이하 내용은 허구로 작성된 장문 소설이며 실제와 겹치는 내용이 있다고 하더라도 전부 우연에 의한 것이니 그러한 점들을 감안하여 읽을 것



하드디스크의 속도 향상을 위한 노력은 항상 있어왔지만 HDD 특성상 기대에 미치지는 못하고 있는 실정이다.

일단 기존 하드와 스스디 구조를 대략적으로 그린 구조이다.


그리고 이건 내가 상상해 본 신형 저장장치 구조도이다.

새로운 AI 기반 HDD-SSD 통합형 차세대 저장장치의 구조도를 나타낸 그림

(회색 선은 링크 라인, 빨간색 선은 전원 라인, 파란색 선은 보조 링크 라인을 나타낸다)

이하 OSHD(Optane-Solid Hard Drive)라고 기술한다.


삼성에서 개발하는 Z-NAND SSD와 시게이트에서 개발한 HAMR 하드디스크, 인텔 옵테인 메모리를 하나로 합쳐 하나의 거대한 저장장치로 구성하였다.

구조도를 보면 복잡해 보이지만 실제로는 부품을 집적해 넣음으로써 3.5인치 하드디스크 사이즈와 동일하게 만들어져 있어 기존 U.2 인터페이스를 그대로 활용할 수 있다.


OSHD에는 시게이트가 개발한 4TB HAMR 플래터 10장을 집적해 만든 40TB 하드디스크, 삼성에서 개발한 Z-NAND(3D SLC) 기반 낸드, HDD 컨트롤러 전용 옵테인 메모리, 4K 랜덤 전용 480GB 옵테인 메모리, 삼성에서 만든 AI 기반 통합 컨트롤러, 마지막으로 전원 제어를 담당하는 DrMOS 기반 PMIC가 탑재되어 있다.


각 파트에 대한 설명


1. 60TB HAMR HDD by Seagate

시게이트의 HAMR 기술을 이용해 밀도를 높힌 60TB HDD가 탑재된다.

현재 3.5인치 폼팩터에 넣을 수 있는 플래터의 갯수가 10개인 관계로 10장을 집어넣고 HAMR 기술을 이용해 플래터당 밀도를 6TB까지 높였다.

특이점이라면 기록점이 1개이던 기존 헤드와 다르게 Kenwood 72배속 CD 드라이브의 7레이저 기술 일부를 차용해 동시 기록점을 4개로 늘린 구조로 되어 있다. 기존 헤드의 기록점이 위아래 2개였다면 신형 헤드는 기록점이 무려 8개가 있는 셈이다.

쉽게 말하자면 플래터가 1번 회전하는 동안 헤드가 1,2,3,4번째 트랙에 동시에 액세스하고 2번째 회전에서는 5,6,7,8번 트랙에 액세스하는 구조이다. 헤드 내부적으로 RAID0 기술이 적용된다고 생각하면 됨. 덕분에 기존 헤드의 4배나 되는 속도를 자랑한다.

추가로 헤드가 모두 같이 붙어 움직이던 기존 HDD와 다르게 10개의 헤드가 모두 독립적으로 움직여 6TB HDD 10개를 RAID0으로 묶은 것처럼 동작한다.

이렇게 얻어진 HDD의 속도는 무려 11400MB/s로 기존 30TB HAMR HDD의 285MB/s의 40배에 달한다.

회전속도는 평상시 7200 RPM이지만 데이터가 밀려 들어오는 버스트 상황에서는 최대 10800 RPM으로 오버드라이브해 전송 속도를 17100MB/s까지 끌어올릴 수 있다. 절전 모드에서는 프리징을 최소화하기 위해 3600 RPM으로 저속 회전하다가 데이터 입출력이 필요할 때 7200RPM으로 복귀한다.


HDD 전용 컨트롤러로는 샌드포스에서 만든 Cortex-R82 3코어+Cortex-R8 5코어+Cortex-R5 10코어로 구성된 18코어 맞춤형 컨트롤러가 들어간다. TMI : i9-7980XE가 18코어였음

Cortex-R82는 Armv8 최신 아키텍처로 데이터의 압축 및 해제를 전담한다. ZIP-7z 하이브리드 기반의 특수 압축 기술을 사용해 초당 15GB의 속도로 들어오는 데이터를 실시간으로 압축/해제해 대역폭을 아낄 수 있게 해 준다. 과거 샌드포스에서는 압축 기술을 사용한 SSD 컨트롤러를 선보였다가 폭망한 전적이 있는데, 해당 HDD는 선형 데이터만을 처리할 예정이기에 샌드포스가 다시 특유의 압축 기술을 선보이게 되었다. 또한 AES256 기반의 하드웨어 암호화 엔진이 탑재되어 있어 보안도 뛰어나다.

Cortex-R8은 삼성 9100 PRO, 하이닉스 P51, 마이크론 T710, WD SN8100과 같은 하이엔드 NVMe SSD에 주로 들어가는 아키텍처인데 NVMe 2.0부터는 HDD도 지원한다는 점에 맞춰 NVMe 규격을 지원하기 위해 해당 컨트롤러가 5코어 구성으로 탑재되었다.

코어 1개는 내부 보안용으로 사용, 나머지 코어 4개는 데이터 압축 및 HDD 읽기/쓰기, 통합 컨트롤러와 통신하는 데 사용된다.

Cortex-R5는 중급형 NVMe SSD에 주로 들어가는 아키텍처이나 이 컨트롤러에서는 헤드 제어만을 담당함. 코어당 HDD 헤드 하나를 컨트롤하는 구조로 되어 있다.

마지막으로 컨트롤러의 버퍼 역할을 하는 LPDDR5X 램이 탑재되었다. 최대 512MB에 불과했던 기존 HDD의 버퍼 메모리의 대역폭으로는 초당 15GB에 달하는 속도를 감당하기 어려운 관계로 LPDDR5X 12GB 메모리를 탑재하였다. 이 중 6GB를 HDD 컨트롤러 전용으로 사용하며 나머지 영역은 CPU 전용으로 예약되어 있다. 추후 개발 예정인 80TB HAMR HDD에는 16GB 메모리가 탑재될 예정이다.


해당 HDD는 순차 쓰기용으로만 사용하며 랜덤 쓰기에는 사용되지 않는다.


2. 16채널 4TB Z-NAND by Samsung

2018년 경에 삼성이 983 ZET라는 SSD를 출시하였는데 망해서 버려질 뻔했다가 2025년 8월에 부활했다는 뉴스 기사가 있다. 이에 따라 OSHD의 SSD 파트로 사용하게 되었다. OSHD에는 16채널 4TB Z낸드가 탑재되어 중간 용량의 데이터 저장 및 대용량 데이터 캐시용으로 사용된다.

더티테스트를 돌리는 극한의 상황에서도 처음부터 끝까지 15GB/s에 달하는 속도를 유지할 수 있고 내부적으로는 32GB/s의 속도로 RW가 이루어진다.


3. HDD 컨트롤러 전용 옵테인 메모리 by Intel

DRAM이 내장되는 SSD(디램있으)는 보통 1TB당 1GB에 달하는 DRAM이 내장된다. 이는 버퍼 역할을 하기 위한 것이 아닌 매핑 테이블 용도로 사용하는 메모리로, 메모리 셀의 주소를 기록해 컨트롤러가 원하는 데이터에 더 빠르게 접근할 수 있게 한다. LBA 주소값을 저장하는 메모리를 HDD에도 동일하게 적용해 지연시간을 획기적으로 줄인다.

하지만 60TB에 달하는 HDD의 LBA 매핑테이블을 전부 저장하기 위해서는 무려 60GB에 달하는 DRAM이 필요하다. LPDDR 메모리를 사용한다고 가정해도 16GB 모듈 4개를 탑재해야 하므로 차지하는 공간과 전력 소모가 늘어나는 문제점이 있는데 인텔 옵테인 메모리를 64GB를 탑재하여 차지 면적을 줄이고 성능도 모두 잡으며 해당 문제점을 해결하였다. 추후 개발 예정인 80TB HAMR HDD에는 128GB 모듈이 탑재되어 80GB는 캐싱에 사용되고 나머지 48GB는 추가 버퍼 메모리로 사용한다.


4. 4K 읽기/쓰기 전용 480GB 옵테인 메모리 by Intel

인텔에서 선보인 P5800X는 현존하는 그 어떤 SSD도 따라올 수 없는 랜덤 RW 속도를 자랑한다. 하지만 용량 대비 가격이 비싸고 발열이 심하기에 많이 탑재하기 어려운 관계로 해당 저장장치에서는 480GB를 탑재하여 4KB 미만의 데이터 저장 전용으로만 활용한다.


5. AI 기반 통합 컨트롤러 Powered by Samsung

OSHD의 주요 입출력 및 데이터 분배를 담당하는 메인 컨트롤러이다. 코드네임은 Presto Extreme+, 이름만 들으면 9100 PRO에 탑재된 컨트롤러의 파생형으로 보이지만 실제로는 엑시노스 2500 기반으로 커스텀된 프로세서이다.

CPU 코어 구성은 Cortex-X925 2.6GHz 1코어+Cortex-A725 1.8GHz 7코어+Cortex-A520 1.4GHz 2코어로 10코어 구성으로 탑재된다.

GPU는 삼성 Xclipse 950가 770MHz 클럭에 2WGP 4CU 구성으로 탑재된다. SSD 관리용 KVM 엔진 및 AI 기반 바이러스 탐지 보조 및 랜섬웨어 자동 해독에 이용된다.

NPU는 2개의 GNPU와 2개의 SNPU를 탑재한 4코어 구성의 24K MAC 유닛 및 DSP로 구성된 AI 엔진이 탑재된다. 연산 성능은 60 TOPS(INT8)로 AI 기반 바이러스 탐지에 활용된다.

메인 메모리로는 내장된 2GB HBM4+외부 6GB GDDR7 SGRAM을 사용하며 NPU 성능 강화를 위해 AMD의 3D 캐시 기술을 차용한 128MB 용량의 2세대 코어 아래 적층형 3D 캐시가 탑재되었다.

보조 메모리로는 HDD 컨트롤러의 버퍼 메모리로 사용되는 12GB LPDDR5X 메모리를 공유하여 메인 컨트롤러는 6GB를 사용한다.(80TB HAMR HDD 모델의 경우 8GB 사용) 이 중 4GB는 Z낸드 매핑 테이블 전용으로 사용한다. 메인 컨트롤러는 HDD가 사용하는 나머지 6GB 메모리에도 접근이 가능하게 설계되어 데이터 가용성을 높인다.

PCIe 5.0 레인을 4개 제공하며, 60TB HAMR HDD와 직결하는 데 사용된다.


Presto Extreme+는 SSD와 HDD, 옵테인 메모리의 장점을 모두 살리고 단점을 최소화하기 위해 특별히 개발된 컨트롤러로 서버의 가혹한 데이터 입출력을 전부 소화해 낼 수 있다. PCIe 5.0 기반의 U.2 인터페이스를 제공해 15,500MB/s의 순차 읽기 및 쓰기 속도를 처음부터 끝까지 유지하며 4,000,000 IOPS의 랜덤 읽기 및 쓰기 속도를 제공한다.

덕분에 60TB 용량을 전부 채우는 데에는 1시간 남짓한 시간밖에 걸리지 않는다. 시판되는 30TB HAMR HDD가 용량을 전부 채우는 데 30시간 남짓한 시간이 걸린다는 걸 생각하면 압도적인 속도 차이다.

안드로이드 기반의 OS와 갤럭시 AI 기반의 커스텀 온디바이스 AI의 탑재로 입력되는 데이터의 크기에 따라 초고속 HAMR HDD에 저장할지, Z-낸드에 저장할지, 아니면 전용 옵테인 메모리에 저장할지 빠르게 판단해 데이터 입출력이 가능하며 멀웨어 감지 기능 또한 제공해 서버 측의 바이러스 감시 부담을 줄이는 동시에 AI 애플리케이션에서 매우 강력한 성능을 발휘한다.

또한 입출력되는 데이터를 실시간으로 모니터링해 바이러스가 감지되는 경우 자동으로 격리 구역으로 보내는 기능이 탑재되어 있으며, 전용 관리 소프트웨어를 통해 KVM 기반의 관리 소프트웨어를 사용할 수 있다. 관리 소프트웨어는 One UI 기반으로 제작되어 있어 초보자들도 쉽게 사용할 수 있고, 자체적으로 포맷 및 Secure Erase 실행이 가능한 데다 자동 소프트웨어 업데이트도 가능하다. 자체적인 ECC 기능을 지원하여 오류 발생의 가능성이 거의 없으며 오류 발생 시 서버 측 저장장치 컨트롤러의 복구 기능을 사용할지, 자체 복구 기능을 사용할 지 스스로 판단해 실행한다.

STOLINK라는 기술이 탑재되어 최대 4개의 OSHD를 병렬로 연결해 사용할 수 있다. NVIDIA GPU에서 사용하는 SLI 및 NVLINK와 유사한 기술로 여러 개의 디스크들을 하나의 디스크처럼 사용할 수 있게 하며, U.2 인터페이스 하나만으로 최대 4개의 OSHD를 연결해 240TB의 용량을 사용할 수 있다. 서버에서 지원하지 않아도 자체적인 RAID 기능을 사용할 수 있으며 마이그레이션 또한 가능하다.

또한 자체적인 파일 서버가 탑재되어 있어 STOLINK 호환 커넥터를 장착할 시에는 NAS처럼 이용도 가능하다.


6. 전원 제어용 PMIC by Samsung

60TB HAMR HDD, 대용량 Z낸드, 옵테인 메모리와 DRAM, AI 기반의 통합 컨트롤러를 구동하기 위해서는 많은 전력을 안정적으로 공급할 수단 필요하다. 하지만 PMIC를 모듈마다 탑재하게 된다면 기판 공간 차지 및 전력 효율이 떨어지는 결과를 가져올 수 있기에 커스텀 통합 PMIC가 적용되었다.

DrMOS 기반으로 재설계된 이 PMIC는 칩셋 단 하나만으로 저장장치 외부에서 전원을 입력받는 것부터 HDD 모터 구동, 각종 제어 칩셋에 들어가는 전원 관리 기능과 전원이 차단되었을 때 데이터 보존을 위한 PLP 기능이 모두 통합됨으로써 기판 공간 절약 및 에너지 효율을 높인다. Cortex-M85 아키텍처의 MCU 적용으로 각 부품에서 필요로 하는 전력을 판단해 최적의 전력을 공급해 주며, 고밀도 MLCC가 칩셋 내부에 통합되어 자체적으로 PLP 기능을 제공하며 칩셋 외부에 리튬이온 캐패시터를 설치하여 추가 PLP 용량을 사용할 수 있게 설계되어 있다.


OSHD의 작동 원리


1. OSHD로 데이터를 전송하는 경우

서버 측에서 데이터를 OSHD로 보내면 Presto Extreme+ 컨트롤러가 즉시 들어오는 데이터를 AI로 실시간으로 분석해 4MB 이하의 파일은 옵테인 메모리에 바로 기록해 지연시간을 최소화한다. 4MB 초과 10GB 이하의 데이터는 Z-NAND에 곧바로 기록하고 파일 크기가 10GB를 초과하는 경우 60TB HAMR HDD로 파일을 전송하고, HDD는 4포인트 10헤드 시스템을 이용해 초당 11,400MB/s에 달하는 속도로 순차 데이터를 기록한다. 대용량 파일은 HDD에만 기록하고 저용량 파일은 Z-NAND에 기록하는 방식으로 작동해 높은 속도와 빠른 접근속도를 둘 다 챙길 수 있다.

만약 순차 데이터 입력 속도가 11,400MB/s를 초과하는 경우에는 Z-NAND에 우선적으로 파일을 기록한 다음 유휴 시간대에 HDD의 압축 엔진을 가동시켜 Z-NAND의 데이터를 옮기는 식으로 작동한다. Z-NAND의 여유 용량이 100GB 이하일 경우 최후의 수단으로 HDD 플래터의 속도를 10800RPM으로 오버드라이브해 전송 속도를 17,100MB/s까지 끌어올린 다음 9개의 헤드로 입력되는 데이터 기록을 진행하고 나머지 1개의 헤드로 Z-NAND의 데이터를 이동시켜 공간 확보를 동시에 진행한다.

데이터가 입력되는 모든 과정에서 AI가 개입해 웜 및 악성코드가 포함된 데이터가 있는지 검사하여 악성코드가 포함된 데이터가 감지될 경우 별도의 파티션에 안전하게 격리해 보관한다. 랜섬웨어가 감지될 경우 즉시 데이터 연결을 차단한 뒤 암호화 과정을 추적해 키를 추출해내어 자동으로 데이터 복구를 시도한다. 데이터가 복구되는 동안에도 데이터 읽기 및 쓰기 속도에 영향을 미치지 않게 설계되어 워크로드 중단을 방지한다.


2. OSHD에서 데이터를 읽어오는 경우

서버 측에서 OSHD에 있는 데이터를 요청하면 Presto Extreme+ 컨트롤러가 매핑 테이블에 직접 접근하여 데이터가 저장된 위치를 파악하고 AI 딥러닝을 통해 중요도가 가장 높은 데이터를 우선적으로 로드해 서버로 전송한다. 우선순위는 옵테인 메모리→Z-NAND→HAMR HDD 순이며 원하는 데이터가 두 개 이상의 위치에 있을 경우 우선순위가 높은 저장장치에서 로드해 서버로 데이터를 전송한다.

데이터가 HAMR 영역에 있는 경우 10개의 헤드를 각각 따로 움직여 파일이 여러 구역에 저장된 경우에도 속도저하 없이 빠르게 읽어온다. 유휴 시간대에는 온디바이스 AI가 조각난 데이터들과 파일의 중요도를 분석해 중요도가 높은 파일을 자동으로 플래터의 바깥 구역에 위치하게 조정해준다.


결론

OSHD를 사용할 경우 동일 용량의 SSD에 비해 저렴한 가격과 압도적인 성능을 둘 다 잡을 수 있는 최첨단 저장장치다. 출시된다면 최근 수요가 폭증하고 있는 AI 산업 및 데이터 스토리지 산업에서 인기를 얻을 것으로 보인다.


라는 내용의 칼럼같은 소설을 써봄ㅋㅋ 실제로 존재하지 않는 가상의 저장장치니까 그냥 재미로만 보시길