외장하드 PMR SMR LMR 기록 방식 종류

HDD : 하드디스크 드라이브

 

HDD는 1956년 메인프레임 대응을 위해 최초로 일반 공개된 저장 장치입니다만 2010년 이후로 SSD에 밀려가고 있는 추세입니다.

 

하드디스크 드라이브는 자성을 가진 원판 디스크인 '플래터'에 'Arm'의 끝에 부착된 '헤드'를 이용하여 자화력으로 데이터를 기록하고 기록한 데이터를 읽는 아날로그 방식의 기능을 수행하는 장치입니다.

 

 

플래터의 표면에 자기 입자를 배열하는 방식은 즉 데이터의 기록 방식이며, 이는 몇 가지로 구분되는데 HDD의 변천사 상 그 흐름이 있습니다.

 

하드디스크는 데이터의 기록 방식에 따라 LMR(수평 자기 기록 방식), PMR(수직 자기 기록 방식), SMR(기와식 자기 기록 방식)로 분류될 수 있습니다.

 

참고로 PMR, SMR 방식은 내부에 일반 공기 대신 헬륨 가스를 주입하는 경우도 있습니다.

 

 

LMR / PMR / SMR / 그리고 헬륨의 이용

 

LMR ; Longitudinal Magnetic Recording (수평 자기 기록 방식)

 

LMR 즉 수평 자기 기록 방식은 플래터 표면에 데이터를 저장하는 자기 입자들을 수평으로 배열하여 기록합니다. 구조가 간단하여 별다른 기술을 필요로 하지 않으므로 제작이 쉬웠기 때문에 과거에는 주류로 사용되었습니다.

 

 

그러나 데이터의 밀도를 높이기가 어려워 용량을 증가시키기 어렵기 때문에 이 방식으로는 대용량을 구현할 수 없습니다. 또한 LMR은 '초상자성 한계 현상'이 일어나는 문제가 있습니다.

 

'초상자성 한계 현상'이란 온도의 변화에 따라 디스크 표면의 자화 방향이 반전되면서 데이터가 손실되는 현상입니다.

 

2003년 도시바가 PMR을 개발하면서 LMR은 점차 시장에서 밀려나게 되었고 현재 거의 사용되지 않고 있습니다.

 

 

PMR ; Perpendicular Magnetic Recording (수직 자기 기록 방식)

 

LMR에서는 수평이던 기록도체의 방향 즉 트랙을 PMR에서는 수직으로 세웠습니다. 이를 통해 하드디스크의 트랙 밀도를 기존 LMR에 비해 3배가량 높였습니다.

 

 

세로로 데이터를 배열함으로써 같은 공간이어도 전보다 더 많은 양의 데이터를 기록 및 저장할 수 있게 되었고 10TB 이상의 대용량을 구현하는 것이 가능해졌습니다.

 

데이터 기록 밀도가 높아짐으로 인해 헤드가 같은 거리를 움직일 때 데이터를 읽고 쓰는 양 또한 많아져 용량뿐 아니라 성능의 개선도 이루어졌습니다.

 

또한 기록도체의 방향이 수직으로 세워진 덕분에 초상자성 한계 현상으로 데이터가 손실되는 현상이 사라졌습니다. PMR은 N극과 S극이 상하 방향으로 교대 배치되어 기록된 데이터의 보존에 유리한 것으로 알려져 있습니다. 히타치에 따르면 LMR에서는 데이터 기록 10년 후 무결성을 보장할 수 없으나 PMR은 초기와 차이 없는 기록 상태를 유지한다고 합니다.

 

PMR은 이후에 개발된 SMR과 달리 데이터 사이 간격이 명확하여 작업 속도가 빠르고 안정성이 좋아 보관된 데이터가 소실될 가능성이 적습니다.

 

 

PMR에 용량 한계 돌파를 위해 추가로 시도된 것이 밀도가 공기 밀도의 1/7인 헬륨을 충전하여 더 많은 플래터를 넣는 방식입니다. HGST에서 선보인 방식으로 이를 통해 약 3년간 4TB에 정체해 있던 용량을 뛰어넘어 6TB 제품을 내놓았습니다.

 

플래터와 헤드 및 암 사이에 간격이 줄어 공기 충전식 하드디스크에서는 기존 5장이 한계였던 플래터를 헬륨 충전식에서는 7장 탑재할 수 있습니다.

 

 

헬륨의 충전은 플래터의 구동 및 헤드와 암 등의 기계적 움직임에 대한 저항을 줄이는 효과를 가져와 발열과 소비 전력을 낮춰 수명 및 성능 개선 효과가 있었습니다.

 

PMR에 헬륨 충전식 하드는 단일 하드의 용량이 10TB 전후의 모델에 주로 적용 중입니다.

 

 

SMR ; Shingled Magnetic Recording (기와식 자기 기록 방식)

 

기와식 자기 기록 방식은 위에서 언급한 헬륨 충전식 PMR 하드디스크와 비슷한 시기에 이뤄진 용량 한계 돌파 시도로서 씨게이트가 적극적으로 도입한 방식입니다. 이 방식에서는 지붕에 기와를 겹쳐 올려놓는 것처럼 데이터 트랙에 인접한 트랙의 일부를 겹쳐서 저장합니다.

 

SMR은 이 겹치는 공간만큼 데이터를 더 많이 저장하게 되기 때문에 같은 면적에 저장 밀도를 25% 이상 향상시킬 수 있게 되어 PMR에 비해 용량을 쉽게 높일 수 있습니다. 현재 외장하드들이 PMR에서 SMR로 많이 넘어가고 있는 추세입니다.

 

 

그러나 이 겹치는 공간에서 다소 문제가 발생할 소지가 있습니다. SMR에서 겹치는 부분에는 데이터 간 공백이 없기 때문에 그 부분에 새로 데이터를 기록하려면 해당 데이터 저장 공간뿐만 아니라 주변 공간까지 갱신해줘야 합니다. 즉 기존에 있던 데이터를 다른 곳으로 이동시켰다가 새 데이터와 함께 다시 기록시켜야 하는 작업이 시행되어야 합니다. 그 때문에 쓰기 속도가 현저히 느려지게 되고 특히 하드디스크가 많이 사용된 상태에서는 속도 저하가 더 심해집니다.

 

또한 데이터를 기록하는 동안 오류가 생기면 해당 데이터뿐 아니라 주변 데이터도 손실되는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

 

 

이처럼 SMR은 쓰기 작업에 약하고 파일을 저장, 삭제하는 과정에서 인접한 공간의 다른 데이터가 손상될 수 있기 때문에 외장하드 등으로 이용한다면 되도록 자료를 한 번 저장시켜놓고 그것을 읽기만 하는 용도로 사용하는 것이 비교적 안전합니다.

 

SMR 방식은 데이터를 기록하는 방식의 특성상 대용량의 캐시 메모리를 필요로 합니다. 하드디스크의 캐시 메모리가 3.5인치의 경우 256MB, 2.5인치는 128MB 이상이면 SMR이라고 보면 된다는 의견이 있습니다.
물론 일부 고성능 PMR 하드디스크의 경우는 대용량 캐시 메모리가 장착되는 경우도 있으며, SSD와 HDD를 조합한 방식인 SSHD의 경우도 대용량의 캐시 메모리를 필요로 합니다.

 

SMR도 헬륨을 충전하여 제작되기도 합니다. 용량을 극대화하기 위해 이용되며 단일 하드의 용량이 10TB 이상의 모델들에서 주로 적용됩니다.

 

 

비 구현된 신기술 방식 HAMR, MAMR

 

HAMR ; Heat-Assisted Magnetic Recording

 

HAMR은 2002년 씨게이트가 발표한 기술 방식으로 자기 기록 방식의 기록 물질보다 작은 크기이자 높은 밀도 상태에서 더 안정적인 신 물질에 열을 가해 기록이 쉽도록 하는 방식입니다.

 

MAMR ; Microwave Assisted Magnetic Recording

 

MAMR은  2017년 10월 WD에서 발표한 기술 방식으로 마이크로웨이브 발생 시 이용하는 스핀 토크 오실레이터(spin torque oscillator)를 이용하여 안정적으로 고밀도를 구현하는 방식입니다. 열을 가할 필요가 없고 PMR과 유사한 방식이어서 신뢰도가 높다고 주장하고 있습니다.