저장장치 대세 된 'SSD'의 모든 것

[테크따라잡기]
디지털 방식 채용해 기존 기계식 한계 극복
AI 시대 본격화로 SSD 시장도 성장 전망

/그래픽=비즈워치

지난해부터 불황이 지속되던 반도체 업황이 최근 반등 조짐을 보이고 있는데요. 반도체 훈풍 속에서 기업용 SSD(솔리드스테이트드라이브) 시장도 개선세에 접어들었다는 소식이 들립니다. 서버 출하량이 점진적으로 회복되며 시장의 유통 재고가 줄고, 고객사들의 주문이 점차 늘어나고 있는 것이죠.

시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올 3분기 기업용 SSD 시장 매출 규모는 2분기 대비 4.2% 증가한 15억6300만 달러(약 2조원)으로 집계됐습니다. 그중에서도 이 시장 1위인 삼성전자는 전 분기 대비 10.8% 증가한 5억5800만 달러(약 7200억원)의 매출을 기록하며 선방했는데요. 시장점유율도 전 분기 35.2%에서 37.4%로 높아지며 2위인 SK하이닉스(24.9%)와의 격차를 벌렸죠.

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SSD는 메모리 반도체를 저장매체로 사용하는, 디지털 방식의 데이터 저장장치를 말합니다. SSD는 필요한 상황이나 기능에 따라 다양한 종류로 분류되는데요. 사용처에 따라 대용량의 데이터와 보안을 요하는 '기업용 SSD'를 비롯해 보안 및 외부 충격을 대비한 '포터블 SSD'와 작고 가볍고 빠른 성능의 'PC·랩탑용 SSD' 등으로 나뉘죠.

HDD 대체한 SSD

SSD의 특징은 데이터를 반도체에 저장한다는 것입니다. SSD가 도입되기 전에는 HDD(Hard Disk Drive)를 주로 활용했는데요. 이는 보통 '하드'라고 불렸죠. HDD는 금속이나 유리로 만들어진 원형 판 '플래터(Platter)'와 바늘 모양의 '헤드(Head)'로 구성된 기계식 저장장치입니다. 1990년대에는 개인용 컴퓨터의 핵심 부품으로 자리 잡을 만큼 대중들의 오랜 사랑을 받았죠.

하지만 HDD는 성능 개선에 한계가 있었습니다. HDD의 원리는 회전하는 플래터의 데이터를 헤드를 통해 읽고 쓰는 것인데요. 마치 턴테이블에 올린 LP판이 회전하면 바늘로 홈을 읽어 음악이 재생되는 것과 비슷하죠. 물리적으로 모터를 돌리다 보니 전력 소비와 발열, 소비 문제 등이 필연적이었습니다. 플래터의 회전 속도가 빠를수록 데이터를 읽고 쓰는 속도가 빨라져 성능이 향상되는데, 이 회전 속도를 높이는 데에도 한계가 있었죠. 

/사진=삼성넌자 반도체 뉴스룸

이와 달리 SSD는 데이터를 반도체에 저장하기 때문에 HDD와 같은 모터 방식의 구동 장치가 필요하지 않습니다. 덕분에 열과 소음이 발생하지 않고, 데이터 처리 속도가 빠르고요.

전력 절감에도 효과적입니다. 삼성전자 반도체 뉴스룸에 따르면 2020년 출하 기준 전 세계 서버용 HDD를 삼성전자의 최신 SSD로 바꾸면 3TWh(테라와트시)의 전력을 절감할 수 있다고 합니다. 이는 지난 2021년 기준 서울 송파구 구민이 1년 동안 사용한 전력 사용량(약 2.853TWh)보다 많은 양입니다.

직렬 배열 '낸드'로 효율 UP

SSD의 작동 원리를 좀 더 자세히 알아볼까요? SSD는 '낸드 타입 플래시 메모리를 사용한 디지털 방식의 데이터 저장장치'로 정의할 수 있습니다. 하나씩 살펴보면 플래시 메모리는 '셀(cell)' 단위로 데이터를 저장하는 기억장치고요. 이는 셀을 직렬로 배열한 낸드 타입과 병렬로 배열한 노어 타입으로 구분됩니다.

/사진=삼성전자 반도체 뉴스룸

노어 타입의 경우 셀을 병렬로 배열해 한 번에 여러 개의 비트(신호를 담아내는 최소 단위의 그릇)를 읽을 수 있어 읽기 속도가 빠르지만, 각 셀의 주소를 기억하는 과정이 필요해 쓰기 속도가 느리다고 하고요. 낸드 타입의 경우 한 블록 전체를 기록하기 때문에 쓰기 속도가 빠르지만, 한 번에 하나의 비트만 읽을 수 있어 읽기 속도가 느립니다. 하지만 기술 발전에 따라 속도 격차가 줄면서 비용 측면에서 합리적인 낸드 타입을 채용하는 경우가 많아졌죠.

SSD 내부는 많은 부품이 촘촘하게 들어있는데요. 가장 중요한 부품은 외부에서 들어온 명령어를 해석하고 처리하는 컨트롤러, 데이터를 저장하는 낸드 플래시와 D램입니다. D램에 저장한 데이터는 전원이 꺼지면 날아가기 때문에, 최종 데이터 저장은 낸드 플래시에 하게 되는데요.

SSD의 성능을 높이기 위해서는 낸드에 많은 데이터를 담는 것이 핵심입니다. 즉, 한 공간에 얼마나 조밀하게 많은 데이터를 저장할 수 있는 것이 중요하다는 뜻이죠. 이 척도를 '집적도'라고 합니다. 

높이쌓기 대결 시작

반도체 업계에서는 집적도를 높이기 위한 기술 개발을 지속하고 있습니다. 해결책을 내놓은 것은 삼성전자였는데요. 삼성전자는 지난 2013년 낸드플래시를 수직으로 쌓아 올리는 적층 기술을 적용하기 시작했습니다.

/사진=삼성전자 반도체 뉴스룸

이해를 돕기 위해 데이터를 '인구', 데이터 저장소인 셀을 '집'으로 비유해 볼게요. 인구가 적으면 단독 주택이라도 이웃과의 충돌이 적겠지만, 인구 밀도가 늘어나 단독 주택 간의 거리가 좁아지면 소음 등 간섭이 발생하겠죠. 이를 해결할 방법은 단독 주택을 아파트와 같이 수직으로 쌓아 올리는 것입니다. 그럼 더 많은 인구가 간섭 없이 머무를 수 있겠죠.

삼성전자 반도체는 이를 낸드 기술에 적용했습니다. 적층 기술을 적용한 낸드를 '3D(수직) 낸드'라고 부릅니다. 평면(2D)이던 낸드를 쌓아 직육면체(3D) 구조로 만들었기 때문이죠. 이후 낸드 제조 기업들은 낸드 적층 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 이른바 '높이 쌓기' 대결인데요. 지난해 삼성전자와 SK하이닉스가 230단 고지를 넘어선 이후, 낸드의 '단 수' 경쟁은 아직도 지속되고 있죠. 

올해 8월에는 SK하이닉스가 업계 최초 300단 이상 낸드 개발을 진행 중이라고 공식화하면서 '300단 경쟁'도 시작됐습니다. SK하이닉스는 321단 낸드의 완성도를 높여 2025년 상반기부터 양산할 계획이고요. 삼성전자가 내년 양산을 앞둔 '9세대 V낸드'도 단수가 300단 전후로 추정됩니다.

다만 최근 낸드 시장은 같은 메모리 반도체인 D램 대비 더 힘든 겨울을 보내고 있는데요. 치열한 경쟁과 공급 과잉으로 재고가 쌓이자 반도체 업체들은 생산량을 조절해 대응에 나선 상황입니다. 이런 상황에서 기업용 SSD 수요가 늘었다는 것은 긍정적입니다. AI(인공지능) 시대가 본격화되면서 D램을 넘어 낸드 시장까지도 훈풍이 불고 있다는 뜻이기 때문이죠.

김동원 KB증권 연구원은 "내년부터 북미 데이터센터 업체들이 인공지능 서비스 확대를 계획하고 있어 서버 증설로 기업용 SSD가 증가세로 전환할 것"이라며 "낸드플래시 가격 회복세에 맞춰 삼성전자와 SK하이닉스의 실적이 개선될 가능성이 높다"고 설명했습니다.

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백유진 (byj@bizwatch.co.kr)

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