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일오_ [1335396] · MS 2024 · 쪽지

2025-09-28 12:10:58
조회수 159

내 글은 왜 지피티스러울까

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알수가없구나


내글)


이전까지 컴퓨터의 대다수에 사용되었던 주기억장치인 하드 디스크 드라이브(HDD)는 부품의 물리적인 동작 속도로 인해 성능 향상에 한계가 있었다. SSD는 물리적으로 움직이는 부품을 없애 이러한 한계점을 극복한 신식 저장 장치이다. SSD는 물리적으로 움직이는 부품 없이 어떻게 정보를 저장하는 걸까?


SSD는 크게 플래시 메모리와 컨트롤러 두 부분으로 구성된다. 플래시 메모리는 실제로 정보를 저장해두는 역할을 하고, 컨트롤러는 컴퓨터의 정보 처리 명령을 변환하고 정보 저장 위치를 제어하는 역할을 한다. 플래시 메모리는 NOR형과 NAND(낸드)형으로 나눌 수 있고 이 중 SSD에 주로 사용되는 플래시 메모리는 낸드형 플래시 메모리이다.


낸드형 플래시 메모리의 작동 방식을 알기 위해서는 먼저  가 어떻게 작동하는지 알아볼 필요가 있다. MOSFET 트랜지스터는 P형 반도체로 만들어진 P층으로 이루어진 바디의 양쪽에 N형 반도체로 이루어진 소스 영역과 드레인 영역이 박혀 있는 형태를 가지고 있다. MOSFET 트랜지스터의 바디에서 소스 영역과 드레인 영역은 서로 떨어져 있으며, MOSFET 트랜지스터는 바디 위에 산화막과 금속이 순서대로 쌓여 만들어진 컨트롤 게이트가 소스 영역과 드레인 영역을 연결하는 형태를 가지고 있다. 컨트롤 게이트에 전압을 걸지 않은 상태에서는 소스 영역과 드레인 영역이 서로 차단되어 전자가 그 사이로 이동할 수 없다. 그러나 컨트롤 게이트에 양의 전압을 걸어주게 되면 컨트롤 게이트가 양전하로 대전되고, 컨트롤 게이트가 바로 아래에 위치한 양공을 밀어냄과 동시에 전자를 끌어당겨 소스 영역과 드레인 영역 사이에 통로를 만든다. 이 때 이 통로를 통해 전류가 흐를 수 있게 되는 것이다. 


낸드형 플래시 메모리의 구성 요소인 셀은 MOSFET 트랜지스터와 거의 동일한 구조를 가지고 있는데, MOSFET 트랜지스터의 컨트롤 게이트와 바디 사이에 컨트롤 게이트와 마찬가지로 산화막과 금속으로 이루어진 플로팅 게이트가 추가된 것이 그 구조이다. 낸드형 플래시 메모리의 컨트롤 게이트와 드레인 영역에 강한 양의 전압을 걸어 주면 MOSFET 트랜지스터와 같이 소스 영역과 드레인 영역 사이에 통로가 생긴다. 그러나 이 통로를 통해 드레인 영역으로 이동하는 전자 중 일부는 플로팅 게이트와 바디 사이에 위치한 산화막을 통과해 플로팅 게이트로 들어가게 된다. 이 때 전압을 끊으면 플로팅 게이트 안에 있는 전자는 산화막을 다시 통과하지 못해 플로팅 게이트 안에 저장되고, 이것이 플래시 메모리에 정보가 저장되는 과정이다. 또, 낸드형 플래시 메모리의 P층에 강한 양의 전압을 걸어주면 플로팅 게이트에 저장되어 있던 전자가 빠져나오게 되는데, 이것이 플래시 메모리에 저장된 정보가 지워지는 과정이다. 여기서 전자가 플로팅 게이트에 저장되었을 때 값은 ‘0’, 저장되지 않았을 때 값은 ‘1’이 된다. 


이렇게 저장된 정보는 컴퓨터에서 컨트롤러를 통해 읽을 수 있다. 그러나 컴퓨터의 파일 저장 시스템은 HDD의 저장 단위인 섹터를 기반으로 하므로 컴퓨터의 섹터 기반 정보 처리 명령을 플래시 메모리에서 읽고 쓸 수 있는 최소 단위인 페이지 기반 정보 처리 명령으로 바꾸는 것이 필요하다. 이 때 사용되는 부품이 플래시 변환 계층이다. 플래시 변환 계층은 컴퓨터에 SSD의 정보 저장 단위인 페이지와 뱅크를 HDD의 정보 저장 단위인 섹터와 트랙로 인식시킨다. 이렇게 컴퓨터는 SSD에도 정보를 저장할 수 있게 된다.










지피티글)

컴퓨터의 저장 장치는 크게 자기 디스크 방식과 반도체 방식으로 구분된다. 자기 디스크를 사용하는 HDD는 회전하는 원판 표면에 자성을 기록하고 이를 기계적으로 읽는 방식을 사용한다. 반면 SSD는 움직이는 부품이 전혀 없이 전자 신호만으로 데이터를 저장하고 읽어낼 수 있는 반도체 기반의 플래시 메모리를 사용한다. 이 차이는 곧 저장 장치의 속도와 안정성에 큰 영향을 주며, 최근에는 SSD가 휴대용 기기부터 고성능 서버에 이르기까지 널리 사용되는 배경이 된다.


플래시 메모리의 가장 작은 저장 단위는 셀(cell)이며, 이 셀은 부유 게이트(floating gate)라는 구조를 통해 전자를 가두거나 방출한다. 전자가 존재하면 0, 존재하지 않으면 1로 인식되는 방식으로 정보를 표현하는 것이다. 이러한 구조 덕분에 SSD는 자기적 신호 대신 전자적 신호로만 정보를 처리할 수 있으며, 읽기와 쓰기 속도가 매우 빠르다. 또, 전자적 방식은 충격에 강하고, 기계적 마모가 적어 휴대성과 내구성 측면에서도 유리하다.


SSD가 HDD보다 특히 빠른 이유는 병렬 처리 구조에 있다. 셀 여러 개를 동시에 읽고 쓸 수 있는 구조 덕분에 대용량 데이터를 효율적으로 처리할 수 있다. 예를 들어 어떤 SSD가 한 번에 4개의 셀을 동시에 읽을 수 있고, 셀 하나를 읽는 데 2μs가 걸린다고 하자. 이때 1000개의 셀을 읽기 위해서는 1000개를 4개씩 묶어 총 250회 읽어야 하고, 각 읽기마다 2μs가 걸리므로 총 500μs가 소요된다. 이는 같은 조건에서 셀을 하나씩 읽을 때보다 훨씬 빠른 시간이다.


만약 같은 조건에서 한 번에 2개의 셀만 읽는 SSD라면 상황은 달라진다. 이 경우 1000개를 2개씩 묶어야 하므로 500회의 읽기가 필요하고, 각 읽기마다 2μs가 걸려 총 1000μs가 소요된다. 즉, 병렬 처리 능력이 클수록 같은 양의 데이터를 훨씬 짧은 시간에 읽을 수 있다는 것을 알 수 있다. 이런 원리를 통해 SSD 제조사들은 동시에 더 많은 셀을 처리할 수 있는 컨트롤러와 회로 설계를 발전시켜 속도를 높이고 있다.


하지만 SSD에도 한계는 존재한다. 각 셀은 일정 횟수 이상 쓰기와 삭제를 반복하면 전자를 가두는 능력이 떨어져 성능이 저하되거나 오류가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 SSD 내부에는 데이터를 고르게 분포시켜 특정 셀에 과도한 부하가 가지 않도록 하는 웨어 레벨링(wear leveling) 기술이 적용된다. 이러한 관리 기술 덕분에 SSD는 높은 속도와 안정성을 유지하면서도 수명을 최대한 연장할 수 있다.

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