스토리지 컨트롤러란 무엇인가요?

인간이 생산하는 데이터의 양은 엄청납니다. 2024년 현재 전 세계 데이터스피어는 무려 149제타바이트에 달할 것으로 추정되며, 2025년 말에는 181제타바이트로 증가할 것으로 예상됩니다.

1제타바이트는 1,000엑사바이트, 10억 테라바이트 또는 1조 기가바이트에 해당합니다. 다시 말해, 1제타바이트는 2,500억 개의 DVD에 해당합니다.  

즉, 데이터 관리는 기업 데이터 센터, 클라우드 플랫폼, IoT 디바이스 및 디지털 플랫폼을 포함한 모든 컴퓨팅 시스템의 주요 구성 요소입니다. 그러나 모든 데이터가 동일하게 생성되는 것은 아닙니다.

사람들이 생성하는 데이터의 대부분은 일시적이며 즉시 사용되고 폐기되는 반면, 더 오래 지속되는 유형도 있습니다. 일부 데이터는 중기 스토리지 및 검색을 위해 보관되며, 또 다른 유형의 데이터는 장기 보관이나 백업 목적으로 보관됩니다. 

생성 및 저장되는 데이터의 목적에 따라 다양한 유형의 스토리지가 다른 저장 매체보다 더 적합합니다. 디스켓 및 USB 플래시 드라이브와 같은 간단한 옵션부터 SAN(Storage Area Network) 및 NAS(Network Attached Storage) 시스템과 같은 강력하고 복잡한 옵션에 이르기까지 컴퓨터는 스토리지 컨트롤러(디스크 컨트롤러 또는 스토리지 프로세서라고도 함)를 사용하여 스토리지 디바이스와 컴퓨터의 메인 CPU 간에 데이터를 쓰고 검색합니다. 

대부분의 경우 스토리지 컨트롤러 카드는 물리적인 하드웨어 장치이며, 때로는 컴퓨터의 시스템 보드에 직접 통합되기도 합니다. 그러나 가상 머신(VM) 또는 기타 가상화된 환경을 다룰 때는 소프트웨어 기반 가상 스토리지 컨트롤러를 사용하여 물리적 컨트롤러의 기능을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 유형의 컴퓨터 시스템에서 가상화된 스토리지 컨트롤러는 여러 물리적 장치에서 풀링된 스토리지 리소스를 관리하는 데 사용되는 중요한 하이퍼바이저 소프트웨어의 구성 요소입니다.   

스토리지 컨트롤러의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 호스트 인터페이스: 스토리지 컨트롤러가 호스트 시스템과 통신할 수 있도록 하는 물리적 연결입니다. 내부 스토리지 장치는 고속 연결을 위해 PCI Express(PCIe)와 같은 표준을 사용하는 반면, SAN은 외부 연결을 위해 FC(FibreChannel) 또는 NVMe over Fabrics와 같은 프로토콜을 사용합니다.
• 프로세서: 스토리지 컨트롤러에는 입출력(I/O) 작업을 관리하는 전용 프로세서가 포함되어 있습니다. 
• 캐시 메모리: 스토리지 컨트롤러 캐시 메모리는 일반적으로 휘발성 DRAM으로 구성됩니다. 이 고속 임시 스토리지는 컨트롤러 자체에 있으며, 연결된 스토리지 디바이스에 저장된 데이터보다 더 빠르게 액세스할 수 있는 자주 액세스되는 데이터를 저장합니다. 
• 디스크 인터페이스: 디스크 인터페이스는 스토리지 컨트롤러와 스토리지 디바이스 간의 물리적 연결입니다. 
• 배터리 또는 커패시터 백업 장치: 온보드 캐시 메모리에 쓰기가 가능한 스토리지 컨트롤러의 경우, 배터리 백업 장치(BBU) 또는 커패시터와 플래시가 포함된 모듈이 중요한 구성 요소입니다. 그러면 갑작스러운 정전이 발생하더라도 컨트롤러가 휘발성 플래시 메모리에 기록된 모든 데이터를 보존할 수 있습니다. 이러한 장치는 사실상 유닛 내 전원 공급 장치입니다.

데이터 전송을 용이하게 하기 위해 스토리지 컨트롤러는 특정 스토리지 미디어의 이점을 활용할 수 있도록 여러 작업을 수행합니다. 또한 컴퓨터 시스템이 스토리지 기능을 완전히 최적화하는 데 방해가 될 수 있는 다양한 잠재적 문제와 장애물을 완화합니다. 

원활하고 효율적인 스토리지 액세스를 달성하기 위한 스토리지 컨트롤러의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 데이터 전송 및 관리: 스토리지 컨트롤러의 가장 기본적인 기능은 스토리지 장치와 컴퓨터의 운영 메모리 사이의 브리지 역할을 하는 것입니다. 특정 유형의 스토리지 미디어 및 관련 인터페이스 및 프로토콜에 따라 스토리지 컨트롤러는 속도와 효율성을 위해 데이터 전송을 최적화하여 지연 시간을 방지하면서 전체 시스템 성능을 향상하고 유지합니다.
• 데이터 검증 및 내결함성 처리: 스토리지 컨트롤러는 전송된 데이터의 정확성을 검증하고 오류가 있는 데이터에 대해 내결함성 처리를 수행하여 데이터 정확성을 보장하고 오류로 인한 중단을 줄일 수 있습니다.
• 압축 및 압축 해제: 필요한 경우 스토리지 컨트롤러는 데이터를 압축 및 압축 해제하여 전송 속도를 개선하고 대용량 파일로 인한 데이터 압력을 줄일 수 있습니다.
• 데이터 보호 및 백업 서비스: 많은 스토리지 컨트롤러에는 RAID(Redundant Array of Independent Disks) 구성 및 삭제 코딩과 같은 데이터 보호 및 중복성을 위해 설계된 기능이 포함되어 있습니다. 이러한 기능은 데이터를 보호하고 백업하는 데 도움이 되며, 내결함성 및 복구 시간을 개선하는 데 매우 유용할 수 있습니다. 
• 인터페이스 호환성: 다양한 스토리지 솔루션을 수많은 운영 체제와 컴퓨터 하드웨어 구성과 페어링할 때 호환성은 중요한 고려 사항입니다. 스토리지 컨트롤러는 서로 다른 스토리지 디바이스 인터페이스(예: 직렬 ATA(SATA), 직렬 연결 SCSI(SAS), 주변 장치 구성 요소 상호 연결 익스프레스(PCIe))와 서로 다른 하드웨어 및 운영 체제(예: Microsoft Windows, Linux)를 관리하여 호환성 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 
• 캐시 관리: 모든 옵션에서 표준으로 제공되는 것은 아니지만, 내장 캐시 메모리는 스토리지 컨트롤러에서 흔한 기능입니다. 동적 자동 관리 기능이 있는 내장 캐시는 빠른 액세스를 위해 자주 액세스하는 데이터를 저장하고 시스템이 빠른 성능을 위해 최적화하는 데 도움이 됩니다.
• 논리적 볼륨 관리 지원: 논리적 볼륨 관리(LVM)는 가용 시스템 스토리지를 효율적으로 분할, 구성 및 사용하는 데 중요한 기술입니다. LVM은 물리적 디스크를 공유 스토리지 공간에서 볼륨 그룹(VG)으로 풀링하여 논리적 볼륨이라고 하는 유연하고 동적인 가상 스토리지 풀을 생성하는 데 사용됩니다. 시스템 관리자는 스토리지 컨트롤러를 통해 실시간으로 스토리지 볼륨을 관리하고 크기를 조정하고, 백업 스냅샷을 생성하고, 여러 물리적 디스크를 통합할 수 있습니다. 이러한 통합은 최적의 스토리지 용량을 위한 가동 중지 시간이 최소화된 공유 가능한 풀이 될 수 있습니다.
• 모니터링 및 보고: 스토리지 가용성과 성능을 감독하는 스토리지 컨트롤러는 연결된 스토리지 장치의 스토리지 상황, 성능, 용량 및 작동 상태에 관한 귀중한 인사이트를 제공하는 실시간 모니터링 및 스냅샷을 제공하는 데 매우 유용합니다. 이 정보를 확보한 시스템 관리자는 사전 유지 관리를 수행하고 잠재적인 문제를 식별 및 해결하여 시스템 가동 중지 시간이나 중요한 데이터 손실을 방지할 수 있습니다. 

스토리지 컨트롤러는 인터페이스나 기능에 따라 두 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.

모든 스토리지 컨트롤러는 CPU와 스토리지 장치 간의 통신 관리를 담당하지만, 각 유형은 고유한 목적과 환경에 특화되어 있습니다. 

다음을 포함한 일부 인터페이스 기반 스토리지 컨트롤러는 인터페이스 호환성을 위해 특별히 설계되었습니다.

• SATA(AHCI) 컨트롤러: SATA(AHCI) 컨트롤러는 SATA HDD, SSD를 포함한 SATA 기반 스토리지를 관리하는 데 사용됩니다. SATA는 비용 효율적이고 일반 컴퓨팅에 적합하며, 데스크톱, 노트북, 게이밍 디바이스, 개인용 서버 등 소비자용 시스템에 사용되는 일반적인 인터페이스입니다. 스토리지 수요가 적고 고속 데이터 전송의 필요가 상대적으로 낮은 가정 및 중소기업 환경에서는 SATA 스토리지 및 SATA 스토리지 컨트롤러가 많이 사용됩니다.
• SAS 컨트롤러: SAS 컨트롤러는 SAS(Serial Attached SCSI) HDD 및 SSD와 함께 사용됩니다. 고성능 컴퓨팅 작업에 사용되는 SAS는 SATA보다 더 높은 성능 전송 속도를 지원합니다. SAS 컨트롤러는 SATA 장치와도 자주 호환되어 더 큰 유연성과 옵션을 갖춘 스토리지 설정을 제공합니다. 이러한 유형의 컨트롤러 및 장치는 일반적으로 엔터프라이즈급 환경에서 볼 수 있으며, 신뢰할 수 있는 고속 데이터 전송이 미션에 크리티컬한 경우 대규모 데이터베이스 및 복잡한 가상화 작업에 사용됩니다.

또한 SAS 컨트롤러는 여러 스토리지 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하는 데 적합하므로 확장 가능한 솔루션을 중요하게 생각하는 운영에 적합합니다. 이러한 상황에서는 SAS 확장 도구라는 하드웨어 구성 요소를 사용하여 시스템의 HBA(호스트 버스 어댑터)가 수용할 수 있는 SAS 또는 SATA 디스크 드라이브의 수를 늘릴 수 있습니다.

기능 기반 컨트롤러는 인터페이스 프로토콜과 의도된 기능을 기반으로 스토리지 장치를 수용하도록 설계되었습니다. 다음은 몇 가지 예입니다.

• RAID 컨트롤러: RAID 스토리지 기술은 여러 개의 스토리지 드라이브를 단일 스토리지 풀로 결합하여 성능과 중복성을 향상시킵니다. 스트라이핑(여러 드라이브에 걸쳐 빠른 동시 쓰기를 위해 데이터를 더 작은 부분으로 분할하는 것) 및 미러링(중복성을 위해 데이터를 복제하는 것)과 같은 기술을 통해 RAID는 드라이브 오류로부터 보호 장치를 제공하고 데이터 처리량을 증가시킵니다. RAID 컨트롤러는 RAID 0, RAID 1, RAID 5, 최대 RAID 60과 같은 여러 RAID 수준을 지원하도록 설계되었으며, 각 수준은 다양한 수준과 성능 및 이중화 조합을 제공합니다.
• 스토리지 어레이 컨트롤러: 스토리지 어레이 컨트롤러는 안정적인 이중화와 함께 빠르고 가용성이 높은 데이터 전송이 필요한 고급 시스템용으로 설계된 방대한 스토리지 장치 어레이를 관리하는 데 사용됩니다. 이러한 유형의 컨트롤러를 사용하는 스토리지 어레이 시스템에는 향상된 기능과 안정성을 위해 실제로 여러 컨트롤러가 있을 수 있습니다.