삼성전자 SSD 840 EVO 신제품 발표회 및 성능테스트

삼성전자는 7월 18일 서울 웨스턴 조선호텔에서 열린 'Samsung SSD Global Summit 2013'라는 이벤트를 개최하였다. 

메인스트림 SSD "840 EVO'제품을 발표했으며, 향후에는 PCI Express 기반의 SSD제품에 집중해 나가는 미래 로드맵 등에 대해서도 설명했다. 

이번에 발표된 840 EVO 스펙사양은 아래와 같다. 이번 840 EVO는 840노멀제품을 개선한 제품으로 19나노 TLC메모리가 탑재되었다.

▲이쁜모델이 삼성 840 EVO제품을 들고있다.

<삼성840 삼성840 EVO 삼성840프로 풀스펙비교>

	삼성 840			삼성 840 EVO					삼성 840 프로
용량	120GB	250GB	500GB	120GB	250GB	500GB	750GB	1TB	128GB	256GB	512GB
낸드플래쉬 종류	TLC			TLC					MLC
낸드플래쉬 규격	Toggle 2.0 (400Mbps)			Toggle 2.0 (400Mbps)					Toggle 2.0 (400Mbps)
낸드플래쉬  제조공정	21nm			19nm					21nm
SSD 컨트롤러	MDX (3코어,ARM Cortex-R4 300Mhz)			MEX (3코어, ARM Cortex-R4 400Mhz)					MDX (3코어,ARM Cortex-R4 300Mhz)
버퍼 메모리	256MB	512MB LPDDR2-1066		256MB           512MB LPDDR2-1066			1GB LPDDR2-1066		256MB	512MB LPDDR2-1066
전송 규격	SATA 6Gbps (사타3)
AES 256bit  암호화지원	X			○					○
순차읽기	530 MB/s	540 MB/s	540 MB/s	540 MB/s	540 MB/s	540 MB/s	540 MB/s	540 MB/s	530 MB/s	540 MB/s	540 MB/s
순차쓰기	130 MB/s	250 MB/s	330 MB/s	410 MB/s	520 MB/s	520 MB/s	520 MB/s	520 MB/s	390 MB/s	450 MB/s	450 MB/s
랜덤읽기  (QD32, 4KB)	86,000 IOPS	96,000 IOPS	80,000 IOPS	94,000 IOPS	97,000 IOPS	98,000 IOPS	98,000 IOPS	98,000 IOPS	97,000 IOPS	100,000 IOPS	100,000  IOPS
랜덤쓰기  (QD32, 4KB)	32,000 IOPS	62,000 IOPS	36,000 IOPS	35,000 IOPS	66,000 IOPS	90,000 IOPS	90,000 IOPS	90,000 IOPS	90,000 IOPS	90,000 IOPS	90,000 IOPS
랜덤읽기  (QD32, 1KB)	7,900 IOPS	7,900 IOPS	7,900 IOPS	10,000 IOPS	10,000 IOPS	10,000IOPS	10,000 IOPS	10,000 IOPS	9,800 IOPS	9,900 IOPS	9,900 IOPS
랜덤쓰기  (QD32, 1KB)	29,000 IOPS	29,000 IOPS	29,000 IOPS	33,000 IOPS	33,000 IOPS	33,000IOPS	33,000 IOPS	33,000 IOPS	31,000 IOPS	31,000 IOPS	31,000 IOPS
평균고장시간	150만 시간
보증기간	3년			3년					5년

▲전체적으로 다크실버색상이다.

▲타 회사제품도 1TB SSD제품(MLC)은 있어왔지만 삼성도 840 EVO제품부터 최대 1TB 용량을 제공한다.

 TLC로 1TB를 구성한건 아쉽다.

케이스를 벗겨보면 아래와 같다.

삼성 19nm TLC

ARM Cortex-R4 400Mhz MEX컨트롤러탑재

왼쪽부터 120GB, 500GB 1TB

120GB (64GB낸드 2개 구성)

250GB (128GB낸드 2개 구성)

500GB (128GB낸드 4개 구성)

750GB (96GB낸드 8개 구성)

1TB (128GB낸드 8개 구성)

▲삼성 840 EVO 가격정보

베이직버전은 120 ~ 1TB까지 

노트북버전은 250 ~ 500GB까지

데스크탑버전은 120 ~ 250GB까지 출시된다.

성능에 차이가 있는것이 아니라 번들로 제공되는 악세사리의 차이다.

▲베이직버전

SSD와 설명서, 소프트웨어CD, SSD스티커가 제공된다.

▲노트북버전은 베이직버전에서 스페이서와 SATA-USB 3.0 변환젠더가 제공된다.

스페이서는 노트북모델에 따라 장착되는 높이가 7mm ~ 9.5mm로 다르기 때문에 장착시 끼우는것이다.

SATA-USB 3.0 변환젠더는 외장하드처럼 쓸 수 있게 만들어주며

노트북장착시 하드디스크의 데이터를 SSD로 마이그레이션 할 때 유용하게 쓰인다.

▲데스크탑 버전은 

컴퓨터케이스 장착시 필요한 3.5인치 변환브라켓이 동봉되고 SATA-USB2.0 변환케이블, 사타케이블이 제공된다.

 ▲ 삼성 840 SSD와 840 EVO 의 특징비교

　

840 EVO는 "840"의 후속제품으로, 지난 2012년 840와 동시 발표된 "840 PRO"가 기업용 또는 하이엔드타겟으로 출시된 반면 840 EVO는 메인스트림 전용이된다. 

하드웨어적으로 보면 840 PRO와 840 EVO의 가장 큰 차이점은 전자가 MLC메모리를 사용하는 반면, 후자는 TLC를 이용하고있는 점이다.

　하나의 NAND 플래시셀에 3bit를 기록하는 TLC는 MLC에 비해 특히 연속 쓰기성능이 크게 하락하는데. 실제로도 TLC 채용한 840와 MLC 채용한 840 PRO는 그런 성능 차이가 나고있다. 그러나 840 EVO는 신기술 탑재로, 840 PRO와 동등하게까지 성능을 끌어 올리고있다. 한편, TLC 채용에 의해, 합리적인 가격으로 최대 용량을 1TB까지 끌어 올리고있다. 이 점이 840 EVO의 특징이다.

　840 EVO의 고속화는 "TurboWrite"라는 기술에 썼기 때문이다. SSD는 내구성/신뢰성을 높이기 위해 전체 20 ~ 30 %의 공간을 예비영역(Over Provisioing)으로 확보하고있다. 이 공간만큼 기록 영역은 줄어들지만 일반적으로 사용하는 영역에 불량이 발생해도 예비 영역으로 대체하여 사용하는 것으로, 그 SSD를 계속 사용할 수있다. 특히 TLC는 MLC에 비해 수명의 신뢰성이 떨어지므로 이 기능을 사용하여 안정성을 유지하고있다.

　터보쓰기(TurboWrite)에서는 이 예비 영역 안의, 또한 일부 공간을 버퍼로 사용하는 기술이다. 

버퍼크기는 128GB/250GB는 3GB, 500GB는 6GB, 750GB는 9GB, 1TB는 12GB를 버퍼로 활용한다. 

이 버퍼 영역은 다른 영역과 달리, 본래 TLC셀인데  SLC과 유사하게로 이용한다. 예를 들어, 1TB 모델에서 버퍼로 확보되고있는 것은, 36GB이지만 이를 SLC방식으로 시뮬레이션 취급하기 때문에 크기는 12GB가되지만 그만큼 빠르게 액세스 할 수있다. 그러면 연속 쓰기 속도는 520MB/s (120GB 모델은 410MB/s)와 SATA 6Gbps 인터페이스의 이론 값에 가까운 수준까지 증가되었다.

　원리적으로 버퍼의 크기를 초과한 연속 쓰기가있을 경우 TurboWrite은 일시적으로 비활성화되고 그 사이 성능은 120GB가 140MB/s, 250GB가 270MB/s, 1TB가 420MB/s로 줄어들게 된다. 그러나 그렇게해도 버퍼에서 메인 SSD에 쓰기완료에 걸리는 시간은 10초 전후로 그 시간을 기다리면 다시 TurboWrite가 작동한다.

또한 가장 작은버퍼를 쓰는 120GB제품에서도 버퍼는 3GB가 있으며, 삼성전자는 일반용도로 이 크기를 초과하여 한 번에 쓸 상황은 드물기 때문에 거의 항상 TurboWrite가 작동한 상태에서 성능을 낼 수 있다고하고있다. (대용량의 단일파일은 보통 블루레이 영화파일이 5GB를 초과한다)

　또한이 버퍼는 미리 정해진 공간에 고정되어 웨어 레벨링(wear-leveling)과 같은 분산 처리는 행해지지 않는다. 버퍼 영역에 불량이 발생한 경우 TurboWrite는 사용할 수 없게된다. 그러나 SLC처럼 1bit로 취급하므로 셀당 10만회 정도 쓰기가 가능하며, 삼성전자에서는 일반적인 용도로는 수명에 문제는 발생하지 않는다고 설명하고 있다.

▲ TurboWrite 기술은, 예비 영역의 일부를 SLC 시뮬레이션 취급으로 버퍼로서 이용한다.

▲용량에 따른 버퍼사이즈 설명

▲840과의 비교한 순차속도 비교.

터보쓰기덕분에 쓰기성능이 비약적으로 향상되었다.

▲버퍼가 가득차면 하단에 나온 속도로 떨어지게 된다.

　이 밖에 840 EVO는 840에서 채용하는 NAND 플래시 메모리 컨트롤러 펌웨어도 진화하고 랜덤읽기 성능도 끌어 올리고있다. 

구체적으로, NAND 플래시 메모리는 2xnm 세대에서 1xnm 세대가되고 컨트롤러는 동작속도가 300MHz의 MDX에서 400MHz의 MEX (ARM Cortex-R4, 3 코어)로 변경. 또한 750GB 및 1TB 모델은 1GB의 대용량 캐시 (LPDDR2)를 가진 (250/500GB는 512MB, 120GB는 256MB). 

이들, NAND 플래시 메모리, SSD 컨트롤러 펌웨어 등은 모두 삼성전자 제품이다. 덧붙여 여기서 말하는 1xnm는 19nm 인 것이 밝혀졌다.

▲콘트롤러의 고속화, 알고리즘의 개선등에 의해, 4 KB QD1 랜덤 읽기 성능은27% 향상

또한 더욱 미세해진 제조공정에 따라 낮아진 신뢰성을 끌어 올리기위한 신호 처리 기술 외에도 온도 모니터링에 의한 제어 기능도 탑재. 

840 EVO는 동작 보증 온도가 840의 50 ℃에서 70 ℃로 증가하고 있지만, 온도 센서가 70 ℃를 초과하는 경우에는 전송 속도를 떨어 뜨리는 등, 냉각을 도모하고, 데이터 오류가 발생하지 않도록 하고있다.

　메인 스트림 전용이지만, AES 256bit 암호화 기능을 탑재하였으며 또한 9월에 제공 예정의 새로운 펌웨어에서 TCG/Opal 및 eDRIVE라는 암호화 기능을 지원한다. 

또한 이것은 현재 840 PRO제품에서도 지원될 예정이다

.

　또 840 EVO 특징으로 소개된 것이, 번들로 제공되는 소프트웨어의 기능이다. 그 중 하나가 SSD 관리유틸리티 "Magician" 이 소프트웨어는 드라이브 상태 모니터링 외에도 벤치마크 성능 최적화, OS의 최적화, 보안 데이터삭제 등을 할 수 있지만, 버전 4.2에서는 새로운 "RAPID Mode '가 추가된다.

　RAPID Mode는 읽기속도와 쓰기속도의 최적화를 실시하는 것으로, PC의 DRAM메모리를 캐시로 사용하는 것으로, 고속화를 도모한다. 

또한 읽기속도에 대해서는, OS의 캐쉬의 보완이나, 빈번히 이용되는 데이터의 페치도 실시한다.

▲Magician의 벤치마크 결과. 

윗부분이 OFF상태

아랫부분이 RAPID Mode 상태에서 측정

▲CrystalDiskMark의 결과.  250GB모델로 테스트했다.

RAPID Mode OFF상태이지만 컨트롤러와 버퍼향상으로 4K성능은 840프로보다 더 뛰어나다.

오른쪽이 RAPID Mode 상태 

램디스크 원리를 적용하여 4K속도가 폭발적이다.

　이 RAPID Mode의 효과를 보여주는 데모도 행해졌는데 연속 액세스는 SATA 6Gbps의 대역폭을 훨씬 웃도는 1,000 MB/s 속도를 실현. 

랜덤쓰기속도도 445MB/s라는 연속 액세스에 가까운 수치를 쫓아 있었다. RAPID Mode는 그 원리상, DRAM에서 SSD에 기록이 끝나기 전에 시스템이 종료하면 데이터가 손실 될 수 있지만, 소비자 용도로는 얻는 장점이 더 클 것이다.

　이 밖에 HDD에서 SSD로 데이터를 이식할 때 쓰이는 "Migration 2.0"도 기본제공된다.

이제 삼성 840 EVO제품에 관한 설명을 마치고 삼성이 말하는 SSD로드맵에 대해 들어보자.

이번 설명은 메모리 마케팅 담당 부사장인 짐 엘리엇씨가 맡아 현재 SSD를 둘러싼 상황에 대해 설명했다.

　현재 낸드플래시는 SSD 이외에도 각종 메모리카드와 스마트폰/태블릿 등의 스토리지 등 다양한 기기에 탑재되고있다. 앞으로도 년간 45%의 성장이 전망되고 있으며, 2015년에 출시된 용량은 미국의 총 인구 × 256GB에 이른다고한다. 그리고, 모든 NAND의 용도에서 SSD의 비중은 2012년에 44억 GB로 전체의 16%였던 것이 2016 년에는 330억GB로 전체의 26%까지 성장할 것으로 전망되고있다 . 삼성전자는 SSD를 위한 이러한 글로벌 발표회를 개최하는 것은 이번이 두 번째이지만, 배경에는 그러한 사정이있다.

　SSD를 채용하는 주요 기기는 모바일PC 그렇지만 모바일PC에 SSD를 채용하는 장점으로 엘리엇은 얇고, 가볍고, 반응성의 좋은 점, 저전력, 깨지기 어려운점을 꼽았다. 특히 랜덤 액세스 성능은 HDD의 200배 정도 빠르다.

　또한 엘리엇은 데이터센터에서도 SSD에 따라 큰 혜택을받을 수 있다고한다. 재차 설명 할 것도 없이 SNS의 보급으로 데이터센터에 대한 액세스는 날로 증가하고 있으며, SSD는 거기에서 요구되는 랜덤액세스 성능과 낮은 소비전력을 제공 할 수 있다고한다. 그러나 안전성을 중요시하는 서버시장에서 SSD의 수요는 아직 적고, 앞으로도 당분간은 클라이언트 PC가 주요 전장이된다.

계속해서 엘리엇씨는, 삼성전자의 SSD가 발전한 궤적을 되돌아 보았다. 

삼성전자는 2006년에 세계 최초의 SSD탑재한 PC에 삼성전자 SSD를 제공했습니다. 

2008년에 세계 최초의 MLC SSD제품을 양산하기 시작했으며 이로 인해 SSD의 용량당 가격을 40%나 낮췄다. 

2010년에는 세계 PC 제조업체 상위 10개사 중 8개사 제품에 채용되었고. 

2012 년에는 세계 최초로 TLC SSD를 투입하여 용량을 30%나 늘렸다. 이러한 예제를 바탕으로 엘리엇씨는 "Samsung SSD의 역사는 SSD의 역사 그 자체이다"고 말했다.

　덧붙여서, 삼성전자는 NAND 시장에서 40%의 점유율 (2012년 기준)를 자랑하며, OEM 및 소매를 포함한 전체 SSD 시장에서 2012년 동사 점유율은 46%, 2013 년 최근 결과가 51% 까지 차지하고 있다.

세계시장 낸드플래쉬 점율율

	2012년 3분기	2012년 4분기	2013년 1분기
삼성전자	36.1%	37%	38.5%
도시바	32.3%	31%	32.4%
마이크론	20.1%	14%	17.1%
하이닉스	11.2%	11%	12.1%

그리고 2013년에 삼성전자가 타사보다 앞서 주력하는 것은 PCI Express (PCIe)기반으로하여 성능 향상을 꾀한 제품이다. 이용가능한 레인 수 등에 따라 다르지만, PCIe는 6Gbps의 SATA보다 아득하게 대역폭이 넓기 때문에 SSD가 가지는 성능을 최대한으로 발휘할 수있다. (현재 사타3 대역폭 한계에 도달해 540MB/s가 최대이다)

840프로 후속제품이 나오지않은 이유도 이 대역폭문제와 관련이 깊다.

▲사타3 대역폭제한으로 인해 앞으로 큰 성능향상은 없다.

이제 PCI Express로 간다.

　이 PCIe 기반의 SSD에 대한 메모리 제품기획 및 애플리케이션 엔지니어링 팀 수석 엔지니어 케운스 조 씨가 해설을 행했다.

　SATA 대한 PCIe 기본 장점은 대역폭의 넓이와, 확장성, 낮은 지연시간, 에너지 효율 등이다.

　현재 SATA는 6Gbps (600MB/sec)까지이지만, PCIe는 Gen2.0의 경우 x1배속에서 1GB/sec된다. 또한 x4배속, x8배속, x16배속 등을 채용하면 더 대역폭은 넓어진 다. 지연문제는 SATA 컨트롤러를 통하지 않고 CPU와 직결하여 오버헤트을 줄일 수있다.

　이번에 발표된 840 EVO에 채용되고있는 삼성전자의 Toggle DDR 2.0 NAND 플래시는 400Mbps에서 4칩 8채널 1.6GB/sec의 속도를 낼 수있다. 이 경우 SATA에서는 병목 현상이 있지만 PCIe x2배속레인을 사용하면 성능을 최대한 발휘할 수있다. 단점은 현재의 PCIe 기본 컨트롤러는 다른 컨트롤러보다 소비 전력이 높은 것을 들 수 있지만, 성능도 몇 배 높기 때문에 결과적으로 전송속도 당 소비 전력은 낮아진다.

　소니가 앞서 출시한 'VAIO Pro 13 "에서는 M.2 형 SSD 옵션으로 PCIe 기본 유형을 선택할 수있다. 소니와 삼성전자 양측은 구체적으로 명시하지 않지만이 M.2 SSD는 삼성제품이며, 벤치마크 1000MB/s 이상의 순차성능이 확인되고있다. 삼성전자는 이미 6월에 "XP941"제품을 발표했다.

▲M.2 SSD 512GB PCIe 제품(XP941)은 연속 읽기속도가 최대 1400MB/s 성능을 발휘한다.

이 제품은 맥북에어와 소니 바이오 프로에 탑재된다.

　현재 일반적으로 메인보드 BIOS 및 OS에서 지원되지 않는다 문제가 있어, 클라이언트 PC용으로 PCIe 기본 SSD를 제품화하고있는 것은 삼성전자뿐이지만, 여기에 머무르지않고 더 고속화를 추진한다.

▲ M.2 SSD도 전시되고 있었다.

울트라씬 노트북에 탑재되는 모델이며 3코어 MDX 컨트롤러를 쓴다.

▲ M.2 SSD 벤치마크

이 제품은 사타3를 쓰지않고 PCIe 레인으로 연결된 제품

순차읽기 1033MB/s

순차쓰기 803MBs

하지만 4K속도향상은 없었다. 

　그 중 하나가 NVMe (Non-Volatile Memory Express) 인터페이스 채용이다. NVMe는 SSD를 위해 처음부터 만들어진 최초의 인터페이스료 삼성전자외에도 인텔 및 샌디스크, 마이크론들이 공동으로 수립한 규격이다. NVMe는 현재 AHCI에 비해 스토리지 액세스 대기 시간을 크게 줄일 수있다. 구체적으로는 SATA 약 12​​μs, PCIe + AHCI 약 7μs 걸리는 지연 시간이 PCIe + NMVe에서는 약 1μs으로 단축된다. 이것은 특히 랜덤 액세스에 효과가 4 배 정도 빠르게 할 수 있다고하고있다.

▲SSD를 위해 제정된 최초의 프로토콜 NVMe

　그리고 조씨는 NVMe을 채택하고 인터페이스를 PCIe Gen3.0의 x4배속으로한 차세대 M.2 SSD를 빠르면 올해 말에 출시할 예정임을 밝혔다. 

 PCIe Gen 3.0을 쓰는 데스크탑 유저는 극소수이기 때문에 당분간 이러한 PCIe 제품은 노트북PC에 내장된 형태로 출시될 것으로 생각된다. 

삼성전자는 4000MB/s 클래스의 순차성능을 목표로 개발중에 있다고 말했다.

▲서버용SSD XS1715

용량은 400GB, 800GB, 1.6TB

▲서버용SSD XS1715 실물사진

커넥터는 SFF-8639를 쓴다. 일반용도는 아니다.

　또한 서버용으로도 NVMe + PCIe Gen3 x4배속 모델로 2.5 인치 SFF-8639 인터페이스 채용, 순차 읽기속도 3000MB/s, 740,000 IOPS의 "XS1715"의 개발을 표명하고 있으며 연말에 출시될 예정이다. SAS 12Gbps 지원하는 차세대 제품도 2014년에 출시예정으로 개발에 힘쓰고 있다고 밝혔다.

인텔이 내년 6월에 출시하는 인텔 Z97 메인보드는 사타3를 대체하는 PCIe기반의 SATA Express가 최초로 탑재된다. 

기본적으로 1000MB/s에서 4000MB/s의 대역폭을 가지고 있으며 SSD시장은 또 한번의 도약의 계기가 될 전망이다.

▲삼성전자 SSD 로드맵

앞으로의 출시전망에 대해 알 수 있는데 840프로 후속제품은 없다. 

PCI-Express 기반으로한 제품이 2014년에 나올예정이다.