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HDD에 헬륨·레이저 더했다···50TB+ 노리는 씨게이트

2022.09.22. 17:09:57
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기술 발전은 빠르다. 1950년도 처음 등장했던 하드디스크 드라이브(HDD)는 5MB로 매우 작은 용량을 가졌다. 하지만 시간이 흘러 2000년대에 들어와서 HDD의 용량은 30GB로 커졌다. 10년이 지난 2010년도의 HDD는 66배 이상 커진 2TB 고용량 제품이 등장했다. 그리고 2022년 현재, NAS와 딥러닝, 데이터센터 같이 꾸준히 늘어나고 있는 데이터에 대응하며 20TB 용량을 갖춘 HDD가 출시됐다.

스토리지 시장 변화는 HDD뿐만 아니라 SSD도 많은 변화를 겪었다. 출시 초기 SSD는 SLC 낸드를 기반으로 40~120GB 내외의 용량을 가졌다. 하지만 SLC서 MLC로, MLC에서 TLC로, 그리고 QLC도 차츰 보급되면서 이제는 4TB 이상 용량에 성능도 갖춘 좋은 제품들이 출시되고 있다.

고용량 SSD가 본격적으로 보급됨에 따라 SSD가 HDD의 자리를 완전 대체하는 것이 아니냐는 우려도 나왔다. 하지만 SSD와 HDD의 가격 차이, 용량 확장의 한계성, 안정성 등 여러 이유로 여전히 고용량 데이터 저장은 HDD가 담당하고 있다.

향후 데이터 센터, AI, 딥러닝 등 데이터의 용량은 더욱 커질 것으로 전망된다. 이에 씨게이트는 2026년 이후 50TB+ 용량을 갖춘 HDD 출시를 목표하고 있는데, 그와 관련된 발전과 향후 적용될 기술은 무엇이 있을까?

HDD 용량 증가, 플래터의 집적도(데이터 밀도)증가

스토리지 산업 컨소시엄인 ASTC(Advanced Storage Technology Consorthium)는 기술 로드맵 발표를 통해 향후 100TB 이상의 용량을 갖춘 HDD가 출시될 수 있다고 발표했다.

이러한 비약적인 HDD 용량 증가는 밀도에 따른 향상이다. 2010년도 초 발표자료 기주 HDD의 면적당 최고 밀도는 0.86Tbpsi지만, 향후 HAMR기술의 도입과 함께 2025년 이후에는 100TB+ 이상이 가능하다는 예측이다.

시간이 흘러 2022년이 된 지금 씨게이트는 1세대 HAMR 기술을 적용해 20TB 용량을 갖춘 HDD를 출시했다. 그리고 2분기 실적발표에서 씨게이트 CEO는 “2023년 30TB+ 용량을 준비중이며 26년 이후엔 최대 50TB+를 갖춘 모델을 준비중이다”라고 밝혔다.

이렇듯 HDD 용량 증가에 있어서 중요한 요소 중 하나는 하나의 플래터에 데이터를 얼마나 저장할 수 있느냐가 중요하다. 그래서 HDD 제조사는 플래터에 저장할 수 있는 데이터 기록 방식을 개선한다.

데이터기록 방식의 변화, 시작은 LMR

▲ HDD는 플래터 디스크 표면에 데이터를 기록하는 방식이다. LMR 방식과 PMR 방식(사진 위부터)
▲ HDD는 플래터 디스크 표면에 데이터를 기록하는 방식이다. LMR 방식과 PMR 방식(사진 위부터)

90년대 초에 사용된 HDD 기록 방식은 LMR (수평 자기 기록방식, Longitudinal Magnetic Recording)이다. 당시 주력 HDD의 용량은 1GB~4GB였다.

LMR은 플래터 표면에 자기 입자들을 수평으로 배열해 데이터를 기록한다. 제작 방식이 간단하다 보니 여러 제조사가 HDD 시장에 뛰어든다. 대표적으로 현대전자가 맥스터사와 협력하여 내놓은 HDD, 삼성전자의 HDD 시장 진입 등이다.

하지만 컴퓨터 성능이 향상됨에 따라 저장해야 할 데이터 용량은 커졌지만, LMR HDD는 용량을 올리기 힘들었다. LMR 방식 HDD는 플래터에 저장할 수 있는 데이터 밀도가 낮았고, 온도 변화에 취약해 데이터 손상을 발생시키기도 했다.

이를 개선한 것이 PMR(수직 자기 기록방식, Perpendicular Magnetic Recording)이다. 데이터를 가로로 기록하던 것을 수직으로 세워서 기록한다. 이를 통해 LMR 방식 대비 더 많은 데이터를 기록할 수 있게 된다.

이제는 사용하지 않는 LMR, 메인이된 CMR과 SMR

▲ 데이터를 저장하는 공간과 트랙의 구성에 따라 CMR, SMR로 나뉜다
▲ 데이터를 저장하는 공간과 트랙의 구성에 따라 CMR, SMR로 나뉜다

LMR의 온도 변화 용량증가의 힘듦 등을 개선한 것이 지금의 PMR(CMR)이다. 현재 출시되고 있는 대부분의 HDD가 이 방식을 적용했다. PMR 내에서도 CMR(Conventional Magnetic Recording)과 SMR(Shingled Magnetic Recording)로 나뉜다.

CMR은 데이터를 기록하는 플래터를 각각 독립적으로 구성해 저장하는 방식이다. 각각의 트랙에 데이터를 따로 저장하기에 트랙과 트랙간의 공간이 남는다는 단점이 있지만, 성능과 안정성이 좋다.

SMR은 CMR에서 남는 공간을 최소화하면서 플래터를 최대한 겹쳐서 데이터 저장을 최대로 늘린 방식이다. 일각에서는 ‘기왓장 기록 방식’이라고도 하는데, CMR 대비 데이터 저장량을 25%이상 향상시킬 수 있다. 단점으로는 여러 개의 트랙을 묶어서 관리하는 만큼, 반복된 쓰기 작업에서 인접 트랙의 정보를 같이 갱신해야 해 속도가 느려지거나 혹은 데이터에 문제가 생기는 경우가 있다.

기술의 발전 순서는 LMR -> PMR(CMR) -> PMR(SMR) 순이다.

미래의 HDD기술, 씨게이트의 ‘HAMR’

▲ 씨게이트는 CMR/SMR에 이어 레이저를 활용한 HAMR 기술을 도입했다
▲ 씨게이트는 CMR/SMR에 이어 레이저를 활용한 HAMR 기술을 도입했다

그리고 씨게이트는 PMR 방식에서 레이저를 활용한 HAMR(Heat-assisted Magnetic Recording, 열 보조 자기 기록)기술을 도입한다. 기존 PMR 방식보다 더 높은 데이터 밀도를 기대해 볼 수 있다.

이와 관련하여 씨게이트는 HAMR-적용한 드라이브-를 통해 궁극적으로 PMR 대비 개선된 드라이브 밀도를 목표로 하고 있다고 밝혔다. 더불어 현재 20TB HDD의 밀도는 약 1.116Tb/inch2이다. 향후엔 HAMR 기술을 통해 2.6Tb/inch2를 지원할 예정이며, 2030년까지 6Tb/inch2로 성장해 최대 100TB 3.5인치 HDD를 구현할 계획이다.

기록방식의 변화와 함께 늘어난 플래터

기록방식에 따라 데이터 밀도가 늘어나고 HDD 구성 용량이 달라졌다면, HDD의 구성하는 플래터 개수에도 변화가 생긴다. 초창기 HDD는 1개의 플래터에 데이터를 저장했다면, 현재는 2.5인치 3.5인치 크기에 따라 플래터 개수에 따라 용량이 달라진다.

데이터를 기록하는 물리적인 플래터가 늘어나는 만큼, HDD용량이 비례해서 늘어나는 것은 당연한 이치다. 현재 일반 3.5인치 고용량 하드에는 최대 5개 플래터가 적용된다.

공기 대신 ‘헬륨’ 마신 HDD, 플래터 추가 증가

▲ 기존 공기 충전 대비 ‘헬륨 충전 방식’ HDD는 더 많은 플래터(디스크)를 넣을 수 있게 된다 (사진 = HGST)
▲ 기존 공기 충전 대비 ‘헬륨 충전 방식’ HDD는 더 많은 플래터(디스크)를 넣을 수 있게 된다 (사진 = HGST)

HDD 용량을 늘리는데 기록 방식 변화 이외로 ‘헬륨’ 가스 도입은 한번 더 변화를 겪는다.

기존 HDD는 공기 충전 방식이 적용돼 3.5인치 HDD 기준 최대 5개 플래터가 한계로 지적됐다. 그 이상 플래터를 장착하면 공기와의 저항 즉, 마찰로 인해 발열이 증가한다. 뿐만 아니라 마찰로 인해 발생한 진동이 헤드로 영향을 주고, 만약 플랙터를 긁을 경우 과열 혹은 데이터 손상으로 이어질 수 있다. 이를 개선한 것이 헬륨 충전 방식이다.

헬륨은 공기보다 밀도가 낮다. 그래서 공기 대비 저항이 낮아 발열이 줄었다. 더불어 모터의 출력도 낮출 수 있어 소비전력도 낮아졌다. 이를 통해 HDD 제조사는 공기 충전 방식의 한계였던 플래터 개수를 최대 5개에서 7~9개까지 늘릴 수 있게 된다. 이 것이 CMR 기반 HDD 14TB ~ 20TB와 같은 고용량이 가능해진 이유다.

다만 헬륨은 희귀원소인 만큼 비싸다는 특징을 가지고 있어, 헬륨 충전이 적용된 HDD는 일반 HDD 대비 비싸다.

용량과 성능 모두 갖추려는 씨게이트··· MACH.2 멀티 액츄에이터

▲ 데이터를 읽거나 쓰는 액추에이터를 2개 적용한 것이 MACH.2 기술이다(사진 = 씨게이트)
▲ 데이터를 읽거나 쓰는 액추에이터를 2개 적용한 것이 MACH.2 기술이다(사진 = 씨게이트)

용량이 중요한 HDD이지만서도 여전히 단점으로 지적되는 것은 ‘속도’다. 일반 HDD는 200MB/s 내외의 속도를 보이고, NAS와 서버용 급에 사용되는 고용량 HDD의 경우 높게는 240MB/s 내외의 순차 읽기/쓰기 스펙을 가진다.

이에 씨게이트는 HDD의 데이터 읽기/쓰기를 담당하는 액추에이터를 2개 적용해 성능 향상을 꾀한다. 이것이 MACH.2 기술이다. 1세대에 이어 개선된 MACH.2는 최대 480MB/s의 데이터 전송 속도로 15K 드라이브 보다 60%가량 빠르다고 씨게이트는 발표했다.

즉, MACH.2는 기존 HDD에 1개였던 액추에이터를 2배 늘리면서, 순수 HDD의 읽기/쓰기 성능을 끌어 올린 기술이다.

씨게이트만의 차별화는 계속된다

▲ 씨게이트는 HDD 내에 문제가 생긴 드라이브를 정지시켰다가 살리는 ADR 기술을 지원하고 있다.
▲ 씨게이트는 HDD 내에 문제가 생긴 드라이브를 정지시켰다가 살리는 ADR 기술을 지원하고 있다.

씨게이트는 용량 확장 그리고 성능 향상 이외로도 자사만의 기술 연구 및 개발하고 있다. 대표적인 예가 ADR(Autonomous Drive Regeneration)이다. 이 기술은 HDD 구성 플래터 중 문제가 생기면 스스로 인지하고 해당 HDD의 동작을 멈추게 한다.

그 후 문제가 생긴 플래터는 ‘정지’시킨 후 정상 플래터는(HDD) 다시 활성화해 문제가 없는 정상 플래터 들을 ‘다시 활용’할 수 있도록 해주는 기술이다. 즉, 서버관리자가 문제가 생긴 HDD를 ‘수동’으로 교체하지 않아도 ‘자동’으로 해결해주는 시스템이다.

미래에는 개인 PC를 포함해 데이터센터, 딥러닝, 연구소 등 데이터 용량은 계속 늘어날 예정이다. 일전 IDC(International Data Corporation)는 2025년까지 전 세계적으로 생성되는 데이터가 163제타바이트(163조 기가바이트)로 증가할 것이라고 예측했다. 이는 2017년 데이터 양 대비 10배 늘어난 수치다.

이런 시장 변화와 데이터가 늘어남에 따라 씨게이트는 HAMR, MACH.2 ADR 등 다양한 기술을 적용하고 차별화를 주고 있다. 이와 별개로 NVMe 통신규격을 이용한 HDD도 준비중이다. 그리고 2026년에는 50TB+ 용량을 갖춘 HDD를 출시할 예정이라고 씨게이트는 밝혔다.

때문에 향후 소비자 그리고 데이터 저장을 많이 요구하는 환경에서 스토리지를 구매한다면, 향후 적용될 스토리지 기술과 기록 방식의 변화 등을 잘 체크한 후 구매하는 것을 추천한다.


길문혁 기자/ansgur0317@manzlab.com


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