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■ NVMe(Non-Volatile Memory Express)란 무엇인가?

PC에 관심 있는 사람이라면 SSD와 HDD 그리고 SATA, PCI Express 같은 용어가 무엇을 의미하는지 대충은 알고 있을 것이다. 하지만 지금부터 이야기 하려는 AHCI나 NVMe는 전혀 들어본 적 없거나 듣더라도 무엇을 뜻하는지 모르는 사람이 상당히 많다.

특히, NVMe는 생소한 사람이 대부분일 텐데 AHCI와 NVMe는 SSD나 HDD 같은 데이터 저장 장치에서 파일을 주고 받기 위한 일종의 규약으로 이해하면 될 것이다.

SATA와 PCI Express를 자동차가 움직이기 위한 도로에 비유한다면 AHCI와 NVMe는 도로위에 설치된 신호등 같은 존재라 할 수 있다.

그리고 오늘 이야기할 NVMe는 HDD 시절부터 사용되 온 신호등 체계인 AHCI 보다 SSD에 최적화된 새로운 신호등 체계라 생각하면 되는데 지금부터 왜 NVMe가 필요하게 됐고 그로 인한 혜택은 무엇인가를 정리해 보도록 하겠다.

AHCI는 디스크가 회전하면서 데이터를 읽고 저장하는 HDD를 위해 개발된 기술이다. 지금의 SSD와 비교하면 1/4 수준의 순차 속도가 구현되는 HDD를 최적으로 활용하기 위해 개발됐고 SATA 인터페이스를 사용하는 지금의 SSD에도 문제 없이 사용이 가능한 기술 였다.

그러나 하나의 커맨드를 완료하는 과정에만 9번의 레지스터 접근과 그로 인한 지연 시간이 발생할 수 밖에 없는 AHCI로는 SSD의 빠른 응답속도를 모두 소화하는 것이 불가능하게 됐다.

HDD는 구조적으로 느린 응답속도 때문에 AHCI가 처리하는 방식이 문제가 되지 않았지만 SSD는 AHCI 때문에 지연이 발생할 수 밖에 없는 구조라서 2007년 인텔 주도로 NAND 메모리 기반 스토리지를 위한 NVMe 기술 개발이 시작됐다.

(자료 출처 : 삼성 반도체 )

NVMe는 SSD를 최대한 활용하기 위해 물리적인 대역폭 한계 극복과 지연에 따른 오버헤드 제거를 목표로 했다.

SATA로는 충분치 않던 물리적 대역폭 문제를 해결하기 위해 PCI Express를 버스 인터페이스로 사용하도록 만들었고 그 결과 외부 컨트롤러를 거쳐 내부 버스를 통해 CPU와 메모리로 전달되는 구조에 따른 지연 시간을 해결하면서도 물리적인 대역폭 한계도 극복할 수 있었다.

AHCI의 가장 큰 문제인 커맨드 처리에 따른 지연과 오버헤드는 레지스터 접근을 2번으로 줄이는 새로운 구조로 해결했다. 여기에 하나의 큐마다 64K 개의 엔트리를 보유할 수 있고 최대 64K 개의 큐를 생성할 수 있도록 만들어 하나의 커맨드 리스트로 32개의 커맨드만 소화할 수 있는 AHCI와는 비교 불가능하기 어려울 만큼 대량의 커맨드를 처리할 수 있도록 했다.

다중 코어로 진화된 프로세서에 맞춰 멀티 코어에도 대응이 가능해 AHCI에서는 꿈도 못 꿀 대량의 커맨드 처리가 가능한 것이 NVMe다.

간단히 정리하면, NVMe는 스토리지 장치를 위한 신호 규약이고 PCI Express 버스를 사용하는 SSD에만 적용되며 커맨드 처리 시간이 짧아서 고속 데이터 전송과 대량의 데이터 요구를 동시에 처리할 수 있다고 보면 된다.

참고로, 인텔이 실험한 데이터에 따르면 NVMe는 AHCI 대비 오버헤드가 50% 이상 감소할 뿐만 아니라 AHCI로는 10개의 CPU 코어가 있어야 달성할 수 있는 100,000 IOPS를 3.5개의 CPU 코어만으로 처리할 수 있도록 해준다고 한다.

인텔이 출시한 SSD 750 시리즈는 일반 PC 시장을 위해 출시된 최초의 NVMe SSD다. 필자가 입수한 샘플은 PCI Express x4 lane을 사용하는 카드형 제품이지만 SFF-8639 PCI Express 커넥터로 연결되는 2.5인치 카드형 제품도 있다. 2.5인치 카드형 제품은 Mini-SAS HD와 호환되는 별도의 커넥터 장치가 필요하기 때문에 PCI Express 슬롯에 꽂는 확장 카드형 제품이 주력 제품으로 자리 잡지 않을까 한다.

보드 업체들이 M.2 슬롯에 Mini-SAS HD 커넥터를 구현해 주는 어댑터를 추가로 공급할 계획이지만 CPU와 직접 연결되는 PCI Express 슬롯에 장착되는 카드형 제품이 더 나은 스토리지 환경을 제공할 수 있다.

SSD 750 시리즈의 속도는 440GB 제품이 순차 읽기 2,200MB/s, 순차 쓰기 900MB/s 그리고 1.2TB 제품이 2,400MB/s와 1,200MB/s다. 랜덤 읽기와 쓰기는 IOPS 기준으로 440GB가 43만과 23만, 1.2TB가 44만과 29만 IOPS를 제공할 수 있어 기존까지 출시된 그 어떤 데스크탑용 SSD 보다 빠른 랜덤 처리 속도를 제공해 줄 수 있다.

참고로, SATA6G 기반 2.5인치 SSD들은 아무리 빨라 봤자 10만 IOPS를 넘기지 못하는 것이 현실이다. M.2로 출시된 PCI Express SSD들도 랜덤 읽기에서 겨우 12만 IOPS를 달성했을 정도다.

SSD 750 시리즈의 뛰어난 데이터 전송 속도는 32개의 20nm 128Gb MLC NAND 플래시 칩과 18 채널을 지원하는 CH29AE41AB0 컨트롤러, 5개의 DDR3-1600 DRAM이 만들어낸 결과다.

일반적인 2.5인치 SSD들이 8채널 컨트롤러를 사용하는 것과 비교하면 2배 이상 많은 채널을 동시에 관리할 수 있는 구조여서 더 많은 데이터를 입출력 할 수 있고 그에 따라 필요한 버퍼로 1.25GB의 DDR3-1600 메모리를 사용한 것이다.

재미있는 건 인텔이 이미 출시한 서버용 NVMe SSD DC P3700과 소비자용 NVMe SSD 750 시리즈가 같은 컨트롤러를 사용한다는 점인데 스펙이 조금 낮은 것 빼곤 거의 같은 제품이라고 봐도 무방하다.

사실상 서버용 SSD가 일반 PC 시장에 출시된 것이다.

SSD 메이커는 자체 측정한 수치를 기준으로 스펙을 표기한다. 대부분 업계에서 통용되는 벤치마크 툴이나 평가 기준으로 측정된 데이터를 표기하지만 그 수치가 그대로 측정되는 경우는 드물다.

스펙 보다 조금 낮게 측정되는 것이 일반적인 SSD들인데 인텔 SSD 750 1.2TB는 예상을 깨고 스펙에 표기된 속도 보다 훨씬 높은 수치를 기록했다.

아무래도 테스트 환경이 다르다 보니 조금 다른 결과가 나타난 것이 아닐까 생각되지만 스펙에 표기된 수치 이상으로 측정된 경우는 이번이 처음이다.

IOMeter를 이용한 순차 읽기, 쓰기 속도는 ATTO Disk Benchmark에서도 나타났다. 스토리지 성능 측정에 가장 많이 이용되는 CrystaldiskMark는 예상보다 훨씬 낮은 속도가 측정 됐지만 압축 불가능한 데이터를 이용한 ASU에서도 인텔 SSD 750 1.2TB의 놀라운 속도는 그대였다.

그래프에 표기된 삼성 840 PRO나 플렉스터 M6 PRO 같은 기존 2.5인치 SATA SSD들은 어차피 급이 다른 제품들이라서 비교 자체가 무의미 하지만 그래도 NVMe&PCI EXpress 기반 SSD의 성능이 기존 제품 보다 얼마나 빠른가를 비교해 주기 위해 선택했으니 참고 바란다.

SSD의 진정한 가치는 순차 속도 보다는 랜덤 속도에 있다. 그리고 NVMe SSD의 진정한 가치도 순차 보다는 랜덤에 있는데 IOMeter를 이용한 4K 랜덤 속도 측정 결과를 보면 왜 그런가를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

기존 SATA기반 AHCI SSD들은 QD가 늘어나더라도 완만한 곡선을 보일 정도의 랜덤 데이터 처리가 가능하지만 인텔 SSD 750 1.2TB는 거의 40도 수준의 급격한 상승 그래프로 표현될 만큼 놀라운 랜덤 처리 성능을 자랑한다.

물론, 순차 성능처럼 스펙에 표기된 수치 보다 읽기 처리량이 많이 부족한 것은 사실인데 여기에는 NVMe의 또 다른 장점이 숨겨져 있다. 아래 그래프를 보자.

이 그래프들은 IOMeter에서 하나의 워커로 데이터를 처리하는 것과 4개의 워커로 데이터를 처리한 결과를 비교한 것이다.

SATA기반 AHCI SSD로 대표되는 삼성 840 PRO는 워커가 증가해 더 많은 작업을 요구하더라도 QD32 수준(4 워커, QD8)에 도달하면 더 이상의 속도 향상은 불가능해진다. 이와 달리 NVMe를 사용하는 인텔 SSD 750 1.2TB는 4개의 워커가 QD32로 작업을 처리할 때까지 계속 초당 처리량이 계속 증가한 것을 볼 수 있을 텐데 이것이 바로 NVMe의 장점이다.

물론, PCI Express Gen3 x4 Lane이 제공하는 대역폭이 없었다면 불가능한 일이지만 같은 대역폭이라도 AHCI 기반에서는 이런 차이를 경험하긴 힘들다.

앞서 설명했듯이 인텔 SSD 750 시리즈는 서버용 NVMe SSD DC P3700과 쌍둥이 제품이라 할 수 있는데 그러한 태생적 특징이 잘 나타나는 것이 성능 유지율 부분에서다.

서버급 스토리지들은 단시간 성능 유지가 가능한 일반 소비자 제품 보다 오랜 시간 제 성능을 유지할 수 있도록 설계되어 있다. 가끔 소비자용 SSD 중에서도 장시간 제 성능이 유지되는 제품도 있지만 일단 속도 자체가 급이 다르고 유지 시간에서도 상당한 차이가 있다.

특히, 랜덤 쓰기 속도 부분에선 길어야 2~3 분이 한계인데 인텔 SSD 750 1.2TB는 급격한 속도 하락 없이 장시간 지속이 가능한 것으로 나타났다.

고성능 서버 환경에 필요한 작업 부하에서도 거의 15분 가까이 최대 속도를 유지했으며 그 후에도 평균 작업량을 훨씬 뛰어 넘는 속도를 제공했다.

벤치마크 프로그램인 아닌 실제 사용 환경에서도 인텔 SSD 750 1.2TB의 놀라운 속도를 경험할 수 있을까? 이 궁금증을 확인하기 위해 파일 암호화와 복호화 작업 시간을 측정해 봤다.

암호화 및 복호화는 윈도우 8.1이 자체 제공하는 Bitlocker를 이용했으며 테스트에 이용한 데이터 용량은 게임 파일 137GB다.

결과는 굳이 설명하지 않아도 그래프를 보면 될 것인데 스펙에 표기된 읽기 속도 차이 만큼은 아니지만 거의 4배 가까이 인텔 SSD 750 1.2TB가 빨랐다.

파일 복사 시간에서도 인텔 SSD 750 1.2TB의 진가는 그대로 드러났다. 인텔 SSD 750 1.2TB의 진정한 가치를 평가할 수 있을 만큼 빠른 속도가 제공되는 복사용 스토리지 없기 때문에 가상의 램디스크를 만들어 파일 복사 속도를 비교해 봤는데 기존 SSD 대비 절반, 많게는 1/3 가까이 복사 시간이 줄어든 것으로 확인됐다.

일반적으로 새로운 인터페이스가 등장하면 기존 운영체제에서는 사용이 불가능한 것이 일반적이다.

특히, 윈도우 설치에서는 자체 드라이버가 없을 경우 별도의 드라이버 설치 과정이 필요하고 부팅용으론 사용이 어려운 경우도 많은데 인텔 SSD 750 시리즈는 윈도우 설치 뿐만 아니라 부팅용 스토리지로도 사용할 수 있다.

윈도우 8.1 자체적으로 표준 NVMe 드라이버를 내장하고 있기 때문에 윈도우 설치 시 바로 인식이 가능하고 NVMe를 지원하는 최신 바이오스만 있으면 X99 칩셋과 Z97 칩셋 메인보드에서 NVMe 스토리지를 인식하고 부팅 디스크로 선택할 수 있다.

참고로 NVMe는 UEFI 드라이버를 지원한다. UEFI 기반 바이오스에선 NVMe 스토리지를 인식할 수 있고 부팅용 디스크로 활용할 수 있지만 UEFI를 지원하지 않는 구형 메인보드에선 저장용 스토리지로만 사용이 가능하다.

인텔은 X99 칩셋과 Z97 칩셋에서만 SSD 750 시리즈에 대한 완벽한 호환성을 보장하고 있으며 ASUS와 MSI, 기가바이트만이 NVMe를 지원하는 바이오스를 공개한 상태다.

인텔 SSD 750 시리즈는 고성능 서버에서만 사용되는 고가의 제품을 일반 소비자들이 사용할 수 있도록 만든 제품이다.

고성능 서버에서나 구현되던 초당 GB급 데이터 전송 속도와 20~40만 IOPS 이상의 랜덤 처리량을 경험할 수 있는 유일한 제품이라서 당연히 비쌀 것 같지만 모두의 예상을 깨고 상당히 합리적인 가격에 출시된 아주 고마운 제품이다.

인텔 SSD 750 시리즈는 440GB가 389달러, 1.2TB가 1,029달러로 발표됐다. GB당 1달러도 안되는 가격이라서 기존 SATA SSD와 비교해도 그리 비싸다 볼 수 없다.

오히려 삼성 850 PRO 512GB 출시 가격과 비교하면 같은 가격에 성능은 2배, 아니 3배 이상 높은 제품을 살 수 있게 된 것이다.

국내 출시 가격도 큰 차이가 없을 것으로 예상되고 있는 만큼 SATA3 6Gbps에 묶여 진흙탕 싸움에서 벗어나지 못하고 거기서 거기인 도토리 키 재기 같은 2.5인치 SSD는 그만 접고 진정한 속도의 한계를 보여줄 PCI Express NVMe SSD, 인텔 SSD 750 시리즈를 선택하는 것이 현재로써는 가장 현명한 선택일 듯 싶다.

출처 : http://www.kbench.com/?q=node/149517

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