새로운 기술이 항상 더 나은 것은 아닙니다. 최근 SSD 제조사들은 드라이브의 저장 용량을 늘리는 데 집중하면서 속도와 안정성 면에서 타협하는 경향을 보이고 있습니다. NVMe 및 PCIe와 같은 프로토콜은 계속해서 빨라지고 있지만, 일부 SSD 제품들은 오히려 이전 세대보다 성능이 떨어지는 모습을 보입니다.
QLC 플래시의 등장
문제는 바로 QLC 플래시 메모리에 있습니다. SSD 생산 비용은 여전히 높습니다. 예를 들어, “2TB” 기계식 하드 드라이브를 50달러 미만으로 구매할 수 있는 상황에서, 512GB SSD에 200달러를 지불하고자 하는 소비자는 많지 않습니다. 결국 더 큰 용량의 제품이 더 잘 팔리는 것은 당연합니다.
SSD 제조사들은 스토리지 용량을 늘리면서 동시에 생산 비용을 낮추기 위해 노력하고 있지만, 이는 필연적으로 성능과 내구성에 부정적인 영향을 미치게 됩니다. 대용량 SSD 가격은 점차 하락하고 있지만, SSD 기술 발전의 각 단계마다 장단점이 공존합니다. 현재 우리는 메모리 셀당 4비트의 정보를 저장할 수 있는 QLC(Quad Level Cell) SSD의 출현을 목격하고 있습니다. QLC가 표준 SSD를 완전히 대체한 것은 아니지만, 이미 시장에는 QLC를 사용한 몇몇 드라이브들이 출시되었으며, 이는 여러 가지 문제점을 야기합니다.
SSD 제조사들은 동일한 크기의 NAND 플래시 칩(SSD에서 데이터를 실제로 저장하는 부분)에 더 많은 용량을 집어넣는 방법을 찾아야 합니다. 전통적으로 이는 공정 노드 축소를 통해 이루어져 왔으며, 이를 통해 플래시 내부의 트랜지스터 크기를 줄였습니다. 하지만 무어의 법칙이 둔화되면서 제조사들은 더 창의적인 해결책을 모색하게 되었습니다.
그 결과 다중 레벨 NAND 플래시라는 독창적인 해결책이 등장했습니다. NAND 플래시는 특정 전압 레벨을 셀에 장기간 저장할 수 있습니다. 기존 NAND 플래시는 켜짐과 꺼짐, 두 가지 레벨만 저장했습니다. 이것을 SLC 플래시라고 부르며, 매우 빠른 속도를 자랑합니다. 그러나 NAND는 본질적으로 아날로그 전압을 저장하기 때문에, 조금씩 다른 전압 레벨을 사용하여 여러 비트를 표현할 수 있습니다.
문제는 위 그림처럼 전압 레벨이 기하급수적으로 증가한다는 것입니다. SLC 플래시는 전압 유무, 즉 한 가지 전압 레벨만 필요로 합니다. MLC 플래시는 4가지 전압 레벨을 필요로 하며, TLC는 8가지 레벨이 필요합니다. 그리고 작년에 시장에 등장한 QLC 플래시는 16가지 개별 전압 레벨을 필요로 합니다.
이는 많은 문제점을 야기합니다. 더 많은 전압 레벨을 추가할수록 비트를 구분하는 것이 더욱 어려워집니다. 따라서 QLC 플래시는 TLC보다 25% 더 높은 밀도를 제공하지만, 속도는 상당히 느립니다. 읽기 속도는 크게 영향을 받지 않지만, 쓰기 속도는 현저하게 떨어집니다. 최신 NVMe 프로토콜을 사용하는 대부분의 SSD는 지속적인 읽기 및 쓰기(대용량 파일 로드 또는 복사) 작업 시 약 1500MB/s의 속도를 유지합니다. 그러나 QLC 플래시는 지속적인 쓰기 작업에서 80-160MB/s 정도의 속도밖에 내지 못합니다. 이는 괜찮은 하드 드라이브보다도 못한 수준입니다.
QLC SSD의 수명 단축
일반적으로 모든 SSD는 하드 드라이브에 비해 쓰기 내구성이 좋지 않습니다. SSD 셀에 데이터를 쓸 때마다 셀은 조금씩 마모됩니다. 셀을 지우려면 전자를 제거해야 하는데, 일부 전자는 항상 주변에 남아 있어 시간이 지남에 따라 “0” 셀이 “1”에 더 가까워집니다. 이는 컨트롤러가 더 많은 전압을 가하여 보상하지만, 여유 전압 공간이 충분할 때만 가능합니다. 하지만 QLC의 경우 상황이 다릅니다.
SLC는 평균 10만 회의 프로그램/지우기 주기 쓰기 내구성(쓰기 작업)을 제공합니다. MLC는 3만 5천 회에서 1만 회 정도, TLC는 약 5천 회 정도의 내구성을 갖습니다. 그러나 QLC는 겨우 1천 회의 내구성밖에 제공하지 못합니다. 따라서 QLC는 부팅 드라이브와 같이 쓰기 작업이 매우 빈번한 드라이브에는 적합하지 않습니다.
결론적으로, 운영 체제 시스템 드라이브용으로 QLC 드라이브를 구매하지 않는 것이 좋습니다. QLC 드라이브는 몇 년 안에 성능이 저하될 가능성이 높기 때문에 신뢰하기 어렵습니다. 회전식 하드 드라이브를 대체하는 용도로 대용량 QLC 드라이브를 사용하고, 고속 SLC, MLC 또는 TLC 드라이브를 기본 OS 드라이브로 사용하는 것을 권장합니다. 물론 노트북 사용자에게는 선택의 여지가 없을 수 있지만, QLC는 여전히 새로운 기술이고 아직 노트북에 광범위하게 적용되지는 않았습니다.
캐싱을 통한 문제 은폐
이쯤 되면 QLC가 다른 플래시 유형보다 객관적으로 느리고 고장 가능성이 더 높은데도 왜 QLC가 중요한지 의문이 들 수 있습니다. 물론 다운그레이드를 마케팅할 수는 없기 때문에, SSD 제조사들은 문제를 은폐할 수 있는 방법인 캐싱 기술을 도입했습니다.
QLC SSD는 드라이브의 일부를 캐시 영역으로 할당합니다. 이 캐시는 QLC 셀이 아닌 SLC 플래시처럼 작동합니다. 캐시는 실제 드라이브 공간보다 75% 정도 더 적은 공간을 차지하지만, 속도는 훨씬 빠릅니다.
캐시에 저장된 데이터는 다른 고급형 SSD와 비슷한 속도로 기록될 수 있으며, 컨트롤러에 의해 천천히 QLC 셀로 옮겨집니다. 그러나 캐시가 가득 차면 컨트롤러는 느린 QLC 셀에 직접 기록해야 하므로, 장시간 쓰기 작업 시 성능이 크게 저하됩니다.
Tom’s Hardware의 Crucial P1 500GB 리뷰를 보면, 소비자용 QLC SSD의 문제점을 아주 명확하게 보여줍니다:
위 그래프에서 빨간색 선으로 표시된 Crucial P1은 일부 고급 제품에 비해 약간 느리지만, 초기에는 견고한 NVMe 속도를 보여줍니다. 하지만 약 75GB 정도의 쓰기 작업 후에는 캐시가 가득 차서 QLC 플래시의 실제 속도가 드러납니다. 이후 쓰기 속도는 하드 드라이브보다 느린 80MB/s 정도로 급감합니다.
TLC 드라이브인 ADATA XPG SX8200 역시 비슷한 특성을 보이지만, 드롭오프 후에도 원시 TLC 플래시가 QLC보다 여전히 빠르다는 점이 다릅니다. 대부분의 다른 드라이브 역시 이러한 캐싱 방법을 사용하며, 이를 통해 일반적으로 사용되는 드라이브에서 빠르고 작은 쓰기 속도를 높입니다. 그러나 장시간 연속 쓰기 시에는 그 차이가 확연히 드러납니다. 작은 파일을 복사하는 데 0.15초가 걸리는지 0.21초가 걸리는지는 체감하기 어렵지만, 큰 파일을 복사하는 데 10분이 더 걸린다면 체감할 수 있습니다.
이것을 극단적인 시나리오라고 생각할 수도 있지만, 해당 캐시가 75GB로 영원히 유지되는 것은 아닙니다. 드라이브를 채울수록 캐시 용량은 줄어듭니다. Anandtech의 테스트에 따르면, Intel SSD 660p 라인업의 경우 512GB 모델의 캐시는 드라이브가 거의 가득 찼을 때 6GB로 줄어듭니다(원래 128GB).
즉, SSD를 거의 다 채운 후 Steam에서 20-30GB 게임을 설치하려고 하면, 처음 6GB는 드라이브에 매우 빠르게 기록되지만, 그 이후에는 나머지 파일이 80MB/s의 속도로 기록되는 것을 볼 수 있습니다. 물론 이 예에서는 다운로드 속도에 의해 제한될 수도 있지만, 기존 파일을 다운로드하고 교체하는 과정이 필요한 업데이트의 경우에는 문제가 더욱 분명해집니다. 다운로드가 완료된 후 설치가 끝날 때까지 영원히 기다려야 할 수도 있습니다.
QLC를 피해야 할까?
512GB 이하의 QLC 드라이브(생산 비용이 더욱 저렴해지면)는 구매할 이유가 없으므로, 가급적 피하는 것이 좋습니다. 이런 용량의 QLC 드라이브는 금방 가득 차게 되고, 캐시가 가득 차면 용량도 줄어들어 성능이 크게 저하됩니다. 게다가 현재의 대안에 비해 가격도 크게 저렴하지 않습니다.
이러한 단점에도 불구하고, QLC 플래시는 대용량 드라이브의 경우에는 크게 문제가 되지 않을 수 있습니다. 660p의 2TB 모델은 드라이브가 가득 찼을 때 최소 24GB의 캐시를 제공합니다. 물론 여전히 QLC 플래시이지만, 대부분의 시간 동안 매우 빠르게 작동하는 저렴한 2TB SSD라면 용인할 만한 타협점입니다.
엄청난 용량을 감안할 때 QLC 기반 SSD는 회전식 하드 드라이브를 대체할 수 있습니다. 자주 액세스하지 않지만, 액세스할 때 매우 빠르게 처리하고 싶은 데이터에 적합하며, 적절한 크기의 SLC 캐시를 사용한다면 드라이브를 채울 때까지 대부분의 장시간 쓰기 작업도 빠른 속도로 처리할 수 있습니다.
하지만 안정성 문제로 인해 부팅 드라이브로 사용하거나 쓰기 작업이 빈번한 경우에는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
제조 기술의 다른 측면, 즉 더 많은 플래시 칩을 처리할 수 있는 더 나은 컨트롤러, 공정 노드가 성숙됨에 따라 더 저렴한 플래시 칩, 그리고 기타 기술들이 계속 발전하고 있습니다. QLC 플래시는 곧 표준이 되지는 않겠지만, 현재로서는 또 하나의 옵션일 뿐입니다. SSD를 구매할 때는 제품 사양을 꼼꼼히 확인하고, SSD를 만드는 데 사용된 플래시 유형에 주의를 기울여야 합니다.