 데이터가 write될 수 있는 가장 작은 discrete(이산) 단위, Block: 한 번에 지워지는 가장 작은 이산 단위로 통상 32, 64, 128페이지로 구성

[그림 2-5] Garbage Collection

－� 오래된 Block들은 새로운 데이터를 수용하기 위한 저장 공간을 제공하기 위해 지워지게 되는데, 이때 특정 위치의 셀들만 액세스됨으로써 플래시 셀의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위해 Wear leveling 기술이 적용됨

▶� Block picking은 garbage collection 중 recycle Block을 결정하는 과정으로 마모수준이 낮으며, 유효 데이터가 적은 Block을 기준으로 적절한 수준의 recycle이 요구됨

－� 새로운 Block에 write 되는 유효한 Page가 가장 적은 Block이 recycle에 가장 짧은 시간이 소요되며, 신뢰성이 저하되지 않도록 마모수준이 낮은 Block을 대상으로 적절하게 recycling 되어야 함

▶� TRIM이라는 OS command를 이용하여 SSD가 invalid한 데이터를 recycling 하는 불필요한 작업 수행을 차단함으로써 성능을 개선할 수 있음

－� SSD는 OS가 파일 할당에 활용하는 수 비트 정도의 테이블 만을 정보로 저장하며, 특정한 page의 정보가 삭제나 포맷으로 invalid 데이터를 유지하고 있음을 TRIM 명령어를 통해 인지함으로써 해당 invalid Page의 recycling을 차단 하여 성능이 개선



ECC(Error correction code) 지원

▶� 공정 미세화에 의한 셀 면적 축소와 MLC의 잡음 여유 감소로 인해 외부 요인에 의한 오류 발생 가능성이 높아져 플래시 메모리 Page의 여분 공간에 ECC를 할당

－� 주로 이진 BCH 부호가 사용되어 왔으나, 미국의 ECC Technology 사의 경우 非이진 부호인 Reed - Solomon 부호 사용에 대한 연구를 진행하고 있으며, 특히 Reed - Solomon 부호를 다차원(2D 또는 3D)으로 확장하여 Hyper MLC 기반의 고속 SSD 시스템에 적용하는 연구개발을 진행 중임

－� 최근 낸드플래시는 대용량 고집적을 위해 3 - bit MLC (TLC: Tri - level cell)가 사용되면서 오류 발생의 소지가 더욱 증가하여 오류 정정 능력이 탁월한 LDPC (Low Density Parity Check) 코드도 사용됨

●��미국의 Cyclic Design사는 2010년 1월 1Kbyte Block 당 32비트의 오류를 수정할 수 있는 BCH 부호 복호기를 발표함 종래 기술에서는 Block 당 512Byte를 기준으로 하고 있으나 오류정정부호의 길이가 길어질수록 같은 양의 부가정보로 더욱 높은 신뢰성을 제공함

－� 고사양의 컨트롤러는 더 많은 ECC비트를 저장하여 높은 데이터 신뢰도를 유지하고자 하나 이를 위해서 컨트롤러 복잡도가 증가함

Advanced error recovery와 End - to - end protection

▶� RAISE(redundant array of independent silicon elements) 기술은 ECC의 한계를 보완하고자 여러 플래시 다이(die)에 각각 write를 수행하는 방식으로, sector, page 및 block 수준의 실패에서 회복 가능하게 하는 SandForce 社의 기술임

－� 서로 다른 다중의 플래시 다이에 write를 수행하는 것으로 RAID(Redundant Array of Independent Disks)의 개념과 유사하며, RAISE는 각각의 다이를 RAID에서의 개별 디스크 드라이브처럼 다루는 기술임

－� SandForce 社의 SSD 컨트롤러 ([그림 2-6] )는 낸드플래시 채널의 활성 상태를 능동적으로 모니터링 하여 낸드플래시에 데이터를 요구하는 횟수를 감소시킴으로써 대용량 외부 DRAM 대신 컨트롤러 칩 내 소용량 버퍼로 이를 대체 가능하게 함

－� 또한, 동 社는 상기 언급되었던 ECC를 포함하여 SSD의 신뢰성과 내구연한 증진을 위한 낸드플래시 관리기술을 DuraClass로 총칭하여 발전시키고 있음

▶� End - to - end protection은 낸드플래시에 write 된 데이터와 호스트로 보내진 같은 위치의 데이터를 비교하여 데이터의 신뢰성을 보장하는 기술임

－� 호스트가 데이터를 SSD에 요청 시, 처음 도착 데이터에 end - to - end protection 정보를 추가함으로써 추후 드라이브 에서 해당 데이터를 재전송하는 경우에 end - to - end 정보를 비교함으로써 다중의 보호 메커니즘을 형성하여 신뢰성 보장

[그림 2-6] SandForce社의 SF-2000계열 SSD 컨트롤러 내부 블록도

Read disturb 관리

▶� Read disturb 관리기술은 일정 횟수 이상 특정 셀에서 read가 발생하면 그 셀의 데이터를 다른 셀로 옮기는 역할을 수행하여 해당 셀의 전압 수준이 흔들려 데이터의 손상을 방지하기 위한 기술로 본 기술을 적용하는 시점과 대상 셀 설정 등에 고도의 난이도가 있음

온도 관리

▶� 플래시 메모리나 컨트롤러에서의 과도한 발열로부터 SSD의 영구적 손상을 방지하기 위하여, SSD 전체 온도가 특정 온도 이상으로 상승하는 경우 write 속도를 저하시키는 기술로 write 동작전체에 영향을 미치지 않으면서 write 속도를 제어하는 기술이 주요 핵심 기술임

Bandwidth 엔지니어링

▶� [그림 2-3]에서 주지한 바와 같이, 낸드플래시 메모리와 호스트 인터페이스(SATA, SAS, PCIe, USB 등) 사이의 데이터 bandwidth 확대와 균형을 통한 효과적 성능 향상을 위한 공학적 노력을 의미

－� 최적의 시스템 경쟁력은 전체 시스템 성능 향상 관점과 자원의 효율적 구현과 배분을 고려해야 함

▶�CPU 성능, 버스 구조, DMA(Direct Memory Access) 컨트롤러, 펌웨어 채널 병렬화 방식도 포함됨

－� 최근 채널 병렬 처리를 위해 다중 CPU, 다중 DMA 컨트롤러, 다중 계층 버스 구조로 고도화되는 추세임

▶� 버퍼는 DDR2급 이상이 사용되며, DRAM의 사양을 고려한 가격 효율적 DRAM 버퍼 설계 기법도 연구되고 있음

－� 이외에도 DRAM의 버스트 모드를 적용하거나 낸드플래시 데이터 종류에 따라 Sector 단위가 아닌 Page단위의 DRAM 액세스 기법도 연구된 바 있음



4. SSD 시장 동향

낸드플래시 기반 스토리지(플래시카드, USB 드라이브 및 SSD) 시장 현황 (’10년)

▶� 플래시카드 시장은 2010년 전년 대비 10% 성장한 84억$ 시장을 형성하였으며, 휴대폰에 쓰이는 마이크로 SD 카드가 주요 제품군으로 미국의 SanDisk 社가 이 시장을 선도하고 있음

▶� USB 플래시 드라이브 시장도 2009년 대비 10% 가까이 물량이 증가하여 2억 8천만 개 이상이 생산되었으나, 지속적인 낸드플래시 가격 하락으로 매출액은 6% 감소하였으며, Kingston 社가 주도하고 있음

▶� 전체 SSD 시장은 2010년 매출액이 24억$로 전년 대비 약 2배(97%)정도로 성장하였으며, PC 계열(태블릿 등 포함)이 전체 SSD 시장의 약 49%를 점유

－� 서버 및 PC 용 SSD는 지속적인 고속 성장을 하고 있으며, PC용 SSD는 삼성이 약 30%의 점유율을, STEC이 서버 시장에서 20.6%의 점유율을 각각 보이고 있음

[표 2-6] 세계 주요 SSD 생산기업 현황

Rank(2009)

Rank(2010)

VendorRevenue

($K, 2009)Revenue

($K, 2010)Change

(%)Market Share

(%, 2009)Market Share

(%, 2010)

1 1 Samsung 293,264 421,370 43.7 24.0 17.5

3 2 Intel 126,531 332,660 162.9 10.3 13.8

4 3 Toshiba 91,373 321,675 252.0 7.5 13.3

2 4 STEC 252,145 215,427 -14.6 20.6 8.9

5 Google 146,659 6.1

6 6OCZ Technology

Group26,816 102,223 2.2 4.2

7 NetApp 91,281 3.8

5 8 Fusion-io 42,341 78,269 84.9 3.5 3.2

9 Kingston 69,815 2.9

10 Micron 56,232 2.3

Others 390,715 577,077 47.7 31.9 23.9

Total 1,223,185 2,412,687 97.2 100.0 100.0

* 출처 : Gartner, Market Share-Flash Cards, USB Flash Drives and Solid-State Drives, Worldwide, 2010 (March 2011)

SSD 시장 분석

▶� SSD 시장은 급격히 성장하고 있으나 여전히 성장의 걸림돌은 가격이며, HDD 대비 비트당 가격이 10배 이내면 시장 확산이 가속화될 전망

▶� [표 2-7]과 같이 낸드플래시 기반 SSD 수요 제품군은 5개 정도로 분류됨

－� Entry - level PC SSD: 가격에 극히 민감한 세그먼트로 넷북(Netbook)이 이에 해당됨

－� Main - stream PC SSD: 용량, 성능, 내구성 개선을 목표로 하는 태블릿, 울트라북, 노트북, 데스크톱 PC 시장

－� Enterprise 서버 SSD: 강력한 성능과 신뢰성이 필요한 시장으로 SSD는 스토리지 전체에서 가속기 역할로 서버의 전용 슬롯에 DIMM (Dual in - line memory module)으로 탑재되는 추세

－� Enterprise 스토리지 SSD: 1TB 이상의 용량이 요구될 수 있으며 탁월한 성능보다는 강력한 신뢰성을 요구하는 외장 컨트롤러 기반 아키텍처의 배타적 전용 스토리지 시스템

－� Industrial SSD: 네트워킹, 군수, 항공 우주, 산업용에 쓰이는 강력한 성능과 내구성(열, 습기, 외부 충격에 강인해야 하는 특성)이 요구됨

▶� 낸드플래시 기반 SSD 시장에 새로 진입하는 기업은 100여 개가 넘을 것으로 예상되나, 매출의 75%이상은 가격경쟁력을 갖추는 상위 10개 사에서 발생될 전망

[표 2-7] 제품군 및 용량별 SSD 시장 현황(’10년)

Entry-Level

PC($K)Main-stream

PC($K)Enterpr ise Server($K)

Enterpr ise Storage($K)

Industrial($K)

Total($K)

<64MB - - - - - -

128MB - - - - - -

256MB - - - - - -

512MB - - - - 333 333

1GB - - - - 7,398 7,398

2GB 55 - - - 22,022 22,077

4GB 460 - - - 19,574 20,033

8GB 5,979 - - 35 23,377 29,391

16GB 10,938 - - 38 24,154 35,131

32GB-63GB 15,258 105,836 81,516 1,105 22,824 226,539

64GB-127GB 2,188 314,121 106,157 15,705 25,080 463,251

128GB-255GB - 499,896 160,283 55,594 35,454 751,227

256GB-511GB - 226,561 95,165 112,849 6,639 441,215

512GB-1023GB - 47,413 114,020 124,248 3,120 288,801

≥1TB - - 38,840 88,451 - 127,291

Total 34,879 1,193,827 595,982 398,026 189,973 2,412,687

* 출처 : Gartner, Market Share-Flash Cards, USB Flash Drives and Solid-State Drives, Worldwide, 2010 (March 2011)



PC 계열 SSD 시장 동향

[표 2-8] 포터블 및 데스크톱 PC의 스토리지 구성 예측

a) 포터블 PC의 스토리지 구성 b) 데스크톱 PC의 스토리지 구성

* 출처 : IDC, worldwide Solid State Storage 2011-2015 Forecast Update (June 2011)

▶� 태블릿과 일부 하이엔드 노트북에는 순수 SSD 그 외 PC 시장에서는 HDD와 결합된 하이브리드 형태로 채용될 전망임

－� 향후 윈도우즈8의 도입으로 태블릿, 울트라북의 캐싱 능력을 순수 SSD로 SSD와 HDD를 동시에 탑재하는 Dual - Drive와 하이브리드 HDD의 수요가 포터블 PC 등 에서 증가할 것으로 전망됨

－� ’12년부터 소형 PC 제조사들이 SSD를 1$/GB로 구입 가능할 것으로 전망되어, 빠른 부팅속도, 저 전력 및 콤팩트한 디자인이 주요 지표인 소형 PC에서의 SSD 도입이 급증할 것으로 판단됨

▶� 반면, 데스크톱 PC에서는 대용량이면서 저가인 HDD가 여전히 장점으로 작용해 SSD에 대한 수요가 급격하게 증가 하지는 않을 것으로 예측됨

세계 SSD Storage 시장 동향

▶� 향후 SSD 제품군별 시장은 휴대폰, 소형가전기기, 포터블 PC 등 이동성이 주요 팩터인 제품과 e - MLC등 고성능이 요구되는 기업용 스토리지 분야를 중심으로 SSD 수요가 크게 증가할 것으로 전망됨

－� ’15년 SSD 적용 제품 생산량의 약 62.6%를 포터블 PC가 차지할 것으로 예측되며, ’15년 생산량이 약 7천만대 이상 으로 연평균 생산량이 70% 이상 증가할 것으로 전망

－� ’10년 ~’15년까지 SSD 생산량은 매년 평균 51.1%, 매출액은 매년 평균 36.8% 증가할 것으로 전망되며, SSD 적용 소비가전(스마트폰, 휴대용 멀티미디어기기 등) 제품군의 수요가 ’15년까지 매년 평균 98.5%로 급증할 것으로 예측됨

[표 2-9] SSD storage 시장 전망(세계)

(단위: 1,000 Unit)

’10년 ’11년 ’12년 ’13년 ’14년 ’15년’10-’15

CAGR(%)

데스크톱 PC 417.3 802.5 1,200.3 1,551.0 2,161.4 2,505.9 43.1

포터블 PC 5,140.1 13,109.3 28,268.8 41,624.4 55,449.7 73,283.8 70.1

Dual-drive PC 453.1 2,774.3 7,989.1 11,094.4 15,466.4 N/A

소형 노트북 PC 1,182.8 599.6 369.6 341.0 332.4 330.5 -22.5

소비 가전제품 279.9 669.9 1,077.1 2,786.6 5,037.7 8,632.1 98.5

Enterprise MLC 354.2 1,169.0 2,014.4 3,130.0 4,650.1 6,710.2 80.1

Enterprise SLC 355.0 763.6 773.6 942.1 1,095.3 1,132.8 26.1

Enterprise DRAM 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 -0.7

산업용 6,634.6 7,663.3 7,868.8 8,193.2 8,462.1 8,665.9 5.5

군수용 313.2 314.5 337.8 360.3 377.7 401.7 5.1

총계(대수, 천대) 14,677.7 25,545.3 44,685.2 66,918.2 88,661.3 117,129.9 51.5

금액($M) 2,444.0 5,010.0 6,681.3 8,067.6 9,830.2 11,709.7 36.8

평균가격($/대) 167 196 150 121 111 100 -9.7

용량(TB) 769,500 2,124,533 4,525,370 7,819,858 12,234,160 18,731,449 89.4

* 출처 : IDC, worldwide Solid State Storage 2011-2015 Forecast Update (June 2011)



5. 결론

낸드플래시 기반 SSD의 우수성

▶� SSD는 고가의 핸디캡에도 불구하고 HDD 대비 성능, 폼팩터, 내구성, 발열, 소음 및 전력 소모 면에서 매우 우수한 신흥 저장장치임

－� 낸드플래시 기반 SSD는 포터블 PC 및 소형정보기기 시장의 니즈에 적합한 필수 저장장치로 자리매김 하고 있음

최상의 SSD성능을 위해 시스템반도체 및 소프트웨어 기술이 요구되는 컨트롤러

▶� 병렬처리, 오류제어, 고속 데이터 전송, 내구연한 향상, 유연성, 보안 암호화 등을 처리하는 하드웨어와 소프트웨어를 내장한 SSD 컨트롤러가 경쟁력의 핵심 요소

[표 2-10] 컨트롤러 주요 역할

컨트롤러 구성 요소 주요 역할

임베디드 프로세서ECC지원, Garbage collection, Block picking, Bad block mapping, Read scrubbing 및

Read disturb 관리, Wear leveling, LBA, 보안 관련 기능 등

오류 제어 (ECC) 잡음, 디바이스 결함 등에 의해 발생하기 쉬운 오류를 감지 및 정정

플래시 메모리 컨트롤러 다채널 메모리의 데이터 전송, 버스 제어

DRAM 컨트롤러 DRAM 버퍼를 제어

호스트 인터페이스 SATA, SAS, PCIe와 같은 물리계층 회로와 전송 프로토콜 지원 로직

컨트롤러 메모리 임베디드 프로세서가 펌웨어를 저장 및 작업에 필요한 메모리로 활용

범용 I/O (GPIO) 응용처에 따라 프로그램 가능한 여분의 입출력 포트

메모리반도체 최고 경쟁력을 바탕으로 SSD 시스템반도체 경쟁력 확보 기대

▶� ’15년까지 SSD는 매년 평균 51.1%, 매출액은 매년 평균 36.8% 증가할 것으로 전망되는 고도성장 분야로 우리나라가 보유한 최고의 메모리반도체 기술

－� 정부 및 민간에서 시스템 아키텍처, 회로, 패키징에 이르는 설계/검증 기술 및 관련 임베디드 SW 개발을 지원함으로써 신 성장 동력으로 육성 필요

[참고문헌]

1. “Flash 및 DRAM-SSD 성능 이슈 및 효율적 적용 기술”, 정승국, 2011.06, 전자신문

2. “울트라북 하이브리드 HDD 70% 차지할 것”, 2012.01.12, zdnet 기사

3. “차세대 SSD 핵심 기술 동향과 국내 관련 생태계에의 조명”, 원유집, 2011.06, 전자신문

4. “SSD with Hybrid NAND”, Bob Chang, 2011, Flash Memory Summit

5. “ SSD 스토리지 시스템을 위한 효율적인 DRAM 버퍼 액세스 스케줄링 기법”, 박준수, 황용중, 한태희, 2011. 7, 대한전자공학회 논문지 SD편 48권 7호

6. “Solid State Storage Overview”, Khaled Amer, 2010.4, SNIA

7. “Key Challenges in SSD Controller Development”, Kent Smith, 2011.1.17, Electronic design

8. http://en.wikipedia.org/wiki/Ssd

9. “SSD 컨트롤러 최적 설계 기법”, 이두진, 한태희, 2011.08, 대한전자공학회 논문지 SD편 48권 8호

10. “ SSD 성능 향상을 위한 DRAM 버퍼 데이터 처리 기법”, 임광석, 한태희, 2011.07, 대한전자공학회 논문지 SD편 48권 7호7호

[국내·외 주요 기술개발 현황]

연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간

한양대학교대용량 MLC SSD 핵심기술 개발

-� 모리 특성에 최적화된 SSD (Sol id-State Dr ive) 핵심 요소기술의 선행 연구 개발을 수행하여 대용량 SSD용 단일 칩 콘트롤러 SoC (System-on-Chip)와 이를 이용한 SSD의 개발

2010.1 ~ 2015.2

ETRI

에너지 절감 및 입출력 속도 향상 가능한

DRAM-SSD/HDD 하이브리드 스토리지

시스템 및 관리 솔루션 개발

-� DRAM-SSD 4TB급 기반 1,500,000 IOPS 및 15,000MB/s성능과 스토리지 인터페이스(FC, Inf iniband, iSCSI)별 볼륨 관리기능을 지원하는 DRAM-SSD/HDD 하이브리드 스토리지 시스템 및 관리 솔루션 개발

2011.1 ~ 2015.2

Documents

SSD(Solid - state Drive) 기술 및 시장 동향 - SKKUhome.skku.edu/~mobiletech/201203_SSD.pdfPD ISSUE REPORT MARCH 2012 VOL 12-2 ISSUE 2 SSD(Solid-state Drive) 기술 및 시장