물리적 저장장치의 유형과 인터페이스 이해

전원이 꺼진 뒤에도 남는 데이터의 기반

물리적 저장장치는 데이터를 영구적 또는 반영구적으로 보관하는 하드웨어다. 휘발성 메모리와 달리 전원 공급이 끊겨도 데이터를 유지하며, 운영체제·응용프로그램·사용자 데이터를 장기간 보관한다.

RAM보다 접근 속도는 느리지만 더 큰 저장용량을 제공한다. 메모리 계층에서는 캐시와 메인메모리 다음 단계에 놓이고, 데이터는 일반적으로 섹터 또는 블록 단위로 읽고 쓴다.

저장장치는 접근 방식, 저장 매체, 연결 형태로 구분할 수 있다. 테이프는 순차 접근, HDD와 SSD는 직접 접근, 플래시 메모리는 임의 접근 방식에 해당한다. 매체는 자기·광학·반도체로 나뉘며, 연결 형태는 내장형·외장형·네트워크형이 있다. 현재 주류는 비휘발성 저장장치다.

자기 매체는 대용량 보관과 장기 아카이브에 남아 있다

HDD는 회전하는 자기 디스크인 플래터와 읽기·쓰기 헤드로 구성된다. 헤드가 디스크 표면의 자기장을 바꾸어 데이터를 기록하며, RPM·탐색시간·회전지연이 성능을 가르는 요소다. TB 단위의 대용량을 제공하고 비트당 가격이 낮지만, 기계 부품이 있어 고장 가능성이 있으며 충격에 취약하다.

자기테이프는 테이프를 순서대로 읽어야 하므로 접근시간이 매우 느리다. 대신 대용량 데이터의 백업과 아카이빙에 주로 사용되며, 장기보관 비용이 가장 낮은 저장매체다. 오프라인 보관이 가능해 물리적 격리를 통한 보안 강화에도 쓸 수 있다.

광학 디스크의 기록 방식과 활용 범위

CD, DVD, Blu-ray는 레이저 빔으로 광학 디스크 표면의 피트를 읽고 쓴다. CD는 700MB, DVD는 4.7~~17GB, Blu-ray는 25~~128GB 용량을 제공한다.

ROM(Read-Only Memory) 타입은 제조 후 수정할 수 없다. R(Recordable) 타입은 1회 기록할 수 있고, RW(ReWritable) 타입은 재기록할 수 있다. 광학 매체는 긁힘과 오염에 취약하지만 자기장의 영향을 받지 않는다.

ISO 표준에 따른 호환성을 갖추며, 소프트웨어와 멀티미디어 콘텐츠 배포 매체로 활용된다. 읽기 속도는 HDD보다 느리고 순차 읽기에 적합하지만, 소형·경량이라 이동과 보관이 쉽다.

SSD는 기계적 이동 없이 NAND 플래시에 접근한다

SSD는 전하 트랩 방식으로 데이터를 저장하는 NAND 플래시 메모리를 사용한다. 기계적 동작 없이 전기신호로 접근하므로 HDD 대비 수십배 빠르며, 위치에 관계없이 동일한 접근시간을 제공해 탐색시간 개념이 없다.

쓰기횟수에는 P/E Cycle 제한이 있지만, 웨어레벨링(Wear Leveling)으로 수명을 연장한다. HDD보다 전력소비와 발열도 낮다.

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NVMe(Non-Volatile Memory Express)는 PCIe 버스를 사용해 높은 대역폭과 낮은 레이턴시를 제공한다. SATA(Serial ATA)는 기존 HDD 인터페이스로, NVMe와 비교하면 속도에 제한이 있다. NVMe는 64K 큐에 64K 명령을 처리하고 다중 큐 기반 병렬처리를 지원하는 반면, SATA는 1개 큐에 32 명령을 처리한다.

USB 플래시 드라이브는 소형·경량이라 데이터 이동에 적합하다. 별도 드라이버 없이 즉시 인식해 사용할 수 있으며, 수GB에서 수백GB까지 용량이 다양하다. 전송속도는 USB 2.0·3.0·3.1 등 인터페이스 버전에 따라 달라진다.

저장 성능은 지연, 처리량, 신뢰성을 함께 본다

접근시간은 데이터 요청이 실제 읽기 또는 쓰기로 이어지는 시간을 구성하는 요소다. HDD에서는 헤드가 목표 트랙으로 이동하는 탐색시간과 목표 섹터가 헤드 아래로 회전하는 회전지연이 포함된다. 여기에 실제 전송시간, 컨트롤러 처리와 인터페이스 통신에 따른 오버헤드가 더해진다.

처리량은 연속 블록을 읽고 쓰는 순차처리량(MB/s)과 무작위 위치의 블록을 처리하는 임의처리량(IOPS)으로 구분한다. 동시에 처리할 수 있는 I/O 요청 수인 큐깊이도 영향을 주며, 디스크 캐시와 파일시스템 캐시는 성능을 높일 수 있다.

신뢰성은 평균 고장간격인 MTBF(Mean Time Between Failures), 읽기·쓰기 중 발생하는 오류 비율인 비트오류율(Bit Error Rate), SSD의 TBW(Total Bytes Written)로 보는 수명, 전원 없이 데이터를 보존하는 데이터보존기간(Data Retention)으로 평가한다.

연결 방식이 저장장치의 대역폭과 지연을 좌우한다

PATA(Parallel ATA)는 40핀 리본케이블을 쓰는 레거시 표준이다. SCSI(Small Computer System Interface)는 서버급 고성능 인터페이스로 사용된다. 병렬 전송은 여러 비트를 동시에 보내지만 신호간섭 문제가 있다.

직렬 인터페이스에서는 SATA가 케이블을 단순화하며 6Gbps까지 지원한다. SAS(Serial Attached SCSI)는 엔터프라이즈급 성능과 신뢰성을 제공하고, USB는 외장 저장장치에 널리 쓰인다. Thunderbolt는 40Gbps 대역폭을 지원하는 고속 인터페이스다.

PCIe 기반 인터페이스에서는 NVMe가 PCIe 레인을 직접 사용해 초고속 전송을 수행한다. 레인 수는 x1, x2, x4, x8 등으로 구분되며 대역폭 차이를 만든다. PCIe Gen3은 8GT/s, Gen4는 16GT/s, Gen5는 32GT/s다. NVMe의 지연시간은 기존 SATA 대비 1/10 수준이다.

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파티션·볼륨·암호화로 저장 영역을 운영한다

파티셔닝은 물리 디스크를 여러 논리 영역으로 나누는 방식이다. MBR(Master Boot Record)은 최대 4개 주 파티션과 2TB 용량 제한이 있고, GPT(GUID Partition Table)는 128개 파티션과 대용량 디스크를 지원한다. 운영체제·데이터·스왑 영역을 분리해 관리할 수 있다.

LVM(Logical Volume Manager)은 물리 볼륨을 논리 볼륨으로 추상화한다. 볼륨 크기를 동적으로 조정할 수 있고, 특정 시점의 상태를 저장·복원하는 스냅샷과 여러 디스크에 데이터를 분산해 성능을 높이는 스트라이핑을 제공한다.

보호 방식으로는 디스크 전체를 암호화하는 전체디스크암호화(FDE), SED(Self-Encrypting Drive)를 활용한 하드웨어암호화, BitLocker·LUKS 같은 OS 레벨 소프트웨어암호화가 있다. 암호화 키는 안전하게 저장하고 관리해야 한다.

밀도와 지연 특성을 바꾸는 저장 기술

3D NAND는 셀을 평면에 배치하는 대신 수직으로 쌓아 밀도를 높인다. 같은 면적에서 더 많은 저장용량을 확보하고 비트당 제조비용을 낮추며, 셀 간섭 감소로 읽기·쓰기 성능도 개선한다.

신소재 저장장치에는 Intel Optane의 3D XPoint, 자기저항 기반 비휘발성 메모리인 MRAM(Magnetoresistive RAM), 저항변화 기반 고속 저장장치인 ReRAM(Resistive RAM), 상변화 물질을 이용하는 PCM(Phase Change Memory)이 있다.

스토리지클래스메모리(SCM)는 DRAM과 SSD 사이의 성능 갭을 메우는 기술이다. 블록 단위가 아닌 바이트 단위 접근이 가능하고, 비휘발성이라 전원이 꺼져도 데이터를 유지한다. 접근 지연시간은 나노초 단위다.

자기·광학·반도체 저장장치는 각각 다른 비용, 접근 방식, 내구성 특성을 가진다. HDD에서 SSD로의 전환이 가속화되고 있으며, NVMe와 3D NAND의 발전은 저장장치의 성능과 용량을 높이고 있다. 3D XPoint와 SCM은 메모리와 스토리지의 경계를 좁히는 기술로 자리하고 있다.