[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #34 - NVMe와 PCIe SSD

초고속 데이터 고속도로로 진입하다

PCIe 레인, 병렬 큐, 컨트롤러 구조가 만드는 SSD의 극한 속도

핵심요약
NVMe SSD는 PCIe 레인을 통해 CPU와 직접 통신하는 초고속 저장장치다.
AHCI(SATA) 기반 SSD보다 훨씬 많은 병렬 큐를 지원해 지연시간이 매우 짧다.
컨트롤러는 NVMe 명령을 큐 단위로 처리하며 DMA를 통해 직접 메모리를 읽고 쓴다.
NVMe는 고속 컴퓨팅, 서버, AI 환경에서 표준으로 자리 잡았다.

 

NVMe와 PCIe SSD

---

1. NVMe와 PCIe SSD는 무엇인가?

핵심 문장: NVMe SSD는 CPU와 ‘직결된 고속 데이터 고속도로’를 타고 달리는 저장장치이다.

 

NVMe(Non-Volatile Memory Express)는 플래시 메모리(SSD)를 위해 새롭게 설계된 저장장치 프로토콜입니다. 기존 SATA SSD는 AHCI 기반, 단일 큐, 명령어 처리 방식이 HDD 시대의 유산 이기 때문에 고성능 SSD의 속도를 따라가지 못했습니다. 그래서 완전히 새로운 규격으로 NVMe가 등장합니다.

 

NVMe는 다음과 같은 목표를 가지고 있습니다.

• 병렬 처리 최적화
• 불필요한 레이어 제거
• CPU와 직접 연결
• 지연시간 최소화
• 대량 I/O 처리

이를 가능하게 만든 인터페이스가 바로 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)입니다.

---

2. PCIe 구조 - “레인(Lane)을 따라 달리는 고속 열차”

2-1. PCIe 레인(Lane)이란?

요약: PCIe는 1레인에 TX/RX가 포함된 고속 직렬 링크의 집합이다.

 

예:

• PCIe 3.0 x4 = 4레인 × 레인당 1GB/s급
• PCIe 4.0 x4 = 약 8GB/s
• PCIe 5.0 x4 = 약 14~15GB/s
• PCIe 6.0 x4 = 30GB/s 이상(HBM 수준)

NVMe SSD는 보통 x4 레인을 사용합니다. 즉, NVMe SSD = CPU 직통 4차선 고속도로, SATA SSD = 1차선 국도로 볼수 있습니다. 이것이 둘의 속도 차이가 압도적인 이유입니다.

---

3. NVMe의 구조 - “명령어를 큐(queue)로 처리하는 두뇌”

NVMe는 기존 AHCI와 달리 큐 기반 구조로 명령을 처리합니다.

3-1. Submission Queue와 Completion Queue

• Submission Queue(SQ): CPU → SSD로 작업 요청
• Completion Queue(CQ): SSD → CPU로 작업 완료 통보

이 큐들은 메모리에 존재하며, SSD와 CPU는 이를 DMA로 공유합니다.

3-2. 큐의 개수

• AHCI: 1개 큐, 큐 길이 32개 명령
• NVMe: 65,535개 큐, 큐 당 65,535개 명령

즉, AHCI가 직원 1명이 일하는 도서관이라면, NVMe는 직원 65,535명이 동시에 책을 찾는 초대형 도서관입니다.

3-3. 인터럽트 최적화

NVMe는 MSI/MSI-X 기반 인터럽트를 사용해 멀티코어 CPU에서 큐를 각 코어와 연결합니다.

---

4. NVMe SSD가 빠른 이유 - “CPU의 일감을 덜어준다”

핵심 문장: NVMe는 CPU 개입을 최소화하며 DMA로 직접 메모리를 읽는다.

 

NVMe는 다음 때문에 빠릅니다.

4-1. 전용 프로토콜

불필요한 레거시 명령 제거

4-2. 병렬 처리 최적화

수천 개의 요청을 동시에 처리

4-3. DMA(Direct Memory Access)

CPU가 직접 데이터를 복사하지 않고 SSD 컨트롤러가 메모리에 바로 읽기/쓰기

4-4. Doorbell Registers

CPU는 SSD에 "큐에 작업을 넣었음"을 알릴 뿐 이후 처리는 컨트롤러가 자체적으로 수행합니다. 이 구조는 “CPU의 일을 최대한 덜어주기 위해 설계된 저장장치 구조”라고 볼 수 있습니다.

---

5. NVMe와 SATA의 실제 성능 차이

5-1. 지연(latency)

• SATA SSD: 80~150µs
• NVMe SSD: 20~30µs

5-2. 처리량

• SATA 최대 550MB/s
• NVMe PCIe 4.0 x4 = 7,000MB/s 이상
• NVMe PCIe 5.0 x4 = 13,000MB/s 이상

5-3. IOPS

• SATA: 약 100k IOPS
• NVMe: 800k~1M IOPS 이상

차이가 “한 세대가 아니라 다섯 세대 차이”입니다.

---

6. NVMe SSD 내부 구조 - “컨트롤러가 고속도로의 톨게이트”

NVMe SSD는 내부적으로 다음 구성 요소를 갖습니다.

• SSD 컨트롤러
• DRAM 또는 HMB(Host Memory Buffer)
• NAND 플래시 패키지
• SLC 캐시 영역
• 채널(병렬 회로)

6-1. 컨트롤러의 역할

• NVMe 명령 해석
• 큐 관리
• DMA 엔진 작동
• FTL 매핑
• ECC
• Wear-Leveling
• Garbage Collection

컨트롤러는 NVMe SSD의 “두뇌”이자 “교통 관제 센터”입니다.

---

7. 비유하자면 - “직통 고속도로 + 톨게이트 자동화 시스템”

SATA가 국도·신호등이라면, NVMe는 고속도로/ICN 시스템과 같습니다.

• PCIe 레인 = 고속도로 차선
• NVMe 큐 = 고속도로 톨게이트에서 자동 분배되는 차선
• DMA = 화물차가 출발지에서 목적지로 바로 이동
• 컨트롤러 = 고속도로 관제센터
• Submission Queue = 톨게이트 진입
• Completion Queue = 톨게이트 출구

이 비유는 NVMe가 어떻게 속도와 지연을 동시에 해결하는지 명확히 보여줍니다.

---

8. 기술 발전 과정 - PCIe 2.0 → 3.0 → 4.0 → 5.0 → 6.0

속도와 대역폭은 기하급수적으로 증가 중입니다.

세대	레인당 속도	x4 SSD 이론치
PCIe 2.0	~500MB/s	~2GB/s
PCIe 3.0	~1GB/s	~4GB/s
PCIe 4.0	~2GB/s	~8GB/s
PCIe 5.0	~4GB/s	~16GB/s
PCIe 6.0	~8GB/s	~32GB/s

AI, 고성능 컴퓨팅의 발전과 함께 저장장치 인터페이스 역시 초고속화되고 있습니다.

---

9. 오늘날 활용 - 클라이언트부터 AI 서버까지

NVMe는 다음 환경에서 필수입니다.

• 게임 로딩
• 영상 편집
• 4K/8K RAW 파일 처리
• 서버 DB 캐시
• 가상화
• AI 데이터셋 로딩
• 클라우드 VM 저장소
• 초당 수백만 IOPS 환경

대용량, 고속, 저지연이 요구되는 모든 분야에서 NVMe가 표준입니다.

---

10. 요약

• NVMe SSD는 PCIe 레인을 통해 CPU와 직접 연결되는 초고속 SSD이다.
• 큐 기반 구조로 AHCI SSD보다 압도적으로 빠르다.
• DMA·병렬 큐·Doorbell Register 구조가 지연을 최소화한다.
• PCIe 세대 발전에 따라 NVMe 성능은 계속 상승 중이다.
• 현대 모든 고성능 컴퓨팅에서 NVMe는 사실상 필수다.

---

11. 다음 편 예고

다음 글 에서는 SSD/HDD의 수명, Wear-Leveling, TRIM, TBW, 디스크 관리 기법을 전반적으로 다룹니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학/저장장치] - [하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #35 - 저장장치의 수명과 관리

[하드웨어 뜯어보기] 저장장치 #35 - 저장장치의 수명과 관리