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게시 October 10, 2023

저자 Yuyang Sun

기사

메인스트림 도입을 위한 QLC 고려 사항

QLC SSD가 광범위한 데이터 센터 스토리지의 비용을 절감하고 결과를 개선할 수 있는 방법

Depiction of QLC SSDs using large datasets for zoned namespace or flexible data placement.
Depiction of QLC SSDs using large datasets for zoned namespace or flexible data placement.

데이터 스토리지 수요가 급증하고 보다 경제적인 고밀도 스토리지 솔루션이 필요하게 되면서, 플래시 기술은 2D에서 3D 아키텍처로, 수십 개의 레이어에서 수백 개의 레이어로, SLC 및 MLC에서 TLC 및 QLC로 발전했습니다.

현재 3D TLC NAND는 플래시 NAND 기술의 주류로 자리매김하고 있으며, 3D QLC NAND는 진화하고 소비자와 확장되는 생태계의 수용도가 높아지며 꾸준히 호응을 얻고 있습니다. QLC 기반 SSD는 시중의 다른 대체품과 비교했을 때 더 나은 환경적 지속 가능성, 확장성, 비용 효율성, 스토리지 용량을 제공합니다.

이 기사에서는 QLC 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가하는 이유를 살펴보고, 기존 스토리지 장치 옵션과 QLC SSD를 종합적으로 비교합니다. 이 비교는 데이터 센터 설계자가 스토리지 요구 사항에 맞게 최적의 선택을 하는 데 필요한 지식을 갖추도록 하기 위한 것입니다. QLC가 주류로 채택될 준비가 되었는지 살펴보기 전에 QLC 정의와 업계 표준에 대한 간략한 개요를 살펴보겠습니다.

QLC란 무엇인가? 

QLC는 각 NAND 셀이 4비트의 데이터를 저장하는 쿼드 레벨 셀을 의미합니다. 숫자에서 알 수 있듯이 이 추가 비트는 현재 출시된 가장 일반적인 NAND 플래시인 TLC(트리플 레벨 셀)보다 더 높은 밀도를 허용합니다. 이 네 번째 비트는 비용 절감과 함께 면 밀도의 즉각적인 증가를 의미합니다(거친 IU를 사용한 더 적은 DRAM 등 SSD 수준의 다른 비용 절감은 고려하지 않음). 이러한 이점 덕분에 Solidigm 192L QLC 면 밀도(18.6Gb/mm sq)는 더 적은 레이어에서도 동급의 TLC NAND보다 훨씬 높습니다. [1]

4비트를 저장하려면 QLC 셀은 TLC의 두 배인 16개의 전압 레벨을 쓰고 읽어야 하며, 이는 NAND 레벨에서 TLC보다 상대적으로 느린 P/E(Program/Erase, 쓰기/삭제) 주기와 I/O(Input/Output, 입력/출력) 속도로 이어집니다.  

그러나 SSD 성능과 내구성은 드라이브 수준에서 다양한 요인의 영향을 받습니다. 여기에는 I/O 인터페이스 속도, 펌웨어 최적화 및 튜닝, 오버프로비저닝, 컨트롤러, 채널 구성이 포함되며, 이 모든 것이 NAND 구성 요소만의 고유 특성을 보완합니다.

마찬가지로, SSD의 품질과 안정성은 NAND 구성 요소 자체 외에도 운영 환경, 다양한 응용 프로그램에서 펌웨어 및 하드웨어의 전반적인 복원력과 무결성, 제조 공정의 정확성, 데이터 보호 메커니즘의 효율성에 따라 크게 달라집니다.

솔리다임 QLC NAND 기술은 2017년 출시된 이래, 4세대 개발을 거쳐 발전해 왔으며 내구성, 성능 및 스토리지 밀도 측면에서 상당한 개선을 이루었습니다. 

QLC 세대 및 워크로드는 64에서 144, 192 레이어 범위의 TLC 및 QLC에 적합합니다.

그림 1. 솔리다임 QLC NAND 진화

이 기사의 다음 섹션에서는 솔리다임 D5-P5336D5-P5430을 예로 들어 QLC 드라이브가 달성할 수 있는 TCO(총 소유 비용)와 성능을 보여 드리겠습니다.

QLC는 어떻게 광범위한 도입을 위한 준비가 되었는가?

QLC의 광범위한 도입을 위한 준비를 분석하면서 공급업체의 준비 상태, 데이터 액세스 패턴 정렬, 생태계, 비용의 4가지 주요 측면에 초점을 맞출 것입니다. 이제 각각의 측면을 살펴보겠습니다.

공급업체 준비 상태

주요 NAND 및 SSD 제조업체는 이미 클라이언트와 엔터프라이즈 모두를 위해 QLC 기반 NAND 및 QLC SSD의 대량 생산을 시작했습니다. 특히 Forward Insights는 QLC의 시장 점유율이 2025년까지 30%까지 성장할 것으로 예측했습니다. [2] 대표적인 예로, 솔리다임은 이미 4세대 데이터 센터 QLC SSD로 발전했습니다. 최신 세대의 솔리다임 QLC 시리즈 D5-P5336은 순차 쓰기 시 최대 213PBW, 랜덤 쓰기 시 65PBW의 인상적인 PBW(페타바이트 쓰기)를 보여주며, 이는 0.58 랜덤 DWPD(Drive Writes Per Day)로 환산됩니다. 투자에 대한 끊임없는 노력과 업계 전반에 걸친 QLC 기술의 지속적인 향상은 계속되는 성장을 위한 핵심 역할을 합니다.

데이터 액세스 패턴 정렬

데이터 센터 스토리지 솔루션의 데이터 전송 크기와 읽기 위주의 워크로드 영역에 대한 그래픽.

그림 2. 데이터 센터 워크로드

오늘날의 데이터 센터에서 주요 워크로드는 데이터 전송 크기가 큰 읽기 집약적 작업으로 구성됩니다. 스토리지 설계자는 더 적은 비용으로 보다 빠르고 일관된 데이터 읽기 액세스를 지원하는 시스템을 설계하는 데 중점을 둡니다. 동시에 파일 시스템과 스토리지 엔진이 쓰기 IO를 형성하여 성능을 최적화함으로써, 쓰기 대역폭을 효과적으로 극대화하고 플래시 드라이브의 수명을 연장합니다. 또한, 드라이브 용량이 증가함에 따라, DWPD(Drive Writes Per Day) 등급으로 알 수 있듯이 동일한 PBW(Petabytes Write)에 대한 드라이브 내구성 요구 사항이 감소합니다.

QLC와 TLC SSD의 읽기 및 쓰기 워크로드와 내구성을 자세히 설명하는 표

표 1. QLC SSD의 성능 및 TLC SSD와 내구성 비교

QLC 기반 플래시 드라이브는 솔리다임 D5-P5536 시리즈의 성능을 바탕으로 최신 데이터 센터에 매우 적합한 선택으로 입증되었으며, 비 랜덤 쓰기 집약적 사용 사례에 상당한 가치를 창출합니다. 기존 SATA/SAS 하드 디스크 드라이브에 비해 OPEX(운영 비용)를 낮출 뿐만 아니라 IO/GB 및 IO/$ 지표를 모두 높이며, TLC 대안과 비교했을 때 성능 저하를 최소화하거나 전혀 없는 상태에서 CAPEX(자본 지출) 비용을 대폭 절감할 수 있습니다. 에코시스템 스토리지 하드웨어 및 소프트웨어 공급업체는 QLC 기술에 적합한 솔루션과 서비스를 적극적으로 개발했습니다. VAST Data, Dell Powerscale, Pure Storage, IBM, DDN, NetApp과 같은 많은 회사가 QLC 기반 응용 프로그램을 자사 제품에 통합했습니다.   또한 Alibaba를 포함한 수많은 클라우드 서비스 제공업체들은 이미 빅 데이터 로컬 디스크 인스턴스를 위한 ECS(Elastic Compute Service)와 같은 서비스에 QLC를 도입했습니다. 쇼트 스트로크 HDD를 대체하기 위해 QLC SSD를 배포하면 성능, 용량, 지연 시간, TLC 전반에서 현저히 개선된 효과를 얻을 수 있습니다. 에코시스템이 계속 진화함에 따라, 혁신적인 사용 사례가 등장하고, 더 많은 사용자 그룹이 이를 따르게 될 것입니다.

비용

HDD에 비해 플래시 가격이 급속하게 하락하면서 HDD와 플래시 스토리지 간의 기가바이트당 가격 격차가 빠르게 좁혀지고 있습니다. 이러한 지속적인 추세는 매우 높은 면밀도로 인한 탁월한 총 소유 비용(TCO) 이점 덕분에 플래시 기술, 특히 QLC 플래시의 도입을 가속화할 것으로 예상됩니다. 이를 뒷받침하듯 Wikibon Research가 실시한 TCO 분석에 따르면, 10PB QLC SSD 기반 클러스터의 경우 기존 HDD 솔루션에 비해 10년 동안 3,030만 달러에 달하는 상당한 비용 절감 효과가 있는 것으로 나타났습니다. [8]

모든 HDD 어레이와 QLC D5-P5336의 총 소유 비용

표 2.  100PB 오브젝트 스토리지 클러스터 해결 시 TCO 값

표 2는 5년 동안 QLC와 HDD를 비교했을 때 47%라는 놀라운 TCO 절감 효과를 보여주는 TCO 비용-편익 분석입니다. 이러한 절감 효과에는 랙 공간, 에너지 소비, 인건비 감소 및 폐기물 처리 공간의 대폭 축소가 포함되어 지속 가능성 향상에 기여합니다. 솔리다임은 QLC를 메인스트림으로 가져올 준비가 되었습니다. 그림 3에 표시된 혁신 도입 수명 주기는 Everett M Rogers(Diffusion of Innovations의 저자)에 의해 'Roger’s bell curve'라고 알려져 있습니다.  그는 도입자를 5가지 범주로 분류했습니다. 우리는 혁신 수명 주기에 대한 이러한 기본적인 이해를 바탕으로 스토리지 솔루션의 일부로 QLC를 도입한 데이터 센터를 이 곡선을 따라 표시할 수 있습니다.  Forward Insights의 QLC 도입률 추정에 따르면 2025년까지 혁신자(Innovator) 단계에서 얼리 어답터(Early Adopter) 및 초기 다수자(Early Majority)로 전환될 것으로 예상됩니다.

전체 데이터 스토리지에서 차지하는 비중이 커지고 있는 QLC 시장 규모에 대한 그래픽.

그림 3. QLC 시장을 메인스트림으로 확장

QLC 스토리지 솔루션의 선구자이자 선두주자인 솔리다임은 안정성, 내구성, 성능에 대한 최종 사용자의 요구 사항에 정확하게 부합하는 고품질 제품을 구축하는 데 필요한 전문 지식과 경험을 자랑합니다. 솔리다임의 데이터 센터 QLC SSD는 수년 간의 전용 제품 개선 작업 이후에 현저히 낮은 연간 고장률(AFR)을 입증했습니다. [9]

QLC 기반 솔루션은 이미 액티브 아카이브, 대규모 NAS, 소프트웨어 정의 스케일 아웃 스토리지, 클라우드 및 가상 머신 환경 등의 다양한 응용 프로그램에서 성능 및 Nearline(NL) HDD는 물론 TLC 기반 SSD를 대체하며 진전을 보이고 있습니다. 더 광범위한 도입이 곧 이루어질 것입니다.

결론

QLC 자체가 전체 시장을 지배하지는 않더라도 메인스트림에서의 입지가 점차 강화되고 있습니다. 그 원동력 중 일부는 거친 IO 블록과 SLC SSD와 같은 보완 제품에 대한 소프트웨어 및 파일 시스템 지원입니다. QLC의 성능을 높이고 내구성을 강화하는 연산 또는 가속 소프트웨어와 하드웨어도 규모의 경제로 인한 QLC NAND 생산 비용 절감과 마찬가지로 영향을 미칠 것입니다.

 

참고

[1] Samsung https://semiconductor.samsung.com/news-events/tech-blog/expanding-storage-solutions-with-nand-flash-technology/

[2] http://www.forward-insights.com/reportslist.html

[3] 솔리다임.  D5-P5336 제품 사양 및 현행 5분기 로드맵. D5-P5336의 최대 내구성은 100% 16K RW @ 61.44TB 용량 기준입니다.   

[4] Samsung.  최고 용량 드라이브에서 가능한 성능 및 PBW. https://image.semiconductor.samsung.com/resources/data-sheet/Samsung_SSD_PM9A3_Data_Sheet_Rev1.0.pdf

[5] Micron. 최고 용량 드라이브에서 가능한 성능 및 PBW. https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/product-flyer/7450_nvme_ssd_product_brief.pdf

[6] Micron. 성능 및 PBW에 대한 자세한 내용: https://www.micron.com/products/ssd/product-lines/6500-ion  

[7] Kioxia. 최고 용량 드라이브에서 가능한 성능 및 PBW. https://americas.kioxia.com/content/dam/kioxia/shared/business/ssd/data-center-ssd/asset/productbrief/dSSD-CD8-R-U2-product-brief.pdf

[8] http: //wikibon.org/wiki/v/Calculating_Infrastructure_TCO_per_VM

[9] Solidigm QRE 팀 내부 추적 저자 소개 솔리다임의 제품 마케팅 수석 매니저인

Yuyang Sun은 SSD 스토리지 설계, 비즈니스 계획, 마케팅, 전략 분야에서 10년 이상의 경험을 보유하고 있습니다. Yuyang Sun은 주요 업계 관계자와의 일상적인 상호 작용을 통해 데이터 센터 스토리지 솔루션의 세계에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있게 되었으며, 초기부터 데이터 센터 QLC SSD 제품 관리에 적극적으로 참여했습니다. Yuyang은 브리티시 컬럼비아 대학교에서 전기공학 학사 및 석사 학위, 와튼 경영대학원에서 MBA를 취득했습니다. 여가 시간에는 배드민턴을 즐기며 수백 명의 회원들이 활동하는 지역 배드민턴 클럽을 공동 설립하기도 했습니다.

 

QLC Considerations for Mainstream Workload Adoption