소프트웨어 혁신으로 SSD 잠재력 발현

Ace Stryker, 제품 마케팅 책임자, PC 하드웨어 + 소프트웨어

2021년 12월 처음 사업을 시작할 때 솔리다임은 '솔리드 스테이트 스토리지의 새로운 패러다임'을 약속했습니다. 이러한 혁신은 업계의 난제를 해결하기 위한 솔루션을 제시하고 고객에게 새로운 경험을 제공합니다. 지금 우리는 그 목표에 더욱 가까이 다가가고 있습니다.

Solidigm Synergy™ 소프트웨어 2.0의 철학, 기능 및 기대 효과 살펴보기

솔리다임은 다양한 혁신 기능으로 고객의 SSD를 지원하는 무료 소프트웨어 솔리다임 Synergy™ 2.0을 출시하여 그 약속을 현실로 만들고 있습니다. 이 새로운 소프트웨어는 SSD와 호스트 시스템 간의 연결 격차를 좁혀서 하드웨어가 단독으로 제공할 수 있는 것보다 더 높은 수준의 응답성과 맞춤화를 지원합니다.

Solidigm Synergy™ 소프트웨어 구성 요소

그림 1. Synergy 툴킷 및 드라이버 간략 정보

하드웨어와 펌웨어는 성능을 개선합니다.

하드웨어 혁신은 클라이언트 SSD의 성능을 향상시키고, 용량을 높이고, 비용을 줄였습니다. 구체적 내용은 다음과 같습니다.

• NAND 미디어의 속도 및 집적도 향상(셀당 비트)
• PCIe(PCI Express) 인터페이스의 진화
• 아키텍처 혁신(예: 호스트 메모리 버퍼(HMB))

한편, 펌웨어의 발전은 더 좋은 제품을 만드는 데 다양한 방식으로 기여해 왔습니다. SLC 캐싱(정적 및 동적 구현 모두 포함)이 좋은 예입니다. SLC 캐싱은 추후 빠르게 엑세스할 수 있도록 데이터를 드라이브 일부에 보관하는 기능입니다.

왜 소프트웨어인가?

이처럼 SSD는 꾸준히 개선되어 왔지만, 중요한 부분에서 한계가 있었습니다. 여러 사용자를 아우르지 못하는 일률적인 정책에 의존한다는 것입니다. 예를 들어, 사무직 근로자에게는 게이머와 다른 스토리지 세팅이 필요합니다.

최고급 SSD조차도 실제로 무엇을 저장하고 있는지 전혀 인지하지 못합니다. SSD는 세상을 논리적 블록 주소 (LBA)로 보며, 사진, 텍스트 파일, 음악 파일을 구분하지 못합니다.

그림 2. Solidigm Synergy 전략

바로 여기서 소프트웨어, 즉 스토리지 드라이버가 등장하게 됩니다. 호스트와 스토리지 장치 사이를 연결하여 SSD에 새로운 인사이트를 제시합니다. 유용한 기능에는 무엇이 있을까요? 이 백서의 다음 내용은 툴킷과 드라이버를 포함한 최신 Solidigm Synergy™ 소프트웨어의 기능에 관한 상세 논의입니다. 가장 중요한 질문부터 시작하죠. 왜 이것이 최종 사용자에게 중요할까요? 어떻게 사용자의 일상적인 PC 작업 및 게임 플레이를 개선할까요? 결국 사용자의 일상 작업에 도움이 되지 않는다면 모든 게 허울 좋은 마케팅에 불과할 것입니다.

그림 3. Solidigm Synergy 성능 지표

솔리다임 Synergy는 모든 유형의 사용자에게 확실한 이점을 제공합니다. 이를 몇 가지 카테고리로 분류하고 차례대로 이야기 해봅시다.

일반 사용자

• 웹 검색부터 Microsoft Office 제품과 같은 생산성 소프트웨어에 이르기까지 다양한 일반 활동을 위해 PC를 사용하는 사무직 근로자 및 학생.

게이머

• 대용량 설치, 에셋 파일 불러오기 등 시스템에 높은 부하를 주는 AAA 게임 이용자.

콘텐츠 크리에이터

• 사진, 동영상, 오디오 등 미디어 작업을 하는 사람들은 큰 파일과 작은 파일, 읽기 작업과 쓰기 작업을 혼합하는 경우가 많으며, 멀티태스킹을 자주 합니다.

1. 일반 사용자

일반 PC 사용 유형은 매우 다양합니다. 여기에는 PC 시작, 웹 검색, 간단한 생산성 작업(Microsoft Office) 등이 포함됩니다.

이러한 활동을 위해 패스트 레인이라는 기술로 SSD의 캐시 공간(드라이브의 '빠른 액세스' 영역)의 사용을 최적화합니다. 스토리지가 가득 차면 PC 속도가 느려지는 경험을 하게 되는데, 이럴 때 패스트 레인 메커니즘이 큰 효과를 발휘합니다.

또한, PC 부팅 시간이 크게 단축되었습니다. 가만히 앉아 시스템 로딩 작업이 완료될 때까지 기다리고 싶어하는 사람은 아무도 없습니다. 누구나 빠르게 작업을 시작하고 싶어합니다. 반응형 스토리지의 목표는 기술적 장애에 구애 받지 않고 생산성 작업을 수행할 수 있도록 하는 것입니다.

또한, 전반적 PC 사용자 경험의 유용한 지표가 되는 스토리지 벤치마킹 도구도 있습니다. 높은 평가를 받은 도구로는 UL의 PCMark 10이 있습니다. Microsoft Office, Adobe Creative Cloud 등 일반 애플리케이션에서 실제 워크로드에 기반하여 표준화된 점수를 산출합니다. 또한, PCMark 10은 스토리지 장치와 같이 특정 시스템 리소스의 성능을 측정하는 테스트 기능도 제공합니다. 바로 이것이 이 도구의 전체 시스템 드라이브 및 빠른 시스템 드라이브 벤치마크의 핵심입니다.

스토리지 벤치마킹 도구라 알려진 모든 도구가 똑같이 유용한 것은 아니지만, PCMark 10 스토리지 테스트는 실제 사용자 경험을 나타낸다는 측면에서 가장 좋은 도구라는 것이 저희의 의견입니다.

2. 게이머

PC 게임, 특히 AAA '블록버스터' 게임은 사용자의 SSD에 대하여 상대적으로 좁은 범위의 높은 요구사항을 갖습니다. 초기 설치 이후의 게이밍 워크로드는 쓰기 작업보다 읽기 작업이 많습니다. 대부분의 I/O 작업은 게임을 시작하고, 저장 상태를 로딩하고, 게임 내의 새로운 레벨을 불러올 때 이루어집니다.

이러한 게이밍 워크로드는 다음과 같은 경향을 보입니다.

• 대부분 읽기 작업입니다.
• 대체로 순차 작업입니다.
• 대부분 매우 낮은 큐뎁스(QD)를 가집니다.

정확히 이 부분에서 Smart Prefetch라는 솔리다임 Synergy™ 소프트웨어의 새로운 기능이 도움이 될 수 있습니다. 이 기능은 위에서 설명한 것과 같은 예측 가능한 데이터 스트림을 감지하고, 사용자 애플리케이션(이 경우에는 게임)이 요청하기 이전에 다음 항목을 전달합니다. 이러한 방식으로 Smart Prefetch는 지연 시간을 줄이고 로딩 시간을 개선합니다. 특히, 게임이 작은 전송 크기의 순차적 읽기에 의존하는 경우에 더욱 그렇습니다.

추후 Smart Prefetch에 대한 자세한 논의에서 구체적인 워크로드에 대해 알아보고 이러한 기능이 어떻게 PC 게임의 특정 요구사항을 해결하는지 살펴보겠습니다.

3. 콘텐츠 제작자

비디오, 오디오, 사진 등 미디어를 다루는 콘텐츠 제작자는 가장 견고한 스토리지 장치를 사용해도 다양한 문제를 겪습니다.

프로젝트 단계에 따라 읽기 작업보다 쓰기 작업이 훨씬 많이 필요할 때도 있고, 그 반대일 때도 있습니다. 그리고 개별 프로젝트의 특성에 따라 작은 I/O 작업이 많이 필요한 경우가 있고(보통 완전히 랜덤임), 소수의 대용량 작업을 순차적으로 읽거나 쓰는 경우도 있습니다. 결국, 모든 성능 벡터에서 작은 성능의 개선이 전반적인 '응답성'을 높이므로 업무 전반에서 시스템이 빠르게 반응하는 것을 느낄 수 있습니다. Dynamic Queue Assignment 는 특히 본질적으로 임의로 이루어지는 작업의 읽기 및 쓰기 성능을 개선하는 기능입니다. 이 기능은 I/O 요청을 처리하는 CPU 코어의 수를 동적으로 최적화합니다. 다시 말해, 덜 바쁜 코어가 있다면 드라이버가 작업을 재분배하여 CPU 병목 현상을 피합니다.

애플리케이션 시작은 스토리지 성능이 사용자 경험을 주도하는 동안 발생하는 가장 일반적이며 중요한 이벤트입니다. 누구나 바탕화면 아이콘을 클릭하고 애플리케이션이 로드되고 표시되는 동안, 로딩 화면만 보거나 심지어 아무것도 나타나지 않은 경험을 해보셨을 것입니다.

Solidigm Synergy™ 툴킷

당사의 툴킷은 사용자가 일상적으로 상호작용 할 소프트웨어 제품군입니다. 이러한 이유로, 더 좋은 사용자 경험을 위해 디자인에 집중했습니다. 솔리다임 Synergy™ 2.0의 출시와 함께 우리는 해당 Windows 애플리케이션 UI를 다시 디자인하여 모든 도구 및 드라이브 보고 기능의 직관성과 편의성을 높였습니다.

그림 4. 솔리다임 Synergy 툴킷 대시보드

솔리다임 SSD를 사용하든 경쟁업체의 SSD를 사용하든, 솔리다임 Synergy™ 소프트웨어 기능 세트의 이점을 누릴 수 있습니다. 우리는 툴킷의 거의 모든 기능을 자체 SSD와 타사 SSD에 개방하기로 결정했습니다. 단, 페스트 레인 관리는 예외입니다. 이 기능은 솔리다임이 아닌 타사 제품에서는 사용할 수 없는 드라이브 펌웨어의 특정 항목이 필요합니다.

주요 기능

자세한 툴킷 기능에 대해서는 솔리다임 Synergy™ 툴킷 사용자 가이드를 참조하십시오. 다음은 간단한 요약입니다.

솔리다임 Synergy™ 드라이버

솔리다임 Synergy™ 소프트웨어가 제공하는 성능 개선 사항에 대해서는 이미 논의한 바 있습니다. 이제는 그 작동 방식에 대해 대해 알아보겠습니다.

패스트 레인 (이전 명칭: 호스트 관리 캐싱)

패스트 레인은 셀당 여러 비트를 저장할 수 있는 1세대 SSD부터 이어져 온 오래된 문제를 해결합니다. 이러한 드라이브와 함께 SLC(싱글 레벨 셀) 캐시가 등장했습니다. 낸드 캐싱의 구조는 이 백서의 범위를 벗어나지만, 오늘날 판매되는 모든 SSD는 드라이브 내 '빠른 액세스' 영역의 일종으로 캐시를 사용합니다.

상대적으로 작은 캐시에 있는 항목은 빠르게 로딩할 수 있고, 캐시 외부의 넓은 영역에 저장된 항목은 더 느리게 로딩됩니다.

다음은 사용자 관점의 측면에서 볼 때 주목할 만한 요소입니다.

• SSD가 가득 차면 추가 파일을 위한 캐시 공간이 줄어듭니다. 이것이 바로 '동적' 캐싱이라 불리는 업계 표준 동작입니다.
• 패스트 레인이 없으면 SSD는 캐시 공간을 단순한 방식으로만 사용합니다. 새롭게 작성된 데이터는 곧바로 캐시로 들어가며, 새로운 파일이 들어오면 밖으로 밀려납니다. 이를 '데이터 트레드밀' 효과라고 부릅니다.

드라이브가 50% 혹은 그 이상 차 있을 때, 두 가지 문제가 복합적으로 발생합니다. 1) 액세스하려는 데이터가 드라이브에 더 많이 있습니다. 2) 캐시 공간이 부족해집니다. 이에 따라 SSD 속도가 저하됩니다.

이러한 이유로 캐시 공간을 더욱 잘 활용하는 것이 점점 중요해지고 있습니다. 이것이 바로 패스트 레인이 존재하는 이유입니다. 이는 사용자에게 가장 중요한 파일 및 애플리케이션을 파악한 다음, 캐시에서 해당 항목을 보관하기 위한 우선순위를 정합니다.

이러한 방식을 통해 성능 일관성을 확보할 수 있습니다. 캐시 공간을 최적화함으로써 가장 중요한 데이터를 빠르게 사용할 수 있습니다. 기존 방식은 (최근 쓰기를 기준으로) 캐시할 항목을 선택하는 과정에서 최적화된 결정을 내리지 못하기 때문입니다.

패스트 레인을 사용하면 드라이브가 50% 정도 차 있는 동일 조건에서 QD1 랜덤 읽기 속도(응답성의 핵심 요소)가 최대 120%까지 개선되는 것으로 나타났습니다.

주의: 패스트 레인은 드라이브가 가득 차 있을 때에는 거의 효과가 없습니다. 이미 동적 캐시가 너무 많이 줄어든 상태라서 무엇을 보관할지 결정하는 것이 중요하지 않기 때문입니다. 마찬가지로 이 기능은 완전히 비어 있는 드라이브에서도 큰 효과가 없습니다. 캐시 공간이 아직 충분하므로 기존의 방식으로도 캐시에 저장된 데이터를 관리할 수 있기 때문입니다.

패스트 레인의 효과는 드라이브가 25%에서 75% 정도 차 있을 때 가장 크며, 솔리다임은 이 경우가 실사용 환경의 대부분을 차지한다고 보고 있습니다.

Smart Prefetch

읽기 작업 내에서 각 동작을 순차 또는 랜덤에 특화할 수 있습니다.

• 순차 작업은 저장 장치에 있는 데이터의 연속적인 '청크(chunks)'를 포함하며, 주로 큰 개별 파일을 전송하는 동안 발생합니다.
• 랜덤 작업은 드라이브가 한 곳에서 다른 곳으로 이동하며 I/O 요청을 처리할 때 발생하며, 주로 작은 파일을 포함합니다.

게임 영역은 다른 I/O 유형보다 순차 작업 의존도가 높습니다. 모델, 텍스쳐, 오디오 파일 및 기타 애셋 파일이 매우 방대하기 때문입니다. 예를 들어, Elden Ring에서 새로운 레벨을 로딩하다가 동작이 멈춘 경우를 생각해 보세요.

내부 솔리다임 리서치를 기반으로 한 워크로드 분석

주요 사항

1. 레벨 로딩에서 데이터 781MB가 전송되는 동안 87%가 순차 읽기의 형태로 이동되었습니다.
2. 이러한 순차 읽기에서는 가장 작은 크기(4 KB)부터 가장 큰 크기(2 MB)까지 다양한 크기의 데이터가 전송됩니다.

게임과 관련해서 고려해야 할 또 다른 요소는 큐뎁스(QD)입니다. 이는 임의의 시간에 SSD 컨트롤러에서 얼마나 많은 I/O가 대기 중인지 측정하는 척도입니다. 단, 실제 작업은 대부분 QD1에서 이뤄지거나, 대기열 없이 곧바로 처리됩니다.

Elden Ring에서 전체 로딩의 QD 평균은 1.2였으며, 이때 7초가 소요되었고, 수만 건의 I/O 작업이 처리되었습니다.

이것이 바로 Smart Prefetch라 불리는 솔라다임 Synergy™ 소프트웨어의 새로운 기능이 등장한 이유입니다. 이 기능을 사용하면 드라이버는 읽기 작업의 예측하기 쉬운 스트림(낮은 큐뎁스의 순차 작업)이 언제 일어나는지 감지할 수 있습니다. 이 정보를 사용하여 사용자 애플리케이션이 데이터를 요청하기 전에 다음에 사용될 데이터를 "미리 가져옵니다(prefetch)."

SSD는 솔라다임 Synergy™ 드라이버의 도움으로 PC에 "이미 A, B, C, D를 요청한 것을 알고 있습니다. 다음에는 E, F, G를 요청할 것으로 예상됩니다. 그러니 요청하기 전에 알려드리죠."라고 말합니다. 덕분에 순차 읽기 속도가 크게 향상되며, 요청 수가 수천 개로 급증할 수 있는 낮은 전송 크기에서는 더욱 효과가 큽니다.

동적 대기열 할당

해당 드라이버는 스토리지 집약형 워크로드가 SSD 외부에서 시스템 리소스 병목 현상을 일으킬 수 있는 위치를 파악하여 사용자 경험을 최적화합니다. I/O 요청이 수신 되고, 서비스 및 라우팅될 때, 이미 바쁜 코어로 너무 많은 완료 요청이 전송되는 경우 CPU에서 병목 현상이 일어날 수 있습니다.

DynamicQueueAssignment는 덜 바쁜 코어로 I/O 완료를 라우팅합니다. 오늘날의 PC 프로세서는 대체로 8개 이상의 코어를 가지고 있습니다. 이 기능은 멀티 코어를 활용하여 수많은 작업을 대기 없이 효율적으로 처리합니다.

앞으로의 여정

솔리다임 Synergy™ 1.0을 출시할 때 우리는 이것이 여정의 시작임을 약속했습니다. “솔리드 스테이트 스토리지의 새로운 패러다임을 제시한다”는 회사의 미션은 단순한 마케팅 문구 이상의 의미를 지닙니다.

2.0 버전은 새로운 UI와 최적화 기능을 제공합니다. 이번 버전은 엔지니어팀(하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어) 및 기획 마케팅팀과 긴밀히 협업한 결과이자 혁신의 산물입니다. 물론 이 모든 게 가능했던 건 고객 여러분이 보내 주신 훌륭한 피드백 덕분이었습니다.

그림 5. Synergy 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어 워크플로

하지만 아직 끝나지 않았습니다. 이는 한계에 도전하는 긴 여정의 두 번째 단계에 불과합니다. 아직 더 많은 개선 및 최적화 작업이 남아 있다고 생각하며, 이상적인 사용자 경험을 추구하면서 계속 발전하고 개선해 나갈 것입니다.

계속 지켜봐 주십시오. 이루어 나갈 것이 더 많습니다.