너도 나도 3D NAND, SSD 어떻게 변했나?

현재 SSD 시장은 상당히 빠른 속도로 변화하고 있다. SLC와 MLC의 대결구도는 벌써 잠잠해지고 MLC에서 TLC구도였던 SSD시장. 이제는 3D TLC NAND시장으로 바뀌고 있다. 이렇게 빠른 변화속에 여러 기업들이 고군분투하고 있는 3D TLC NAND는 무엇일까?

3D NAND에 대한 설명은 많이 나왔기에 이 3D NAND가 등장하게된 배경과 그 3D NAND가 빠진 모델 하나를 가지고 어떠한 차이점과 장점을 들고 등장하게 됐는지 살펴보고자 한다.

먼저 3D NAND가 등장하게 된 배경과 그 장점에대해 소개해보고 해당 기술이 제외된 모델을 하나를 선택해 예시를 통해 살펴보자.

■ 2D 낸드의 한계?

먼저 SSD낸드의 기반이라 할 수 있는 낸드 플레쉬 메모리(이하 낸드)가 2D 낸드에서 3D 낸드가 등장하게 된 배경을 간단히 알아보자.

현재까지 SSD시장에 출시된 대부분의 모델들은 2D 낸드 플레쉬 메모리로 출시됐다. 현재에 와선 초기보다 안정된 공정기술과 더불어 공정 미세화가 되어 더욱 많은 낸드를 생산원가는 낮추고 보다 많은 낸드를 공급할 수 있게 됐다.

하지만 2D 낸드도 공정이 미세화 될 수록 설계상 상당히 어려운 문제가 있으니 바로 터널링 효과다. 공정이 미세화 될수록 플로팅게이트 안에 있는 산화막이 얇아져 데이터(전자)가 이동할 수 있는 횟수 즉 수명이 감소된다. 

뿐만 아니라 그 얇아진 산화막에 전압이 인가됐을 때 데이터가 온전히 플로팅 게이트안에 갇혀야 낸드(셀)에 데이터가 저장이 되는데, 미세화된 공정으로 산화막이 얇아져 전압의 간섭으로 인해 데이터 저장 과정 중 오류(터널링 효과)가 발생하며 낸드 공정이 미세화된 만큼 수명 또한 감소한다.

때문에 현재는 여러 SSD 제조사들도 2D 낸드의 한계는 10nm를 마지노선으로 바라보고 있는 실정이다. 이러한 2D 낸드의 한계와 단점을 보안하는 신 기술이 바로 3D 낸드다.

■ 3D 낸드의 등장, 무엇이 좋아졌나

이러한 2D 낸드의 한계점과 수명감소 문제, 더불어 성능 향상 이 두가지 고민거리를 모두 해결할 수 있는 신 기술이 3D 낸드다.

3D낸드는 데이터가 저장되는 셀을 아파트처럼 수직 적층으로 쌓아올린 형태다. 이로인해 얻는 효과는 대표으로 위에서 언급한 수명감소 문제 해결, 성능향상 두가지를 얻게된다. 

수명이 증가되는 이유는 2D 낸드에 비해 각각의 낸드에 인가되는 전압이 감소하게 되며 셀에 저장되는 데이터 간섭현상(터널링 효과)이 감소된다. 이로인해 낸드 수명이 증가하게 된다. 부가적으로는 전력 소모또한 감소한다고 전문가들은 분석하고 있다.

이번엔 성능 부분을 살펴보자. 성능 향상이 이루어지는 이유는 3D 낸드가 2D낸드에 비해 셀의 밀집도가 높기때문이다. 이 내용을 간단하게 풀어보도록 하겠다.

2D 낸드와 3D 낸드에 동일한 전압이 인가됐을때 셀의 밀집도가 높은 3D 낸드가 각 낸드(셀)에 더 빠르게 접근이 되고 동작하게 된다. 이는 컨트롤러와 셀의 연결로 이어지며 때문에 3D 낸드가 2D 낸드보다 빠른 속도를 제공한다.

실제 삼성측에선 2D 낸드에서 3D 낸드로 넘어갈때 발생하는 차이점을 표로 정리하여 공식 공개했는데 해당 자료를 분석하면 다음과 같다. 데이터의 전송속도는 약30% 향상됐으며 지우기 속도 증가, 랜덤읽기 속도 또한 증가됐다고 밝혔다. 이러한 장점을 갖고있기 때문에 현재 대부분의 메이저 SSD 회사들은 3D 낸드 기술을 개발하고 또 양산하기 위해 고군분투 중이다.

하지만 아직 이런 신 기술 발표후에 대부분의 SSD회사들이 양산을 하지 못 하는 이유는 기술력도 기술력이지만 기술 개발, 투자 양산에 들어가기 까지의 안정화 등에 상당한 투자가 이루어져야 하기 때문이다. 실제로 3D NAND가 적용된 낸드가 2D 낸드에 비해 가격이 비싸다고 한다.

어찌됐든 현재 시중에 일반 소비자용으로 판매되는 SSD중 3D 낸드가적용된 모델은 SAMSUNG 850PRO, 850EVO, 마이크론 Crucial MX300 끝으로 인텔 600p(국내 출시 예정)이 유일하다.

■ 3D 낸드가 제거된 750EVO는 어떨가?

상기 내용으로 3D 낸드기술이 추후 SSD 시장을 주도할 것은 이미 예견된 일이라 할 수 있다. 그 와중에 삼성에선 원가 절감과 함께 저렴한 가격에 SSD를 공급하기 위해 3D 낸드 기술 뺏으며 16nm 공정에서 생산된 TLC낸드를 사용한 SSD 750EVO를 선보였다. 무엇이 다를가?

먼저 750EVO는 850EVO와 동일한 컨트롤러 MGX를 채용했다. 컨트롤러에 대해 잠시 설명해 보자면 MGX 컨트롤러는 MEX 컨트롤러의 다운그레이드 버전으로 트리플 채널을 듀얼 채널로 변경 한점이 큰 차이다. 삼성측 설명에 의하면 MGX 컨트롤러는 저용량 모델을 사용하는 클라이언트 PC, 액세스 패턴에 최적화된 컨트롤러라 전했다.

때문에 동일한 컨트롤러를 사용해서 그런지 공식 스펙상 연속 읽기와 쓰기 속도는 동일했지만 쓰기 수명과 보증 기간은 달랐다. 750EVO 128GB 모델의 경우 쓰기 수명 보증은 35TBW로 850EVO 120GB에 절반에 가까운 수치였으며 보증 기한은 120GB, 250GB 모델 모두 3년으로 2년이 감소했다. 

아무래도 TLC의 단점으로 자리잡고 있던 쓰기 수명을 3D 낸드로 보안한 모델이 850EVO인 만큼 750EVO에선 3D 낸드의 부재와 더불어 16nm로 미세해진 낸드인 만큼 쓰기 수명과 보증기간이 감소된 것으로 판단된다.

즉 원가 절감과 더불어 좀더 단가를 낮추어 저렴한 가격에 SSD를 찾는 소비자를 저격한 제품이라 할 수 있다. 750EVO의 경우 용량도 120GB 모델과 250GB 모델 단 두개만 출시되었다.

■ SSD시장의 미래는 3D 낸드가 주력

현재 SSD시장은 혼란기라고 할 수도 있다. 

 MLC에서 TLC가 메인스트림으로 자리잡은지 얼마되지 않은 현 시점에서 3D 낸드라는 신 기술이 발표되었고 발표와 동시에 짧은 기간 동안 벌써 여러 제품에 도입되어 출시했기 때문이다. 물론 대부분의 SSD 기업들이 3D 낸드 도입에 있어 일정 시간이 걸린다는 것은 자명한 사실이다.

또 그 몇년 사이에 기술이 발전해서 2D 낸드 마의 벽이라 불리는 10nm 벽을 깰 지도 모르지만 이미 대부분의 기업들이 3D낸드를 바라보고 있는만큼 그 가능성은 희박해 보인다. 어찌됐든 3D 낸드가 개발된 만큼 추후 SSD들은 지금보다 더 오래쓸 수 있고 성능향상이 이루어진 제품을 보다 저렴하게 구입할 수 있지 않을까 필자는 생각한다.

현재 앞서 언급했듯 3D 낸드가 적용된 모델은 850PRO, 850EVO, 마이크론 Crucial MX300 그리고 인텔 600p(국내 출시 예정)이 유일하며 상대적으로 3D 낸드로 설계된 SSD가 동일 TLC낸드라 할지라도 수명이나 성능에 있어선 더 우위에 있으니 구매시 참고하길 바란다.