비휘발성 SRAM(nvSRAM)이
기업용 SSD에서 전원장애에 대한 신뢰성 제공한다
글: Pramodh Prakash / 싸이프레스 세미컨덕터
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싸이프레스는 이제 기업용 SSD 업체에게 고성능의 동기식 비휘발성 메모리 솔루션을 제공하기 위해 업계 표준의 ONFI 3.0/Toggle 2.0 인터페이스와 함께 nvSRAM 핵심 기술에서의 고속 동기식 NAND 인터페이스를 지원한다. 이러한 새로운 nvSRAM은 NAND 플래시 버스에 직접 얹힐 수 있으며, 중요한 비휘발성 데이터를 위한 활성 메모리 공간이 될 수 있다.
SSD(Solid State Drives) 기술 개요
SSD(Solid State Drives)는 기존의 하드 디스크 드라이브(HDD)에 사용되는 자기 소자 대신 지속적으로 정보를 저장하는 NAND 플래시와 같은 솔리드-스테이트 반도체 메모리를 사용하는 데이터 저장 장치이다. SSD는 데이터에 무작위로 액세스 할 수 있으며 HDD에 필요한 것처럼 디스크가 회전하면서 동기화하는 읽기/쓰기 헤드에 의존하지 않기 때문에 SSD를 위한 보다 빠른 입출력 (I/O) 성능을 초래한다. 또한, HDD에서 올바른 위치로 헤드를 움직이는데 필요한 시간은 대략 몇 밀리 초이다.
SSD의 기본 아키텍처는 SSD 컨트롤러/프로세서, 메모리 컨트롤러, 인터페이스 컨트롤러, NAND 플래시 메모리 디바이스, SDRAM 캐시 및 인터페이스 커넥터 등으로 구성되어 있다. SSD는 움직이는 부품이 없으며 동일한 폼 팩터에서 제조되어 있기 때문에 HDD를 에뮬레이트하고 시리얼 첨단 기술 SATA(Serial Advanced Technology Attachment), SAS(Serial Attached SCSI) 및 파이버 채널(FC) 등과 같은 표준 HDD 인터페이스를 지원한다. 움직이는 부품이 없다는 것은 더 오랜 작동 수명에 따라 더 큰 신뢰성을 가진다는 것이다. SSD의 또 다른 주요 장점은 HDD와 비교하여 전력소모가 훨씬 더 낮다는 것이다.
메모리 용량이 증가하고 가격이 떨어짐에 따라 SSD는 점차 HDD를 대체하는 매력적인 기기가 되고있다. SSD가 훨씬 더 빠르게 때문에 SSD 가격은 HDD 보다 IOPS(초당 입력/출력 작동) 당 훨씬 낮은 비용이다. 또한 SSD는 기가바이트(GB) 당 비용 측면에서 시간이 지남에 따라 보다 비용 효율적인 것이 되고 있다. 분석가들은 SSD 가격이 시장에서 이 기술을 채택하는 비율이 증가하면서 계속 꾸준히 떨어질 것으로 예상하고 있다.
기업용 SSD
기업용 SSD는 현재 사용할 수 있는 비휘발성 스토리지의 최상위 계층을 나타내고 있으며, 읽기/쓰기 성능, 열 손실 및 HDD 대체에 따른 에너지 소비의 측면에서 스토리지 기술에 대한 혁신적인 향상을 나타내고 있다. 스토리지 네트워크 가속기로서의 역할을 담당하고 있는 SSD로 부터 가장 큰 혜택을 도출 할 수 있는 기업용 애플리케이션은 은행 및 금융 애플리케이션, 온라인 트랜잭션 처리, front-end 웹 서버, 검색 엔진, 메시징 및 고성능 컴퓨팅 등을 포함하고 있다.
기업용 SSD는 HDD와 플러그 호환이 가능하고 표준 디스크 인터페이스를 지원하기 때문에 현재 기업용 HDD를 이용하고 있는 대부분의 서버 플랫폼과 디스크 어레이에 설치할 수 있다.
기업용 SSD는 강력한 성능과 안정성 사양과 함께 고용량에 알맞게 제공된다. 아울러 애플리케이션 가속화를 위한 기업용 스토리지 시장에서 독점적인 것을 목표로 하고 있다. 그림 1은 SATA 인터페이스 기업용 SSD 의 기본 블록 다이어그램을 보여주고 있다. 활용 가능한 다른 인터페이스는 HDD와 호환 가능한 SAS(Serial Attached SCSI), 파이버 채널(FC) 및 PCIe 등이다.
다음 섹션은 그림 1과 같이 기업용 SSD에서의 SDRAM 캐시와 전원 다운 시 SDRAM 캐시 데이터의 주요 부분을 백업하기 위한 슈퍼 커패시터 또는 탄탈룸 커패시터(tantalum capacitor) 를 이용한 현재의 아키텍처에 대한 필요성을 논하고 있다. 이러한 구현이 가진 신뢰성의 문제가 논의되고 탁월한 대안으로서 비휘발성 메모리 솔루션(nvSRAM)의 사용이 모색될 것이다.
그림 1. 기업용 SSD 의 기본 블록 다이어그램
SDRAM 캐시에 대한 필요
NAND 플래시 메모리는 기업용 SSD의 기본적인 스토리지 요소이다. NAND 플래시 메모리의 아키텍처로 인해 NAND 플래시 메모리의 주요한 제한적 요소는 쓰기 속도가 기업용 스토리지 시스템의 데이터 전송 속도와 맞지 않는다는 점이다. 데이터 전송 속도가 NAND 플래시 쓰기 속도를 초과하기 때문에 기업용 SSD의 쓰기 성능은 고속 데이터 캐시를 이용함으로써 향상시킬 수 있다. 기업용 SSD는 스토리지 시스템 컨트롤러에서 받은 데이터 스트림의 일부를 보류하거나 작업하기 위한 캐시로서 SDRAM 을 일반적으로 이용한다. 이와 함께, SDRAM은 쓰여지고 있는 데이터에 대한 블록의 할당에 해당하는 부분이 수정되어야 하는 기업용 SSD 메타데이터의 작업 복사본을 보유하고 있다. 메타데이터는 일반적으로 마모 레벨링(wear leveling), 오류 수정, 번역 테이블, 물리적/논리적 어드레스 맵, 파일 할당 표 등에 대한 정보를 포함하고 있으며, 모든 파일에 대해 여러 개의 쓰기 작업이 필요하다. 메타데이터의 요구 사항은 기업용 SSD 용량과 함께 늘어난다.
SDRAM 캐시 데이터 및 메타데이터의
전원장애 백업
기업용 SSD 플래시 메모리에서 위치를 읽거나 쓰는 것과 같이 기업용 스토리지 시스템에서의 데이터 전송 작업 중 스토리지 시스템 호스트, SSD 컨트롤러, SDRAM 캐시, NAND 플래시 메모리 등을 포함한 관련된 모든 구성 요소의 전원 공급 시스템은 성공적인 처리를 보장하기 위해 효율적으로 작동해야 한다. 그러나, 전자 시스템은 전압 스파이크, 정전, 서지 등과 같은 전원 중단에 취약하다. 이러한 것들은 다음과 같은 부분의 잠재적인 데이터 손실이나 손상이 발생할 수 있다 :
•플래시 메모리에 전송하는 캐시 데이터
•메타데이터
기업용 SSD는 스토리지 시스템 컨트롤러로 돌아가 "NAND 플래시에 들어간" 것으로 보고된 데이터를 잃을 수는 없다. 기업용 SAS/SATA 시장은 전원이 갑자기 나갈 경우에도 언제든 "committed" 된 데이터를 잃어버리지 않는 것이 요구되는 핫 스왑 사양을 갖추고 있다. 이러한 사례는 잘못된 드라이브가 핫 스왑 서비스 세션 동안 배출되는 연산자 오류일 것이다. 기업용 SSD 컨트롤러는 스토리지 시스템 컨트롤러로 다시 수신한 데이터의 상태를 보고하는 두 가지 메커니즘이 있다. 기업용 SSD는 "write-thru" 방식으로 작동 할 수 있으며, 이 방식에서 기업용 SSD 컨트롤러는 사실 NAND 플래시 메모리에 안전하게 들어가 있을 때까지 데이터와 수정된 메타데이터가 "committed" 된 스토리지 시스템 컨트롤러를 의미하지는 않는다.
기업용 SSD는 또한 "write-back" 방식으로 작동할 수 있으며 이 방식에서 일부 데이터 스트림이나 해당하는 수정 메타데이터는 플래시에 아직 "committed" 되지는 않지만 스토리지 시스템 컨트롤러로 돌아가 "committed" 로서 보고된다. 스토리지 시스템 컨트롤러에 "committed" 로 다시 보고된 모든 데이터는 파워 디폴트의 경우 비휘발성으로 변경되어야 한다. 기업용 SSD의 캐시에 있는 다른 데이터는 파워 디폴트에서 손실되는 것으로 간주된다. "write-back" 방식은 "write-thru" 방식에 따라 크게 향상되는 무작위 IOPS를 가능하게 해 주며, 그로 인해 임의의 높은 IOPS 드라이브가 선호된다.
"write back" 방식 구현의 적절한 작업을 확인하기 위해 기업용 SSD는 전압 공급을 모니터링하고 전압이 미리 정의된 임계값 아래로 떨어지면 SSD 컨트롤러에 신호를 보내는 정전 감지 회로가 포함되어 있다. 드라이브를 보장하기 위해 구현되는 2차 전압 hold-up 회로는 SDRAM 캐시 데이터를 백업 할 수 있는 충분한 기간 동안의 넉넉한 전원을 가지고 있다. 전원이 나갔을 때 이러한 2차 전압 소스는 SDRAM에서 NAND 플래시까지 내용을 전송하기 위해 필요한 기간 동안 필요한 에너지를 제공한다. 아래 그림 2는 기업용 SSD에 대한 일반적인 정전 감지 회로의 블록 다이어그램을 감지 보여주고 있다.
2차 전압 소스는 고용량 슈퍼 커패시터 또는 개별적인 탄탈룸 커패시터 모두가 될 수 있다.
그림 2. 일반적인 정전 감지 회로 블록 다이어그램
슈퍼 커패시터(Supercapacitor)
울트라커패시터(ultracapacitors) 또는 일렉트릭 더블 레이어 커패시터(EDLC : electric double layer capacitors)로서도 또한 알려진 슈퍼 커패시터(Supercapacitors)는 다른 어떤 커패시터 유형보다 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가진 커패시터이며, 배터리 백업 애플리케이션에서 배터리에 대한 신뢰할 수 있는 대안으로 사용된다. 그러나, 슈퍼 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터처럼 장기간의 신뢰성과 관련하여 알려진 일련의 결함을 가지고 있다.
슈퍼 커패시터는 부품 마모를 초래하는 부품으로부터의 시간과 작동 온도에 따라 전해질이 없어짐으로써 제한된 서비스 수명을 가지고 있다. 슈퍼커패시터의 성능은 전해질 손실과 함께 서서히 떨어진다. 이와 함께 손실율은 더 높은 작동 전압과 높은 작동 및 비 작동 온도 환경에서 증가한다. 주변 작동 온도에서 매 10℃ 증가를 위해 슈퍼커패시터의 기대수명은 약 반으로 떨어질 수도 있다.
슈퍼커패시터의 오류(고장) 모드는 다음과 같다:
•전기 분해 압력으로 인한 셀 개방
•전압과 온도는 시간과 함께 서서히 증가하는 셀 내부의 가스 압력을 생성한다. 압력이 특정 한계에 도달할 때 기계 퓨즈는 부드럽게 열린다
높은 작동 온도에서 장기간 사용했을 때 전해질의 수분과 이에 상응하는 일련 저항(ESR) 은 증가한다. 근본적인 실패 모드는 ESR 증가와 함께하는 오픈 모드이다. 모든 슈퍼커패시터는 다음과 같은 경고와 함께 한다: "이러한 커패시터를 사용할 때 귀하의 설계에 중복 및 보호 조치 등과 같은 적절한 안전 조치를 포함시키세요".
개별 콘덴서 뱅크
개별 커패시터 뱅크는 보다 신뢰할 수 있는 대안을 제공하지만 보다 주의를 기울이는 설계를 필요로 한다. 개별 커패시터 기반의 전압 hold-up 회로는 병렬로 연결된 분리 콘덴서 뱅크를 채택하고 있다. 사용된 개별 커패시터는 알루미늄 커패시터, 탄탈룸 커패시터 또는 니오븀(niobium) 커패시터가 될 수 있다. 슈퍼커패시터의 소형화가 부족한 반면 개별 솔루션의 커패시턴스 대비 크기 비율은 상당한 보드 공간을 차지한다.
비휘발성 (nvSRAM) 솔루션
기업용 SDD를 위한 비휘발성 SRAM(nvSRAM)의 가치는 슈퍼커패시터나 개별 커패시터 뱅크를 제거하거나 최소화하는 것이며, in-transit SDRAM 캐시 데이터와 싱글 칩, battery-less, 비휘발성 RAM 기반의 기술을 가진 메타데이터를 안정적으로 백업하는 것에 있다. nvSRAM 작동에 대한 간략한 설명은 기업용 SSD에서 nvSRAM 디바이스를 사용하는 것과 관련한 세부적인 사항을 논의하기 전에 아래와 같이 제공된다.
비휘발성 SRAM (nvSRAM)
nvSRAM은 하나의 디바이스에 SRAM과 SONOS 비휘발성 기술의 두 가지 주력 CMOS 기술을 결합한 것이다. 전원이 켜진 정상적인 시스템 조건에서 nvSRAM은 기존의 SRAM처럼 작동한다.
IC의 SRAM 부분은 표준 비동기 SRAM 시그널과 타이밍을 사용하여 최고 20ns 액세스 타임 속도에서 랜덤 액세스 읽기/쓰기를 수행한다. 그러나 전원 결함이나 실패에 대해 칩의 지능은 위협을 감지하고 20년 이상 변함없이 유지할 수 있는 비휘발성 메모리로 SRAM 데이터의 복사본을 자동으로 저장한다. Power-up RECALL에서 IC는 SRAM 에 데이터 복사본을 되돌려 보내고 데이터를 결코 손상시키지 않는 빠른 SRAM을 제공하면서 마지막으로 남겨진 곳으로부터 시스템 작동을 정확하게 계속할 수 있다. 최신 고밀도(16MB) nvSRAM은 고 대역폭 DDR NAND 플래시(ONFI 3.0/Toggle 2.0) 인터페이스에도 또한 사용할 수 있다.
SRAM과 비휘발성 어레이 내부 간의 전송은 사용자의 지식 없이도 완전히 평형이며(cell for cell) 그로 인해 8ms 또는 그 이하에서 완료 할 수 있도록 STORE 작동을 가능하게 해 준다. IC 제품군은 또한 사용자가 제어한 소프트웨어 STORE 및 RECALL 개시 명령뿐만 아니라 대부분의 버전에서 사용자가 제어한 하드웨어 STORE 개시 명령을 제공한다. nvSRAM은 대량의 검증된 CMOS + SONOS 공정에서 제조된 높은 신뢰성을 가진 제품이다. 또한, 군사, 상업, 스토리지, 의료, 산업용 애플리케이션 분야에서 20년 이상의 역사를 가지고 있다.
아래 그림 3은 싱글 셀에 빠른 SRAM 요소와 하나의 셀에 비휘발성 요소를 결합한 nvSRAM의 개념을 보여주고 있다. 아울러 그림 4는 nvSRAM의 셀 구조를 보여주고 있다.
그림 3. nvSRAM 개념
그림 4. nvSRAM 셀
비휘발성 SRAM - 기업용 SSD를 위한
비동기식 솔루션
그림 5는 전력 손실에 대해 백업해야 하는 기업용 SSD의 데이터 스트림과 메타데이터를 위한 비휘발성 버퍼로 사용된 비동기식 nvSRAM을 보여주고 있다. 그림 5에 있는 VCAP 커패시터는 SRAM 에서 비휘발성 셀까지 데이터를 이동하는 STORE주기를 구동시킨다. VCAP 는 약 50 μF 의 표준 커패시터이다. (자세한 내용은 데이터시트 참조).
새로운 설계를 위해 비동기식 nvSRAM의 집적도는 2012 년에 도입되고 있는 16-Mbit 디바이스 와 함께 256-kbit에서 8-Mbit 까지 현재 활용할 수 있다.
그림 5. 기업용 SSD의 비동기 nvSRAM 솔루션
비휘발성 SRAM - 기업용 SSD를 위한
동기식 솔루션
그림 6은 새로운 동기식 고대역폭(최대 12.8Gbps) NAND 인터페이스 nvSRAM을 기반으로 한 기업용 SSD를 위한 비휘발성 SRAM 디바이스를 보여주고 있다. 이러한 디바이스들은 16-Mbit 집적도에서 사용할 수 있으며, 2013 년 1 분기 대량생산과 함께 현재 샘플링 중이다.
그림 6. 기업용 SSD의 동기식 nvSRAM 솔루션
앞서 설명한 것처럼 슈퍼커패시터 또는 개별 뱅크의 탄탈룸 커패시터는 전원이 나갔을 때 SDRAM에서 NAND 플래시가지 데이터 전송에 필요한 에너지를 제공하기 위해 2차 전압 소스로 사용된다. 전원이 나갔을 때 빠른 휘발성 메모리에서 비휘발성 메모리까지의 이러한 전송은 싸이프레스 nvSRAM이 20년 전 개발한 것과 동일한 개념을 이용한다. 차이점은 싸이프레스 nvSRAM은 전원 감지, 데이터 전송 관리, 빠른 휘발성 메모리, 그리고 모놀리식 IC에서의 모든 비휘발성 메모리를 포함하고 있다는 것이다. 데이터 전송은 약간의 전력을 이용하고 몇 밀리초 만 소요되면서 모든 메모리 셀이 동시에 내부에서 완료된다. 한편, 플래시 전송을 위한 SDRAM은 대형 커패시터를 신속하게 배출하고 완료하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸릴 수 있는 high-power I/O 연결을 이용하여 시스템 수준에서 수행된다. 기업용 SSD 아키텍처에서 SSD 컨트롤러는 또한 NAND 플래시(ONFI 3.0, Toggle DDR 2.0) 디바이스에 고속 동기식 NAND 인터페이스를 지원한다.
싸이프레스는 이제 기업용 SSD 업체에게 고성능의 동기식 비휘발성 메모리 솔루션을 제공하기 위해 업계 표준의 ONFI 3.0/Toggle 2.0 인터페이스와 함께 nvSRAM 핵심 기술에서의 고속 동기식 NAND 인터페이스를 지원한다. 이러한 새로운 nvSRAM은 NAND 플래시 버스에 직접 얹힐 수 있으며, 중요한 비휘발성 데이터(그림 6 참조)를 위한 활성 메모리 공간이 될 수 있다.
새로운 nvSRAM 인터페이스는 개방형 표준을 위해 설계되고 있으며, 표준 명령 및 표준 시그널 타이밍을 이용할 것이다. 이러한 방법은 슈퍼커패시터/탄탈륨 커패시터 뱅크 및 데이터 전송 로직을 제거하거나 최소화하며, 기업용 SSD 시스템에 훨씬 더 짧은 백업시간을 제공한다. 또한 커패시터 백업 솔루션과 관련된 신뢰성 문제를 걱정할 필요가 없다. 기업용 SSD는 전력 손실 시 신뢰할 수 있으며 중요한 데이터 스트림과 메타데이터의 빠른 백업을 필요로 한다. 현재의 커패시터 백업 솔루션은 신뢰성에 심각한 문제를 가지고 있다. 이 글은 비동기식 nvSRAM 솔루션에 대해 기술하였으며, NAND 플래시 버스에 얹힐 수 있는 동기식 nvSRAM을 소개하였다. nvSRAM은 슈퍼커패시터 및 탄탈륨 커패시터 뱅크와 관련한 신뢰성에 대한 우려를 없애주면서 중요한 기업용 SSD 데이터를 위한 안정적이고 빠른 백업 기능을 제공한다.
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