플래시 스토리지란 무엇인가요?

플래시 스토리지 솔루션은 USB 드라이브부터 엔터프라이즈급 어레이까지 다양하며, 임의 접근 메모리(RAM) 또는 단기 메모리와 혼동해서는 안 됩니다. 움직이는 부품이 있는 하드 디스크 드라이브에 비해 USB 플래시 드라이브는 고속 응답 시간(예: 마이크로초 단위의 지연 시간)을 구현할 수 있습니다. 이들은 비휘발성 메모리(NVM)를 사용하므로 전원이 꺼져도 데이터가 손실되지 않습니다.

플래시 스토리지는 고가용성 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)도 사용하며, 기계식 디스크 스토리지보다 에너지 소비와 물리적 공간이 적게 필요합니다.

오늘날 플래시 메모리는 스토리지 장치(USB 플래시 드라이브, SD 카드), 스마트폰, 모바일 장치, 디지털 카메라에 사용되는 핵심 구성 요소입니다. 

플래시 스토리지는 전자 장치가 점점 더 작고 휴대성이 높아짐에 따라 비휘발성, 소형, 에너지 효율적인 스토리지에 대한 증가하는 수요를 충족하기 위해 개발되었습니다.

1986년, Toshiba는 스토리지 애플리케이션(SSD, 메모리 카드)을 지원하기 위해 소형 스토리지와 빠른 쓰기 속도에 최적화된 최초의 NAND 플래시 메모리 칩을 출시했습니다. 1993년, Intel은 빠른 데이터 읽기가 필요한 애플리케이션(부트 코드, 펌웨어 등)용으로 더 적합한 NOR 플래시 메모리를 출시했습니다.

플래시 메모리는 획기적인 성능을 제공하며 스피닝 디스크와 메모리 카드를 개선하여 데이터 스토리지의 세계를 빠르게 변화시켰습니다. 데이터 사용량이 증가하고 디바이스가 점점 더 가볍고 작아지면서, 플래시 시스템은 디지털 정보를 저장, 작성, 재프로그래밍 및 전송하는 가장 빠른 수단이 되었습니다.

2000년에는 파일을 저장하고 전송할 수 있는, Thumb 드라이브라고도 불리는 USB 플래시 드라이브가 개발되었습니다. 이 휴대용 장치는 이전 스토리지 시스템보다 훨씬 더 많은 용량을 제공하면서도 크기가 작았습니다. 2005년, Apple은 최초의 플래시 기반 iPod을 출시하며 소비자들의 플래시 스토리지 기술 채택을 가속화했습니다.

2000년대 후반까지 플래시 기반 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)가 노트북과 데이터 센터 환경에서 하드 디스크 드라이브(HDD)를 대체하기 시작했으며, 더 빠른 부팅 시간, 낮은 전력 소비, 뛰어난 내구성을 제공했습니다.

셀 기술의 발전으로 플래시 스토리지 용량이 크게 발전했습니다. 셀당 1비트를 저장하는 단일 레벨 셀(SLC) 기술에서 시작해, 업계는 2000년대 중반에 셀당 2비트를 저장하는 멀티 레벨 셀(MLC) 기술로 발전했습니다. Toshiba는 2009년에 트리플 레벨 셀(TLC) 기술을 도입했으며, 삼성은 2010년에 이를 채택하여 셀당 3비트의 정보를 저장할 수 있게 했습니다. 각 세대는 성능을 고려하면서도 스토리지 밀도를 높이는 발전을 이루었습니다.

이러한 변화는 2010년대에 3D NAND 기술이 도입되면서 가속화되었으며, 이는 메모리 셀을 수직으로 적층하여 스토리지 밀도를 높이고 기가바이트당 비용을 절감하는 방식입니다.

2011년 초, 플래시 기반 인터페이스인 NVMe(비휘발성 메모리 익스프레스)가 출시되면서 플래시의 잠재력이 더욱 확대되었고, 이는 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 연결을 통해 초저지연 및 고처리량 성능이 가능해졌습니다.

2018년, Micron은 셀당 4비트의 데이터를 사용하는 쿼드 레벨 셀(QLC) 플래시 드라이브를 출시하여 TLC 대비 스토리지 밀도를 33% 높였습니다. TLC와 비교하여 QLC는 더 나은 용량과 경제성을 제공하지만 성능 속도가 느리고 내구성이 낮습니다. 이러한 아키텍처는 소셜 미디어 플랫폼과 같은 쓰기 중심 애플리케이션보다는 아카이브 스토리지, 콘텐츠 전송, AI 추론과 같은 읽기 중심 워크로드에 가장 적합합니다.

플래시는 속도와 밀도 덕분에 대기업이 선택하는 스토리지 기술로 각광받고 있으며, 데이터 센터의 기본 스토리지 매체로서 하드 디스크를 대체하는 경우가 많습니다. 플래시는 또한 현대 IT 인프라의 기반 기술로 자리 잡아 엣지 컴퓨팅부터 AI 모델 학습에 이르기까지 다양한 영역에서 활용되고 있습니다.

하드 디스크 드라이브는 전자기계적 하드웨어를 사용해 디지털 정보를 저장합니다. 비용 효율적이며 장기 저장 및 대형 파일에 이상적입니다. 그러나 하드 디스크 드라이브는 시간이 지남에 따라 물리적 손상에 취약하며, 움직이는 부품으로 인해 지연 시간 문제가 발생할 수 있습니다.

현재 플래시 메모리는 이전에 컴퓨터 하드 디스크 드라이브가 담당하던 기능을 수행하고 있습니다. 예를 들어, 컴퓨터가 부팅될 때 기본 입출력 시스템(BIOS) 시퀀스를 실행합니다. 초기의 BIOS를 담고 있던 펌웨어는 읽기 전용 메모리(ROM) 칩이 필요했지만, 현대 시스템에서는 BIOS에 플래시 메모리를 사용하여 시스템 보드에서 칩을 분리하지 않고도 내용을 재작성할 수 있습니다.

플래시 미디어를 사용하면 이러한 유형의 스토리지를 보완해 애플리케이션이 더 빠르게 작동하고 더 확장할 수 있습니다. HDD는 계속해서 비용 효율적인 아카이브 스토리지의 역할을 하고 있지만, 엔터프라이즈 워크로드는 플래시 기술이 제공할 수 있는 속도와 안정성을 점점 더 요구하고 있습니다.

현재 기본 스토리지 환경은 플래시의 마이크로초 단위 지연 시간과 높은 IOPS 성능을 주로 활용하며, 소프트웨어 정의 스토리지(SDS)는 가상화된 풀을 생성하여 두 가지 미디어 유형 전반에서 데이터를 지능적으로 관리합니다. 이러한 기술적 융합을 통해 조직은 성능이 중요한 워크로드에는 플래시를 사용하고, SaaS 백업을 포함한 덜 자주 액세스하는 데이터는 보다 경제적인 기존 스토리지 시스템으로 분산하는 하이브리드 접근 방식을 구현할 수 있습니다.

플래시 스토리지는 수백만 개의 작은 부동 게이트 MOSFET 트랜지스터로 구성된 반도체인 플래시 메모리에 기반합니다. 이 트랜지스터들은 도시 블록과 유사한 격자 패턴으로 배열되어 있으며, 각 교차점에는 정보를 저장할 수 있는 특수 트랜지스터가 위치합니다.

플래시 메모리에서 기본적인 저장 단위는 플래시 메모리 셀입니다. 각 셀에는 전원이 차단되어도 전하를 유지할 수 있는 부동 게이트 트랜지스터가 포함되어 있습니다.

이 트랜지스터가 특별한 이유는 고유한 두 개의 게이트 설계에 있습니다. 컨트롤 게이트는 상단에 위치해 전류 흐름을 제어하고, 플로팅 게이트는 절연 산화막으로 고립되어 있습니다. 플래시 메모리에 데이터를 쓸 때는 컨트롤 게이트에 전압이 인가되어 전자가 절연층을 터널링하여 플로팅 게이트에 포획됩니다. 이렇게 포획된 전자는 트랜지스터의 전기적 특성을 변화시켜 이진수 1과 0을 나타냅니다. 플로팅 게이트가 절연층으로 둘러싸여 있기 때문에 이러한 전자들은 장기간 포획된 상태를 유지하며, 지속적인 전원이 없어도 데이터를 보존할 수 있습니다.

플래시 메모리는 저밀도, 중밀도, 고밀도 등으로 분류되며, 고밀도 스토리지는 동일한 물리적 공간에 더 많은 셀을 집적합니다. 이러한 기술 발전으로 USB 드라이브부터 스마트폰, 수 테라바이트의 정보를 저장할 수 있는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)에 이르기까지 점점 더 소형화되면서도 대용량 스토리지를 제공하는 장치들이 개발되었습니다.

플래시 메모리 기술은 다양한 형태와 구성으로 구현할 수 있으며, 각각의 성능 요구 사항과 활용 사례에 맞춰 사용됩니다. 다음은 주요 유형에 대한 개요입니다.

가장 중요한 플래시 스토리지 인터페이스와 프로토콜은 다음과 같습니다.

• NVMe

• SAS 및 SATA 인터페이스

• 패브릭으로 연결된 NVMe(NVMe-oF)

비휘발성 메모리 익스프레스(NVMe)는 주변 장치 구성 요소 상호 연결(PCIe) 버스를 통해 플래시 스토리지에 액세스하는 데 사용되는 인터페이스입니다. NVMe는 한 번의 연결만으로 수천 개의 병렬 요청을 가능하게 하여 애플리케이션과 스토리지 간의 상호 작용을 간소화하고 성능을 크게 개선합니다. NVMe는 이제 고성능 플래시 스토리지의 주요 프로토콜이며 실시간 분석 및 AI 워크로드와 같이 지연 시간에 민감한 애플리케이션에 필수적입니다.

SAS(직렬 연결 SCSI)와 SATA(직렬 고급 기술 연결)는 스토리지 장치를 컴퓨터 시스템에 연결하는 데 널리 사용되는 두 가지 인터페이스입니다. 원래 하드 디스크 드라이브용으로 개발되었지만 플래시 기반 SSD와도 함께 사용됩니다. SATA는 일반적으로 소비자 장치에 사용되는 반면, SAS는 높은 안정성과 처리량으로 인해 엔터프라이즈 스토리지 환경에서 선호됩니다.

NVMe와 같은 최신 프로토콜이 점차 이를 대체하고 있지만, SAS와 SATA는 레거시 시스템과 예산에 민감한 배포에서 여전히 일반적입니다. 또한 기존 인프라의 수명을 연장하는 데 도움이 되어 단계적 업그레이드가 진행되는 환경에서 유용합니다.

패브릭으로 연결된 NVME는 이더넷, 파이버 채널 또는 인피니밴드와 같은 네트워크 패브릭 전반으로 NVMe 프로토콜을 확장합니다. 이러한 네트워크 패브릭을 통해 플래시 스토리지 장치에 직접 연결된 NVMe 드라이브와 거의 동일한 수준의 짧은 지연 시간과 고성능으로 원격으로 액세스할 수 있습니다. NVMe-oF는 스토리지가 빠르고 복원력 있으며 공유 가능해야 하는 현대적인 데이터 센터 및 클라우드 인프라와 같은 대규모 분산 환경에 이상적입니다.

플래시 스토리지는 속도, 내구성 및 에너지 효율성으로 인해 다음과 같이 다양한 애플리케이션에서 사용됩니다.

• 엔터프라이즈 데이터 센터: 대규모 기업들은 미션 크리티컬 워크로드를 지원하고 지연 시간을 줄이며 데이터 센터 환경에서 높은 가용성을 보장하기 위해 플래시 기반 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)와 올플래시 어레이를 활용합니다. 플래시 스토리지는 실시간 분석, 클라우드 서비스 및 인공 지능(AI) 애플리케이션을 위한 데이터 처리를 가속화합니다. 또한 데이터 센터의 플래시 스토리지는 방대한 데이터 세트를 빠르게 인덱싱, 검색 및 처리할 수 있도록 데이터 관리 기능을 향상시켜 데이터베이스 성능을 최적화하고 전체 시스템 효율성을 개선합니다.

• 모바일 기기: 플래시 스토리지는 스마트폰, 태블릿, 노트북에 필수적이며, 애플리케이션, 시스템 파일, 사용자 데이터에 빠르게 액세스할 수 있도록 해줍니다. 플래시 메모리의 컴팩트한 특성 덕분에 성능 저하 없이 슬림하고 가벼운 디자인을 구현할 수 있습니다.

• 게임 및 그래픽: 게이머는 플래시 스토리지의 고속 데이터 전송을 통해 빠른 로딩 시간과 향상된 그래픽 처리의 이점을 누릴 수 있습니다. 또한 플래시 스토리지는 게임 콘솔 및 비디오 편집 툴의 성능을 향상시킵니다.

• IoT 디바이스: 플래시 메모리는 빠른 속도와 낮은 전력 소비로 인해 사물인터넷(IoT) 디바이스에 널리 사용됩니다. 스마트 홈 기기부터 산업용 IoT 센서에 이르기까지 플래시 스토리지는 빠른 데이터 수집, 처리, 전송을 보장할 수 있습니다.

• 엣지 컴퓨팅: 데이터 소스에 더 가까운 곳에서 데이터를 처리하려는 수요가 증가함에 따라, 플래시 스토리지는 엣지 환경에서 중요한 역할을 합니다. 이는 빠른 현장 데이터 저장 및 검색을 가능하게 하여, 실시간 의사 결정이 필요한 애플리케이션에 매우 중요합니다.

• 클라우드 스토리지: 플래시 스토리지는 현대적인 클라우드 인프라를 뒷받침하며, 분산된 환경에서 방대한 양의 데이터에 고속으로 액세스할 수 있도록 해줍니다. 플래시 스토리지의 확장성과 성능은 클라우드 스토리지 및 기타 서비스의 채택 증가를 이끄는 주요 요인입니다.

• 자동차: 플래시 메모리는 내비게이션, 엔터테인먼트 시스템 및 자율 주행 기술과 같은 앱을 위해 차량에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

엔터프라이즈 환경에서 플래시 스토리지는 데이터 보안 접근 방식의 중요한 구성 요소가 되었습니다. 플래시 스토리지의 빠른 속도는 백업 및 복구 작업을 개선하여 보안 사고나 시스템 장애 발생 시 복구 시간을 단축하는 데 도움이 됩니다.

많은 조직에서는 현재 이동식 플래시 스토리지 장치를 사용한 에어 갭 백업 방식을 활용하여 중요한 백업 데이터를 네트워크에서 물리적으로 분리함으로써 랜섬웨어 및 기타 사이버 위협에 대한 노출을 제한하고 있습니다. 이러한 물리적 분리는 네트워크 기반 공격에 대해 효과적인 보호 계층을 제공합니다.

플래시 스토리지는 데이터 복제, 스냅샷, 암호화와 같은 실용적인 활용을 통해 사이버 복원력을 지원하며, 이러한 작업이 기존 스토리지에 비해 시스템 성능에 미치는 영향이 적습니다. 규제 산업에서는 플래시 스토리지가 WORM(Write Once Read Many) 기능 및 액세스 제어와 같은 기능을 통해 전체 보안 아키텍처에 기여하며 컴플라이언스 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.