2010년대 전반에 둔화된 HDD의 고밀도화

HDD의 자기 기록 밀도의 향상 속도가 과거 매우 높았던 적이 있었다. 2010년까지 50년간 평균 연율은 40%란 엄청난 페이스다. 그런데 이 향상 속도는 2010년 이후 급속히 둔화됐다. 구체적으로는 1평방인치당 700Gbit~800Gbit로 기록 밀도가 한계에 이르렀다.

 9월 21일~24일 미국 캘리포니아 주 실리콘 밸리에서 개최된 스토리지 개발 기술 강연회 "스토리지 개발자 회의(SDC 2015)"에서는 조사기관 Coughlin Associates가 과거 20년간 HDD 기록 밀도의 추이를 슬라이드로 보였다. 이 슬라이드에 따르면 서기 2000년~2010년경은 수직 자기 기록(PMR:Perpendicular Magnetic Recording)기술과 TMR(Tunnel Magneto-Resistance)자기 헤드 기술의 편성에 의해 HDD제품의 자기 기록 밀도는 연간 평균 40%라는 높은 성장을 유지했는데 2010년 이후는 자기 기록 밀도의 성장이 급속히 둔화됐다. 2010년~2015년의 평균 연율은 13%로 낮아졌다. 특히 2011년~2013년은 HDD의 자기 기록 밀도는 완전하다고 말해도 좋을 만큼 늘지 않았다.

2010년대 전반에 HDD의 기억 용량 확대를 견인한 것은 자기 기록 밀도의 향상은 아니다. 용량 확대를 견인한 것은 장치 1대가 안고 있는 하드 디스크 플래터 매수의 증가다. 같은 두께에서 최대 7장의 하드 디스크 플래터를 저장할 기술을 개발했다. 그것까지는 최대 5장의 하드 디스크 플래터를 저장하고 있었다. 자기 기록 밀도가 같은 하드 디스크 플래터에서도 매수가 5장에서 7장으로 늘어남으로써 HDD장치 전체의 기억 용량은 최대 1.4배로 늘릴 수 있다. 예를 들면 HGST가 2013년 11월 4일 발표한 6TB의 3.5인치 HDD "Ultrastar He6"은 이 기술(7장 플레터)을 채용하고 있다.

다만 장치의 두께를 바꾸지 않고 하드 디스크 플래터 장수를 7장에서 더 늘리는 것은 지극히 어렵다. 플래터 매수의 증가는 일시적인 용량 증대의 수단이 되더라도 중장기적인 용량 증대의 수단이 되지 않는다.

한계에 달했던 수직 자기 기록의 고밀도화

중장기적인 수단이 없음을 뻔히 알면서 HDD업체들이 하드 디스크 플래터 매수의 증가에 나선 것은 왜일까 하면 수직 자기 기록(PMR)과 TMR 자기 헤드의 조합에 따른 고밀도화(기존 기술에 따른 고밀도화)가 한계에 이르렀기 때문이다.

HDD에서는 하드 디스크 플래터라 자기 디스크의 양면에 미세한 기록 비트를 고밀도로 데이터를 기록하고 있다. 기록 비트는 원주 방향을 잘 이어가는 1개의 가느다란 원형을 구성한다. 이 원형을 기록 트랙이라고 부른다. 이 기록 트랙이 반경 방향으로 미세한 폭과 간격으로 늘어섬으로써 대량의 데이터를 높은 밀도에서 자기 디스크(하드 디스크 플래터)의 양면에 기록한다.

HDD의 기록 밀도(bit/평방 인치)를 높이는 것은 기본적으로 기록 비트 밀도(BPI:bit per inch)와 기록 트랙 밀도(TPI:track per inch)를 높이는 것이다. 다시 말하면 기록 밀도는 BPI와 TPI의 곱셈으로 표현된다.

기록 비트로는 자화 방향이 하드 디스크 플래터 표면에 대해서 상향 또는 하향 중 하나를 갖추고 있다. 사실 자화 방향은 항상 흔들리고 있고 흔들림이 커지면 자화 방향이 반전하는 경우가 있다. 즉, 기록 비트에 불량이 발생한다. HDD는 흔들림 원인은 주로 열 에너지, 즉 주위의 온도다.

반복 되지만, 자기 디스크는 극히 미소한 입자(자성 입자)의 내부에 존재하는 자기 모멘트의 방향을 일정 방향으로 모으는(자기화하는)것으로, 데이터(비트)를 기록하고 있다. 자화의 세기(자기 에너지)는 재료의 자화 이방성의 크기(Ku)과 미립자의 체적(V)에 비례한다. 자화 이방성의 크기는 자기 모멘트 움직임의 어려움을 나타내어 파주력이라고도 부른다. Ku가 크면 자화의 요동이 작고 안정적으로 데이터를 유지할 수 있다.

 

온도에 의한 열 에너지와 자기 기록에 의한 기록 비트의 자기 에너지를 비교하면, 종래는 열 에너지(실온 25℃ 부근의 열 에너지)보다 자기 에너지가 훨씬 컸다. 그래서 불 안정한 자기 기록을 실현할 수 있었다.

 

여기서 문제가 되는 것이 기록 밀도를 높이는 자화가 주축이 된 영역(V)을 줄이는데 같은(BPI을 높인다는 것이다. 단순히 V를 작게 하면 Ku와 V의 곱셈(곱)에서 결정되는 자기 에너지가 작아지면서 열 에너지에 의한 흔들림을 무시할 수 없다. 이를 막는 방법은 우선 Ku을 키우는 것이다. 구체적으로는 자기 이방성(Ku)의 큰 자성 재료를 쓰는 것이다.

 

다만 Ku의 큰 재료를 채택하면 자기 모멘트를 움직이기 어려워진다. 즉, 쓰기 헤드에 의한 데이터의 쓰기가 어려워진다. 대책으로서는 기입 헤드가 발생하는 자기장을 강하게 해 동시에 V가 작아지는 것에 맞춰 쓰기 헤드를 작게 한다. 쓰기 헤드를 줄이는 것과 발생 자계를 키우는 것은 양립하기 어렵다. 더 문제가 되는 것이 쓰기 자계가 강해짐으로써 자계의 누수다. 이 때문에 Ku를 일정 수준에서 크게 하는 것은 매우 어렵다.

 

Ku를 들지 않고 V를 줄이면 기록 밀도는 올라 자기 에너지가 낮아지고 열 에너지의 차이가 작아진다. 그리고 마침내 실온의 열 에너지에 의해서 자성 입자의 자기 모멘트가 흔들리고 자화가 꺾이면서 올린 데이터를 유지할 수 없게 된다. 이를 "초 상자성 한계(Superparamagnetic Limit)"라고 부른다. 기존 기술의 추세라면 초 상자성 한계가 일어나 기록 밀도는 대략 1평방인치당 1Tbit(1,024Gbit)부근으로 알려졌다. 이 초 상자성 한계의 벽이 실제로 일어난 것이 SMR이 실용화되기 직전의 HDD업계였다.

겹쳐서 기록 밀도를 1.3배~1.4배 향상

물론 초 상자성 한계의 도래를 HDD업체들은 아무것도 없이 보던 것은 아니다. 한계를 타파하는 기술의 개발에 임하고 있어 가장 유력 후보가 SMR기술이었다. 늦어도 2009년 10월에는 HDD업체들은 SMR기술의 개발에 임하고 있었다.

 

SMR(싱글 자기 기록), 또는 기와 기록으로 불리는 이 기록 방식은 원리적으로는 매우 단순하다. 수직 자기 기록을 포함한 기존의 자기 기록과 구별하기 위해서 "CMR(Conventional Magnetic Recording)"이라고 부르는 기록 트랙 사이에 신호 간섭을 막기 위한 틈새(틈)이 존재했다. 한 기록 트랙에 데이터를 쓴 후는 틈을 비운 별도의 기록 트랙에 데이터를 남겼다. 다시 말하면 BPI에 비해서 TPI가 낮았다.

 

SMR에서는 기록 트랙 간의 틈이 존재하지 않는다. 오히려 기록 트랙 일부가 겹치게(혹은 기록 트랙의 위치를 일부만 비틀어)새 데이터를 쓴다. 이 행동이 기와를 검치는 모습에 닮은 점이 "기와 기록"이라고도 불리는 이유다.

 

방금 기록 밀도는 BPI와 TPI의 곱이라고 설명했다. SMR은 CMR에 비하면 BPI는 같고 TPI를 대폭 높이는 것으로 기록 밀도를 향상시키는 기술이다. 이 결과 기록 밀도가 상승한다. SMR은 CMR에 비하면 원칙적으로 최대 2배, 제품에서는 1.3배~1.4배 정도의 기록 밀도를 달성할 수 있다.

SMR에서 매우 중요한 점은 쓰기 헤드를 줄이지 않는 것이다. 쓰기 트랙 폭은 종전과 같다. 읽기 헤드는 작아지지만 현재의 TMR 자기 헤드 기술에는 아직 여유가 있고 쓰기 헤드를 줄이는데 비하면 기술적 장벽은 낮다. 쓰기 헤드가 같은 크기인 것은 CMR에서 SMR로의 이행을 쉽게한 요인이다.

SMR의 특징과 약점

다만 SMR에는 특유의 과제가 존재한다. HDD의 읽기 동작을 물리적 차원에서 보았을 때 CMR과 SMR에서 크게 다른 것은 쓰기 동작이다. CMR은 데이터를 랜덤으로 쓰는 반면 SMR의 쓰기는 원칙으로서 시퀀셜 쓰기다.

 

SMR에서 몇 개의 트랙을 모아 "블록"으로 다루면서 블록과 블록 사이에는 물리적인 틈새를 설치한다. 특정 블록의 첫 트랙에서 쓰기를 시작하면 뒤는 줄곧 같은 트랙에 데이터를 쓴다. 첫번째 트랙이 데이터에서 충족되면 다음 트랙을 처음부터 전 트랙에 일부를 거듭 올린다.

 이 때문에 SMR의 쓰기 이미지는 시퀀셜 쓰기를 전제로 하는 기록 매체에 가깝다. 자기 테이프와 NAND플래시 메모리 등과 유사한 데이터 쓰기다.

그래서 SMR의 데이터 갱신은 상당히 복잡하고 낭비가 적지 않을 것이다. 처음에 수정 대상 블록의 데이터를 모두 읽어 내고 데이터 버퍼(보통 DRAM 또는 NAND 플래시 메모리)에 전송한다. 그리고 데이터 버퍼의 일부를 새 데이터로 다시 쓴다. 그리고 데이터 버퍼의 데이터를 모두 SMR 블록에 반환한다.

     

SMR의 과제는 이뿐이 아니다. 랜덤 쓰기를 다루는 방법의 차이로 호환성과 성능 등이 달라진다. 현재는 3종류의 디스크 모델이 상정되고 있으며 각각 일장 일단이 있다. 그 내용은 조만간 해설한다.

출처 - http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/20150930_723207.html