[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #32 - SSD의 내부 구조

전자 신호로 쓰는 기억의 서가 - NAND 셀, 컨트롤러, 채널, 병렬 구조로 이루어진 초고속 전자식 저장 장치

핵심요약
SSD는 ‘움직이는 부품이 없는’ 저장장치로, 전자 신호만으로 데이터를 읽고 쓴다.
NAND 셀은 페이지, 블록 구조로 이루어져 있으며, 한 번 쓰면 바로 지울 수 없다(블록 단위 삭제).
컨트롤러는 SSD의 두뇌로, 웨어레벨링, GC, SLC 캐싱 등 성능과 수명을 결정한다.
SSD의 빠른 속도는 병렬 채널 구조 + DRAM 캐시 덕분이다.

 

SSD의 내부 구조

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1. SSD란 무엇인가?

핵심 문장: SSD는 NAND 플래시에 데이터를 저장하고, 컨트롤러가 이를 관리하는 “전자식 도서관”이다.

 

SSD(Solid State Drive)는 기계적 회전 없이 순수 전자 신호로만 동작하는 저장장치입니다. HDD가 “LP판과 바늘”이라면, SSD는 “전자책 파일을 메모리에 저장하는 시스템”에 더 가깝습니다.

 

SSD를 이루는 핵심 구성요소는 다음 네 가지입니다.

• NAND 플래시 메모리
• SSD 컨트롤러
• DRAM 캐시(고급형에 탑재)
• SLC 캐싱(모든 SSD의 기본 가속 구조)

SSD의 속도가 HDD보다 월등히 빠른 이유는 물리적인 움직임이 전혀 없기 때문이며, 또한 여러 개의 NAND 칩을 병렬로 묶는 구조(채널 아키텍처) 덕분이기도 합니다.

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2. NAND 플래시의 내부 - “전자를 가두는 기억 칸”

2-1. 셀(Cell): 가장 작은 저장 단위

요약: 셀은 전자를 가둔 정도(전압 레벨)로 데이터를 표현한다.

 

NAND 셀은 Floating Gate(또는 Charge Trap)라는 구조에 전자를 가두거나 빼내어 전압 레벨을 만들고, 이것을 0과 1 등 여러 상태로 해석합니다.

 

셀 종류에 따라 저장 가능한 비트 수가 달라집니다.

• SLC (1비트): 가장 빠르고 가장 안정적
• MLC (2비트): 속도, 내구성 균형
• TLC (3비트): 오늘날 소비자 SSD의 표준
• QLC (4비트): 대용량, 저가 중심, 내구성 낮음

 

셀 당 비트 수가 늘수록 아래와 같이 트레이드오프가 발생합니다.

• 저장 용량 ↑
• 속도 ↓
• 수명 ↓

2-2. 페이지(Page), 블록(Block) 구조

핵심 문장: SSD는 페이지 단위로 쓰고, 블록 단위로만 지울 수 있다.

• 페이지(Page): 보통 4KB~16KB
• 블록(Block): 수십~수백 개의 페이지를 묶은 단위

SSD의 중요한 특징:

• “쓰기 → 수정”이 불가능
• 수정하려면 해당 블록 전체를 지워야만 함
• 삭제는 page가 아닌 block 단위

즉, SSD는 “수정”이 아니라 새로 쓰고, 나중에 묶어서 청소하는 방식입니다. 이 구조 때문에 GC(Garbage Collection)와 TRIM 같은 기술이 필요합니다.

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3. SSD 컨트롤러 - 저장장치의 두뇌

컨트롤러가 SSD의 성능, 내구성, 안정성 대부분을 결정한다.

 

컨트롤러는 SSD 내부에서 다음을 담당합니다.

• 주소 변환(FTL, Flash Translation Layer)
• wear leveling(수명 균등화)
• garbage collection
• ECC(Error Correction Code)
• SLC 캐싱 관리
• 병렬 채널 할당
• DRAM 매핑 테이블 관리

결국 컨트롤러는 SSD의 운영체제라고 볼 수 있습니다.

3-1. FTL(Flash Translation Layer)

SSD는 HDD처럼 LBA(논리 블록 주소)를 직접 쓰지 않습니다. 컨트롤러가 이를 NAND 블록, 페이지로 매핑해야 합니다. 이 매핑 테이블은 DRAM에 저장되어, DRAM이 있는 SSD가 더 빠른 이유가 되기도 합니다.

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4. SSD의 성능 핵심 - 병렬 구조

핵심 문장: SSD의 속도는 NAND 칩을 얼마나 병렬로 제어하느냐에 달려 있다.

 

HDD는 단일 헤드가 이동하며 데이터를 읽지만 SSD는 여러 NAND 칩을 동시에 읽고 쓸 수 있습니다. 이를 Channel Architecture라고 합니다.

• 컨트롤러 → 여러 채널 → 각 채널 아래 여러 NAND 패키지
• 채널이 많을수록 병렬 처리 성능 증가
• 고급 SSD는 8 채널 또는 16 채널 구성

다시 말해, SSD는 “여러 명이 동시에 책을 찾아주는 도서관”과 같습니다. HDD가 1명이 책을 찾아다닌다면 SSD는 8명, 16명이 동시에 움직이는 구조입니다.

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5. SLC 캐싱 - SSD 속도의 비밀

SSD는 TLC/QLC처럼 느린 셀을 사용하더라도 일부 공간을 SLC 방식으로 동작시키는 임시 캐시를 둡니다.

 

이를 SLC 캐시라고 부르며,

• 짧은 burst 성능이 매우 빠름
• 일정 용량 이상 쓰기 시작하면 속도가 떨어짐 (TLC/QLC 본래 속도로)

이 현상이 흔히 말하는 “QD가 낮을 때 빠르고, 오래 쓰면 속도 하락”의 원인입니다.

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6. Garbage Collection과 TRIM

 

6-1. GC(Garbage Collection)

SSD는 데이터를 바로 지울 수 없으므로, 불필요한 페이지를 모아 블록을 지우는 정리 작업이 필요합니다.

 

GC가 동작하면,

• SSD가 잠시 느려질 수 있음
• 백그라운드에서 블록을 통째로 비움
• 새로 쓸 공간 확보

6-2. TRIM

운영체제가 “이 파일은 삭제되었음”을 SSD에 알려주는 명령입니다. SSD는 이를 기반으로 GC 작업을 효율적으로 수행합니다. TRIM이 없다면 SSD는 “삭제되었는지 모르고” 불필요한 페이지까지 계속 유지하게 됩니다.

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7. SSD 수명 - 왜 셀이 닳을까?

핵심 문장: NAND 셀의 삭제(Erase)는 전자를 터널링해 빼내는 과정이며, 이 과정이 반복되면 수명이 줄어든다.

 

NAND 셀은 쓰기(Program) 삭제(Erase) 작업이 반복될 때 내부 절연막이 조금씩 손상됩니다. 즉, SSD 수명은 P/E 사이클(Program/Erase cycle)로 측정합니다.

• SLC: 약 50,000회
• MLC: 약 3,000회
• TLC: 약 1,000회 내외
• QLC: 약 200~300회

그래서 SSD 컨트롤러는 Wear Leveling으로 전체 블록을 고르게 사용해 셀의 수명을 늘립니다.

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8. 사람 비유 - “전자책 도서관”

SSD 구조는 도서관에 비유하면 명확합니다.

• 셀 = 메모지 칸
• 페이지 = 책의 페이지
• 블록 = 책 한 권
• SLC 캐시 = 사서 앞의 ‘즉시 처리용 바구니’
• 컨트롤러 = 사서 팀장
• 채널 = 사서 각각의 통로
• FTL = 도서관 주소체계
• GC = 오래된 메모지를 정리하는 청소 작업
• TRIM = “이 책은 폐기 예정” 사전 알림

SSD는 서가 이동(헤드 이동)이 없고, 대규모 병렬 접근이 가능해 현대 컴퓨터의 전체 성능을 폭발적으로 끌어올렸습니다.

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9. 오늘날 SSD의 활용 - PC에서 AI 서버까지

SSD는 성능 향상의 중심에 있습니다.

• 노트북, PC 시스템 디스크
• 게이밍 로딩 시간 단축
• 서버 캐시 계층 (NVMe SSD)
• AI 학습 데이터셋 로딩
• DB의 로그/메타데이터 저장
• 클라우드 VM의 루트 볼륨

SSD는 저지연 + 고속 + 저전력의 특성을 바탕으로 HDD가 접근할 수 없는 영역을 책임지고 있습니다.

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10. 요약

• SSD는 NAND 셀에 전자를 가두는 구조로 데이터를 저장한다.
• 페이지, 블록 구조로 인해 수정은 불가능, 재기록 필요 → GC, TRIM 필수
• 컨트롤러가 SSD의 두뇌이며 FTL, ECC, 웨어레벨링을 담당
• 병렬 채널 구조가 SSD 속도의 핵심
• SLC 캐싱은 burst 성능을 대폭 향상
• 셀의 수명(P/E 사이클)은 셀 종류에 따라 다름

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11. 다음 편 예고

다음 글에서는 셀 구조를 전자적 관점에서 더 깊게 파고들며, SLC~QLC의 구조적 차이를 본격적으로 분석합니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #33 - NAND 플래시의 비밀

[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #33 - NAND 플래시의 비밀