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작성일 : 19-09-23 10:29
NVMe M.2 SSD의 특징은?
 글쓴이 : 관리자
조회 : 242  

고사양 게이밍 PC에 대한 수요가 높아지면서 PC 성능의 발목을 잡는 주범인 스토리지 성능을 개선하기 위해 고성능 SSD를 찾는 사람이 늘어나고 있다. 그 동안 PC에 사용되던 주력 스토리지는 최대 600MB/s의 SATA 6Gbps 대역폭 한계에 묶여 있었지만, 요즘에는 PCIe 3.0 x4 NVMe 인터페이스로 최대 속도가 3,500MB/s에 달하는 M.2 SSD들이 각광을 받고 있다.
 



 




NVMe M.2 SSD의 특징은?

M.2 SSD는 초기에는 비교적 가격이 저렴한 SATA 방식을 많이 썼는데, SATA M.2 SSD는 크기만 줄었을 뿐 성능은 2.5인치 SATA SSD와 똑같은 SATA III 6Gbps 대역폭에 묶인다.

그와 달리 NVMe M.2 SSD는 PCIe 3.0 x4 Lanes으로 연결되어 SATA SSD보다 훨씬 빠른 성능을 제공한다. 메인보드 M.2 슬롯에 따라 NVMe와 SATA를 모두 지원하거나 어느 한 쪽만 사용 가능한 경우가 있으므로 구매 전에 미리 파악해두는 것이 좋다.
 

인터페이스 외에 SSD에 들어가는 낸드 플래시 메모리 종류도 제품 성능 및 수명에 큰 영향을 준다. SLC부터 QLC까지 셀당 더 많은 정보를 저장하게 되면 SSD 용량을 더 크게 만들 수 있지만 반대로 쓰기 수명이 정해진 낸드 플래시를 자주 지우고 쓰게 되니 SSD 수명이 급격히 떨어진다. 더욱 미세해진 정보를 정확히 파악하고 에러를 정밀하게 고치기 위한 과정도 복잡해진다.
 

하지만 같은 조건에서 더 높은 용량을 만들 수 있어 저장용량이라는 스토리지 본연의 목적을 충족시킬 수 있으며, 동시에 SSD 컨트롤러 및 캐시 관리, NVMe 인터페이스와 3D 낸드 플래시 등 기술 발전으로 성능 하락을 최소화하는 쪽으로 SSD는 계속 발전 중이다.

지난 해부터 64단(64-layer) 3D 낸드가 본격화되고 올해는 90단 이상까지 올라간 3D 낸드가 나오고 있는데, 하나의 셀에 하나의 정보만 저장되는 SLC 방식은 지금은 거의 캐시 용도로만 쓰이고 일반 소비자용 SSD는 MLC 단계도 넘어 사실상 TLC 방식이 표준이 되었다. QLC SSD도 지난 해부터 점점 늘어가기 시작한다.

테스트용 NVMe M.2 SSD 4종 소개

보드나라에서는 지난 해부터 국내 소비자들에게 잘 알려진 NVMe M.2 SSD 중 몇 가지를 통해 각 NVMe M.2 SSD의 특징과 성능을 살펴보기로 했다. 대상 모델은 국내에서도 정식 출시되었으나 작년 하반기 200달러 미만 해외 직구로 많이 소개된 NVMe M.2 SSD 4종을 잡았다.

한가지 아쉬운 점은 NVMe M.2 SSD보다 가격이 저렴한 SATA M.2 SSD를 포함시키지 못했다는 것인데, 대신 일반적으로 쓰이는 2.5인치 SATA SSD와 3.5인치 SATA HDD를 추가했다.
 

삼성 970 PRO는 3D TLC 낸드가 대부분인 SSD 시장에서 64단 3D MLC 낸드(V-NAND)를 사용해 성능 및 수명이 우수하다. 그 대신 가격이 비싸 3D TLC가 들어간 1TB SSD를 구입할 가격에 절반 용량의 모델을 구입할 수 있다. 3D TLC 낸드를 쓴 삼성 970 EVO가 500GB 용량으로 출시된 것과 달리 3D MLC 낸드 플래시를 사용한 삼성 970 PRO는 512GB 용량으로 표시된다.

삼성 피닉스(Samsung Phoenix) 컨트롤러와 LPDDR4 캐시 메모리를 탑재했으며 이전 시리즈(960 PRO)보다 약 30% 개선된 속도를 지원한다. 별도의 M.2 히트싱크는 달려있지 않으며 니켈 코팅된 SSD 컨트롤러와 열 분산 필름을 장착해 효율적으로 열을 발산한다. 또한 과열 방지 기능으로 자동으로 온도를 모니터링해서 최적의 온도를 유지한다.
 

WD Black 3D NVMe SSD 1TB (2018) 모델은 지난 연말 해외 직구 SSD 가운데 고성능 제품으로 인기를 끌었다. WD 자체 개발 (샌디스크) 컨트롤러를 도입하고 샌디스크-도시바의 BiCS 64단 3D TLC 낸드를 사용해 삼성 970 EVO와 PRO 사이의 성능을 보여주는 것으로 인정받았다.

 WD는 올해 신제품 WD Black SN750 NVMe SSD를 출시했는데, 이 제품보다 연속 및 임의 읽기 속도를 향상시켰으며 EKWB 설계 히트싱크 옵션을 제공한다.
 

HP SSD EX920 M.2 1TB는 지난 해 가성비(가격대비 성능)가 높은 해외 직구 SSD로 주목을 받았는데, HP H8038 컨트롤러와 1GB DDR3 캐시 메모리, 마이크론 64단 3D TLC 낸드 플래시를 사용한다. 

3,200MB/s의 빠른 연속 읽기 속도에 비해 1,800MB/s의 연속 쓰기 속도는 약간 낮은 편이지만 SATA SSD에 비하면 여전히 빠른 성능을 구현하는 중상급 NVMe M.2 SSD라고 볼 수 있다. (관련기사: 해외 직구로 더 유명한 SSD, HP SSD EX920 M.2 1TB)

SSD 온도 센서가 54도로 고정되는 버그가 있어 장시간 쓰기 작업을 할 때 과열 방지 기능이 제대로 동작하지 않는 문제가 있었으나 펌웨어 업데이트를 통해 관련 문제를 해결할 수 있는 걸로 알려졌다.

HP는 가성비가 높은 EX920 외에도 D램 캐시를 제거하고 가격을 낮춘 EX900과 삼성/WD처럼 고성능을 지원하는 EX950 시리즈도 판매하고 있다.
 

Crucial P1 시리즈는 3D QLC 낸드 기반 NVMe M.2 SSD다. 제품 크기와 인터페이스, 컨트롤러, 캐시 메모리 등의 주요 스펙은 3D TLC SSD와 비슷하고 마이크론 64단 QLC 낸드 플래시를 사용하고 있는 것이 다르다. 연속 읽기 2,000MB/s 및 연속 쓰기 1,700MB/s의 속도를 지원하므로 성능은 무난하지만 QLC 특성상 쓰기 수명이 MLC/TLC 낸드보다 떨어지는게 단점이다.

쓰기 작업이 많고 SSD 수명이 걱정되는 사람이라면 Crucial SSD 관리 프로그램을 통해 OP(Over Provisioning) 영역을 더 할당하거나 시스템 메모리 일부를 추가 캐시로 활용하는 기능을 사용할 수 있다. (관련기사: QLC 낸드 SSD 시대의 첨병, 마이크론 크루셜 P1 500GB 아스크텍)

SSD 특성상 용량이 클수록 성능이 올라가고 쓰기 수명도 늘어나기 때문에 QLC SSD를 구입한다면 500GB보다 1TB 이상 제품을 선택하는 것이 좋다.
 

PCI Express 인터페이스를 사용하는 NVMe M.2 SSD와 달리 기존 SATA 방식 2.5인치 SSD는 6Gbps라는 SATA III 대역폭 한계로 더 높은 성능을 내기 힘들다. 메인보드에 직접 장착하는 M.2 SSD와 달리 SATA 전원 및 데이터 케이블을 연결해줘야 한다.

그래도 실사용 환경에서 SATA와 NVMe M.2 SSD 체감 성능 차이가 HDD와 SSD 정도로 크지 않고 데스크탑 PC의 경우 M.2 슬롯보다 SATA 커넥터가 많아 보다 유연한 스토리지 구성을 할 수 있다. M.2 슬롯에 장착할 수 있는 SATA SSD도 있지만 공간 절약에 도움이 될 뿐 성능은 2.5인치 SATA SSD와 차이가 없다.

씨게이트 바라쿠다(Seagate Barracuda) SSD 1TB 모델은 WD/Toshiba 64단 3D TLC 낸드와 씨게이트(Phison) 컨트롤러, 1GB 캐시 메모리를 사용해 연속 읽기 560MB/s 및 연속 쓰기 540MB/s의 속도를 제공한다.
 

그 밖에 SSD의 성능이 기존 HDD와 얼마나 차이가 있는지 비교하기 쉽게 SATA HDD도 테스트 항목에 추가했다. 3.5인치 데스크탑 PC 스토리지로 최대 14TB 용량을 제공하는 씨게이트 바라쿠다 프로(Seagate Barracuda Pro) 14TB 모델로 7200 RPM 속도 및 256MB 캐시, SATA 6Gbps 인터페이스를 갖췄다.
 

5가지 SSD의 주요 스펙을 비교해보면 고성능 NVMe M.2 SSD에 속하는 삼성 970 PRO 및 WD Black (2018) SSD 가격이 상대적으로 비싸고 중급형 모델인 HP SSD EX920과 QLC 제품 Crucial P1이 좀더 저렴하다. 1TB SATA SSD 비교 제품으로 들어간 씨게이트 바라쿠다 SSD 가격은 NVMe M.2 SSD보다 싸게 구입할 수 있다.

MLC 낸드를 사용한 삼성 970 PRO는 1TB TLC SSD들과 비슷한 수준의 읽기/쓰기 성능과 낸드 수명을 가졌으며, QLC 낸드를 쓰는 Crucial P1의 기록 수명(쓰기 내구성)이 동일 용량 TLC SSD보다 낮은 것으로 나온다.

SSD 기본 성능 비교

4개의 NVMe M.2 SSD와 1개의 SATA SSD 성능 및 특징을 살펴보기 위해 테스트 시스템을 구성했다. 이미 보드나라에서 몇 번 SSD 관련 기사에 사용한 AMD 라이젠 시스템에 윈도우 10 최신 버전(RS5)을 적용했다.
 

NVMe M.2 SSD들은 빠른 성능과 작은 크기 때문에 온도가 빠르게 상승해 내부 부품의 수명이나 안정성에 영향을 줄 수 있다. 이 때문에 SSD 발열이 높아지면 성능을 떨어뜨려 온도를 낮추는 스로틀링이 걸리게 된다.

이번 기사는 특정 SSD 제품의 발열 측정 목적이 아니라 낸드 플래시 특성에 따른 NVMe M.2 SSD 성능을 비교하기 위한 것이므로 예전에 보드나라에서 리뷰했던 M.2 전용 쿨러를 장착해 원활한 쿨링 환경을 조성했다.
 

일반적으로 가장 쉽고 간편하게 SSD 성능을 살펴볼 수 있는 CrystalDiskMark를 돌려본 결과 4종의 M.2 SSD와 1개의 SATA SSD 모두 제품 스펙과 거의 같은 연속 읽기/쓰기 성능을 기록했다.

4K 랜덤 읽기/쓰기 성능은 SSD별로 차이가 있었으나 4종 모두 SATA SSD보다 빠른 성능을 보였으며, SATA 6Gbps 인터페이스 때문에 성능에 한계가 있는 SATA SSD도 같은 인터페이스를 쓰는 SATA HDD보다 훨씬 빠르다.

연속 쓰기 성능은 고성능 3D TLC NVMe M.2 SSD인 WD Black (2018) 1TB 모델이 가장 빨랐지만 캐시 영역으로 인한 효과가 크기 때문에 4K 랜덤 쓰기를 포함한 실사용 조건이라면 3D MLC가 들어간 삼성 970 RPO 512GB가 좀더 나을 것으로 보인다.
 

CrystalDiskMark에서 90% 더티 상태로 테스트 파일 크기를 32GB로 늘린 경우에도 4종의 NVMe M.2 SSD 모두 스펙상 성능을 준수한다. QLC 낸드 때문에 우려했던 Crucial P1 1TB도 클린 상태와 비교해 성능 변화가 없었다. 다만 WD Black (2018) 1TB 및 HP SSD EXP920 1TB는 90% 더티 상태에서 4KB 랜덤 전송 속도 일부가 하락했다.
  

AS SSD 벤치마크 결과도 CrystalDiskMark와 결과값이 낮을 뿐 각 제품간 특성이나 성능 차이는 비슷하게 유지되고 있는 것으로 나온다. 3D MLC 고성능 모델인 삼성 970 PRO가 절반의 용량에도 불구하고 3D TLC 고성능 WD Black (2018) 1TB 모델과 호각으로, 랜덤 쓰기 및 액세스 타임은 더 빠르게 측정됐다.

3D QLC 낸드를 사용한 Crucial P1 1TB SSD는 CrystalDiskMark보다 연속 읽기 성능이 떨어지게 측정됐으며, 랜덤 쓰기 액세스 타임이 MLC/TLC 낸드 SSD보다 약간 느리게 나왔다. 그러나 NVMe M.2 인터페이스 이점인지 동일 용량 SATA SSD보다는 모든 항목에서 결과가 높았다.

HDD의 경우 모터로 회전 하는 플래터 위에 헤드 암이 특정 구간으로 이동해 데이터를 읽고 쓰는 방식이라 메모리 주소로 바로 접근 가능한 SSD보다 랜덤 읽기/쓰기와 액세스 타임 모두 크게 느려질 수 밖에 없다.
 

ATTO Disk 벤치마크는 구간별 연속 읽기 및 연속 쓰기 성능을 파악하기 좋은데 3D MLC 낸드를 쓴 삼성 970 PRO 512GB와 3D TLC 낸드를 사용한 WD Black (2018) 1TB는 공식 스펙보다 약간 높은 성능을, HP SSD EX920 1TB는 CrystalDiskMark 때와 마찬가지로 스펙보다 약간 낮은 읽기/쓰기 성능을 기록했다.

그러나 일반 SSD 및 HDD는 ATTO Disk 테스트에서 일정 구간이 넘어가면 최대 성능을 끝까지 유지하는 것과 달리 3D QLC 낸드가 들어간 Crucial P1 1TB는 중간 부분에서 최대 성능을 기록하고 이후 성능이 하락하는 것으로 측정됐다.
 

Anvil's Storage Utilities 테스트 결과도 다른 벤치마크 도구와 동일한 결과를 확인하는데 충분했다. 3D MLC 낸드가 들어간 삼성 970 RPO 512GB가 3D TLC 1TB SSD와 비슷한 성능을 보여주는데, 가격을 고려하지 않고 같은 1TB 기준으로 한다면 3D MLC NVMe M.2 SSD가 성능 면에서 최고의 선택이다.

반대로 같은 가격이면 용량이 2배 많은 고성능 3D TLC NVMe M.2 SSD를 선택하는 것도 나쁘지 않다. 또한 벤치마크 점수 놀이나 부하가 많은 디스크 작업을 하지 않는다면 실사용 체감 성능 차이가 없는 중급형 NVMe M.2 SSD나 가성비가 높은 SATA SSD도 하나의 선택지다.

SATA HDD는 SSD 한 두 개로는 해결하기 힘든 고용량 스토리지를 구현하는데 도움을 주며, 시스템에 따라서는 인텔 옵테인 메모리(Intel Optane Memory)나 AMD 스토어 미(StoreMI)와 같은 HDD 캐싱 드라이브 도움을 받을 수 있을 것이다.

캐시 효과 빠진 SSD 실제 쓰기 성능은?

SSD에 들어가는 낸드 플래시 메모리는 쓰기 수명이 있기 때문에 대부분의 SSD는 낸드 수명을 절약하기 위한 캐시(Cache) 기술을 갖고 있다. HDD보다 많은 용량의 캐시 메모리(DRAM)를 탑재하거나 전체 낸드 플래시 용량 중 일부 영역을 SLC 구조로 만들어 자주 쓰고 지우는 작업에 활용한다. D램이 없는 SSD는 시스템 메모리 중 일부를 캐시용으로 쓰기도 한다.

하지만 전체 SSD 용량에 비해 캐시 영역으로 커버할 수 있는 용량에 한계가 있다보니 장시간 연속 쓰기 작업을 하면 일정 구간을 지나 쓰기 속도가 급격이 낮아지게 된다. 이런 현상은 500GB 이하 SSD에서 많이 볼 수 있는데 보드나라에서 예전에 테스트했던 3D TLC NVMe M.2 SSD 삼성 970 EVO와 WD Black (2018) 500GB 모델에서도 발생했다.
 

HD Tune 5.60 파일 벤치마크에서 100GB 용량을 랜덤으로 읽기/쓰기를 진행한 결과 3D MLC 낸드를 사용한 삼성 970 PRO 512GB는 예전에 3D TLC를 썼던 삼성 970 EVO 500GB와 달리 캐시 영역을 지나면서 성능이 급격히 하락하는 현상 없이 테스트 끝까지 일정한 쓰기 성능을 유지했다.

3D TLC 낸드를 쓴 WD Black (2018) 1TB 모델은 캐시 영역을 넘어가면 쓰기 성능이 1,400MB/s대로 내려갔지만, 예전에 살펴본 500GB 모델보다 캐시 성능이 유지되는 구간 및 이후 쓰기 성능 역시 2배 정도 높았다. 3D TLC 낸드라고 해도 용량이 크면 SSD 수명과 성능 향상에 큰 도움이 된다.

같은 3D TLC 낸드를 사용한 HP SSD EX920 1TB는 극적인 캐시 버프는 없었지만 WD Black 1TB 실제 쓰기보다 약간 높은 쓰기 속도를 일정하게 유지했는데, 테스트 구간 끝부분에서 성능이 떨어지기 시작한 것을 볼 수 있다. 
3D QLC 낸드를 사용한 Crucial P1 1TB는 QLC SSD여서 캐시 영역 제한이나 쓰기 성능 하락이 클 거라는 예상과 달리 파일 벤치마크에서 읽기와 쓰기 성능이 거의 비슷하게, 오히려 쓰기 성능이 좀더 높게 측정됐다.

씨게이트 바라쿠다 SSD 1TB는 SATA 6Gbps 대역폭 한계로 읽기/쓰기 성능은 500MB/s대를 기록했지만 SATA HDD보다는 2배 이상 빠르다.
 

보다 정확한 쓰기 성능 하락 구간을 파악하기 위해 나래온 더티 테스트 6.0.4로 전체 SSD 용량의 90%까지 쓰기 테스트를 실시했다. 3D MLC 낸드가 들어간 삼성 970 PRO 500GB는 TLC낸드를 쓴 970 EVO 500GB 때와 달리 캐시 성능 하락 구간 없이 전체 영역에서 일정한 비슷한 그래프로 표시된다.

고성능 3D TLC NVMe M.2 SSD에 해당하는 WD Black (2018) 1TB는 HD Tune 파일 벤치마크 때 기본 캐시 적용 구간이 12~13GB 정도였던게 확인되었으니, 전체 테스트 구간에 비해 캐시 효과가 적용되는 부분이 매우 짧게 느껴진다. 그래도 큰 성능 변화 없이 일정 구간의 쓰기 성능을 보여준다.

앞서 HD Tune 파일 벤치마크 100GB 영역 마지막에 살짝 성능 하락이 나타났던 HP SSD EX920 1TB는 나래온 더티 테스트에서 거기까지가 캐시 효과가 적용되는 구간이었음을 확인시켜준다.

Crucial P1 1TB는 사실 전체 용량 쓰기 테스트에 가장 불리한 QLC SSD인데 나래온 더티 테스트에서는 WD나 HP의 1TB 3D TLC SSD보다 캐시 효과가 유지되는 구간이 긴 것으로 측정됐다. 문제는 테스트 그래프가 위아래를 꽉 채우고 있다는 건데, 이는 쓰기 속도의 변화(편차)가 매우 크고 시간이 지연되면서 그래프 간격이 붙어있다는 것을 의미한다.

씨게이트 바라쿠다 SSD 1TB는 SATA 6Gbps 인터페이스 때문에 쓰기 속도가 500MB/s 수준을 넘지 못하고 있는 것을 확인할 수 있다.
 

나래온 더티 테스트에서 측정된 평균 속도 대신 디스크 쓰기 용량을 테스트 시간으로 나눈 실제 쓰기 속도를 계산해보면 SSD별 성능 차이가 확실히 벌어진다. 3D MLC 낸드를 사용한 삼성 970 PRO 512GB는 제품 스펙과 거의 차이가 없는 실제 쓰기 속도를 기록했다.

3D TLC 낸드를 쓴 WD Black (2018) 1TB 및 HP SSD EX920 1TB는 캐시 영역을 벗어나면 쓰기 속도가 하락했지만 나래온 더티 테스트에 기록된 평균 속도와 실제 속도에 차이가 크지 않았다. 이는 3D TLC 낸드 기반 SATA SSD인 씨게이트 바라쿠다 SSD 1TB도 비슷했다.

그러나 Crucial P1 1TB는 같은 용량의 3D TLC SSD와 비교해 나래온 더티 테스트에 몇 배의 시간이 걸렸다. 테스트 프로그램에서 최대 속도와 최소 속도가 계속 번갈아 가면서 측정되어 평균 속도는 SATA SSD보다 높은 것처럼 나오지만, 평균 속도 50% 미만 구간이 절반을 넘고 실제 평균 쓰기 속도를 계산하면 117.7MB/s 밖에 안 된다. 
 

삼성 970 PRO 512GB의 경우 3D MLC 낸드를 사용했다는 것 외에 디스크 용량이 다른 SSD들의 절반이라 혹시 90% 쓰기에서 유리할 수도 있으므로 이번에는 모든 SSD에 같은 용량의 쓰기 테스트를 하고 실제 성능을 살펴보았다. 

단, SSD 제품별로 SLC 캐시에 사용하는 비율이 다르고 나래온 더티 테스트는 남길 용량만 지정 가능하기 때문에 삼성 970 PRO 512GB는 전체 디스크의 50%, 나머지 1TB SSD들은 전체 디스크의 25%로 쓰기 성능을 측정했다.