하드 드라이브
512바이트에서 4,096바이트로 전환할 경우의 혜택과 위험성
하드 드라이브 업계에 큰 변화가 일어났습니다. 지난 수년간 스토리지 밀도는 상당히 증가했지만 하드 드라이브 디자인의 가장 기본적인 요소 즉, 섹터라고 하는 논리 블록 포맷 크기에는 변동이 없었습니다.
2010년 경 하드 드라이브 회사들은 기존 섹터 크기인 512바이트에서 더 크고 효율적인 섹터 크기인 4,096바이트로 이동을 시작했습니다. 4,096바이트의 섹터 크기는 일반적으로 4K 섹터라 칭하며 현재 IDEMA(국제 디스크 드라이브 장비 및 재질 협회)는 이를 고급 포맷(Advanced Format)이라고 합니다.
본 문서는 512바이트에서 4K 섹터로의 이동에 대한 개념, 이로 인해 고객이 얻을 수 있는 장기적인 혜택 및 조심해야 할 잠재적인 위험 요소에 대해 설명합니다.
지난 30년간 하드 드라이브에 저장된 데이터는 기존 섹터 크기인 512바이트로 구성된 섹터라고 하는 작은 논리 블록으로 포맷되었습니다. 현대 컴퓨터 시스템의 대부분은 여전히 이 포맷 표준을 기반으로 하는 설계 개념을 가지고 있습니다.
기존의 섹터 포맷에는 갭 섹션, 동기화 섹션, 주소 표시 섹션, 데이터 섹션 및 ECC(오류 수정 코드) 섹션이 포함됩니다(그림 1 참조).
그림 1. 하드 드라이브 미디어의 기존 섹터 레이아웃
이 섹터 레이아웃의 구조는 다음과 같이 설계되었습니다.
이와 같은 로우레벨 포맷이 수년간 드라이브 업계를 지탱했습니다. 그러나 하드 드라이브 용량이 계속 증가하면서 섹터 크기는 하드 드라이브의 용량을 늘리고 오류 수정의 효율성을 개선하는 데 있어서 점점 더 큰 디자인 상의 제한 요소가 되었습니다. 예를 들어, 초기 하드 드라이브의 전체 용량 대 섹터 크기를 최신 하드 드라이브의 그것과 비교해 보면 섹터 해상도가 극히 작다는 것을 알 수 있습니다. 섹터 해상도(전체 스토리지에 대한 섹터 비율)가 매우 미세하고 비효율적입니다(표 1 참조).
| 용량 | 전체 섹터 | 섹터 해상도 |
| 40MB | 80,000 | 0.001% |
| 400GB | 800,000,000 | 0.0000001% |
| 12TB | 24,000,000,000 | .000000004 |
미세한 해상도는 작고 불연속적인 양의 데이터를 관리할 때 좋습니다. 그러나 현대의 컴퓨팅 시스템에서 주로 사용하는 애플리케이션은 큰 블록의 데이터를 관리하며 실제로는 기존의 512바이트 섹터 크기보다 훨씬 큰 데이터 블록을 관리합니다.
더구나 512바이트 섹터는 영역 밀도가 증가함에 따라 하드 드라이브 표면에서 점점 더 작은 공간을 소비해 왔습니다. 이는 오류 수정 개념 및 미디어 결함에 대한 위험에서 볼 때 큰 문제가 됩니다. 그림 2에서 예를 들어 하드 드라이브 섹터의 데이터가 작은 영역을 소비하면 동일한 크기의 미디어 결함이 더 높은 비율로 전체 데이터 페이로드를 손상시킬 수 있기 때문에 오류 수정이 더 어려워지고 결과적으로 보다 강도가 큰 오류 수정이 요구되게 됩니다.
그림 2. 미디어 결함 및 영역 밀도
512바이트 섹터는 일반적으로 최대 50바이트 길이의 결함을 수정할 수 있습니다. 현재의 하드 드라이브는 탁월한 영역 밀도를 통해 오류 수정의 한계를 뛰어넘기 시작했습니다. 그 결과, 하드 드라이브 업계의 더 큰 섹터로의 이동은 오류 수정을 개선하고 포맷 효율성을 높이는 데 있어서 필수적인 사항이 되고 있습니다.
스토리지 업계는 더 큰 섹터의 하드 드라이브 포맷으로 전환하기 위한 작업을 수년에 걸쳐 계획해 왔습니다. Seagate를 비롯한 동종 하드 드라이브 업계는 2005년부터 이 중요한 작업을 시작했습니다(그림 3 참조). 2009년 12월에 IDEMA와의 공동 작업을 통해 고급 포맷이 후보에 올랐고 4K바이트 섹터 표준의 이름으로 승인되었습니다. 또한 모든 하드 드라이브 제조업체는 2011년 1월을 시작으로 고급 포맷 섹터 포맷 기능이 포함된 데스크탑 및 노트북 제품을 위한 새로운 하드 드라이브 플랫폼을 출시할 것을 약속했습니다. 그 전에도 고급 포맷 드라이브는 출시되었습니다.Seagate는 OEM 고객 및 브랜드 소매 제품을 위한 대형 섹터 드라이브를 최초로 출시했습니다.
그림 3. 고급 포맷 표준 개발의 주요 단계
모든 하드 드라이브 제조업체가 2011년 1월부터 고급 포맷 섹터 디자인으로 전환할 것에 합의함에 따라 하드 드라이브 업계는 이러한 변화에 적응하여 발생할 수 있는 부작용을 최소화했습니다. 즉각적인 용량 증가 면에서 최종 사용자에게 제공되는 단기적인 혜택은 그리 의미 있는 편은 아니지만 4K 크기 섹터로의 이동은 분명히 더 높은 영역 밀도 및 하드 드라이브 용량과 함께 보다 강력한 오류 수정 능력을 제공했습니다.
오류 수정 코드에 사용되는 공간을 줄여 포맷 효율성을 개선
그림 4에 표시된 기존의 512바이트 섹터 레이아웃을 보면 각 512바이트 섹터에는 ECC를 위한 50바이트의 비데이터 관련 오버헤드와 갭, 동기화 및 주소 표시 섹션을 위한 15바이트의 오버헤드가 포함됩니다. 이렇게 되면 섹터화된1 포맷 효율성이 약 88%가 됩니다(512/(512 65)).
그림 4. 기존의 512바이트 섹터 레이아웃
새로운 고급 포맷 표준은 기존의 512바이트 섹터 8개를 하나의 4K바이트 섹터로 통합합니다(그림 5 참조).
그림 5. 고급 포맷: 4K 바이트 섹터 레이아웃
고급 포맷 표준은 갭, 동기화 및 주소 표시 섹션에 동일한 수의 바이트를 사용하지만 ECC 필드가 100바이트로 늘어납니다. 이렇게 되면 섹터화된1 포맷 효율성이 97%(4,096/(4,096 115))가 되어 거의 10%가 향상되는 효과가 있습니다.
이러한 포맷 효율성은 데이터 무결성을 개선하는 동시에 보다 높은 용량을 산출하면서 시간이 지날수록 그 진가를 발휘합니다.
안정성 및 오류 수정
하드 드라이브에서 섹터가 차지하는 공간이 점점 더 줄어들면서 섹터의 실제(물리적) 크기는 축소되었으나 미디어 결함은 축소되지 않았습니다. 그림 6의 매우 작은 물질과의 비교 이미지를 참조하시면 이해가 쉬울 것입니다. 하드 드라이브 읽기/쓰기 헤드의 플라이 두께와 비교하면 이 작은 물질들은 상대적으로 매우 커 보입니다. 이 그림에 나타난 물질보다 훨씬 작은 미세입자들이 하드 드라이브에 미디어 결함을 일으킬 수 있습니다.
그림 6. 하드 드라이브 플라이 높이의 소축척 표시
고급 포맷 표준의 4K 섹터의 경우 ECC 블록이 50바이트에서 100바이트로 약 두 배2 가량 커지기 때문에 오류 수정 효율성이 개선되고 미세 입자 및 미디어 결함에 대해 보다 강한 성능을 제공합니다.
포맷 효율성이 개선되고 오류 수정 능력이 강화되는 것만으로도 4K 섹터로의 전환이 충분한 가치를 지닌다는 것을 의미합니다. 하드 드라이브 업계는 이러한 전환을 적절히 관리하여 최소한의 부작용으로 장기적인 혜택을 포착하는 데 주력해 왔습니다.
앞서 언급한 것과 같이, 현대 컴퓨팅 시스템은 여러 측면에 있어 섹터 당 항상 512바이트라고 가정해 왔습니다. 이러한 상황에서 업계 전체가 새로운 4K 표준으로 전환하고 기존의 모든 가정을 갑자기 변경하기에는 다소 무리가 있습니다. 호스트와 하드 드라이브가 4K 블록으로 데이터를 교환하는 원시 4K 섹터의 구현은 오랜 시간에 걸쳐 이루어질 것입니다. 그 때까지 하드 드라이브 제조업체는 512바이트 섹터 에뮬레이션이라고 하는 기술을 통해 4K 섹터 전환을 구현하게 됩니다.
512바이트 섹터 에뮬레이션
4K 크기 섹터의 도입은 512바이트 섹터 에뮬레이션에 전적으로 의존했습니다. 즉, 고급 포맷에서 사용되는 4K 실제(물리적) 섹터를 호스트 컴퓨팅 시스템이 요구하는 512바이트 섹터로 전환하는 프로세스를 의미합니다.
512바이트 에뮬레이션은 기존의 컴퓨팅 시스템에 복잡한 변화를 강요하지 않는다는 점에서는 허용될 수 있습니다. 그러나 성능 저하가 따를 수 있고 특히 개의 변환된 기존 섹터와 정확히 일치하지 않는 데이터를 쓸 경우에는 더욱 그렇습니다. 이는 512바이트 에뮬레이션이 요구하는 읽기 및 쓰기 프로세스와 관련될 때 더욱 분명해집니다.
에뮬레이트된 읽기 및 쓰기 프로세스
그림 7과 같이, 512 에뮬레이션 모드에서 4K 섹터로 포맷된 드라이브의 데이터를 읽는 프로세스는 매우 간단합니다.
그림 7. 512바이트 에뮬레이션의 잠재적 읽기 순서
4K 블록의 데이터를 읽고 호스트 컴퓨터가 요청한 특정 512바이트의 가상 섹터를 다시 포맷하는 프로세스는 드라이브의 DRAM 메모리에서 수행되며 성능에 큰 영향을 주지 않습니다.
쓰기 프로세스는 좀 더 복잡할 수 있습니다. 특히 호스트 컴퓨터가 쓰려는 데이터가 물리적 4K 섹터의 하위 집합일 경우에 더욱 그렇습니다. 이 경우, 하드 드라이브는 먼저 호스트 쓰기 요청의 대상 위치를 포함하는 전체 4K 섹터를 읽고 기존의 데이터를 새 데이터와 병합한 다음 전체 4K 섹터를 다시 써야 합니다(그림 8 참조).
그림 8. 512바이트 에뮬레이션의 잠재적 쓰기 순서
이 예에서 하드 드라이브는 4K 섹터를 읽고 컨텐츠를 수정한 다음 데이터를 쓰는 형식의 기계적인 단계를 추가로 수행해야 합니다. 이 프로세스를 읽기-수정-쓰기 주기라고 하는데 하드 드라이브의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문에 그리 좋은 방법이 아닙니다. 4K 섹터로 원활하게 전환하려면 읽기-수정-쓰기 실시의 가능성 및 빈도를 최소화하는 것이 가장 중요합니다.
읽기-수정-쓰기 방지
정렬된 하드 드라이브 파티션과 잘못 정렬된 하드 드라이브 파티션
지금까지는 호스트 시스템과 하드 드라이브가 미디어의 섹터 위치 정보를 교환하는 방법에 대해 설명하지 않았습니다. 따라서 이제 LBA(논리 블록 주소)를 소개해 드리겠습니다.
모든 512바이트 섹터에는 0부터 디스크 크기에 따라 요구되는 숫자로 구성되는 고유한 LBA가 할당됩니다. 호스트는 할당된 LBA를 사용하여 특정 블록의 데이터를 요청합니다. 호스트가 데이터 쓰기를 요청하면 쓰기 작업의 마지막에 LBA 주소가 반환되어 호스트에 데이터의 위치를 알려줍니다. 이는 4K 섹터 전환에 있어서 중요해지는데, 그 이유는 호스트 LBA가 8개의 다른 위치에서 시작할 수 있기 때문입니다.
LBA 0이 4K 실제(물리적) 섹터의 첫 번째 가상 512바이트 블록과 정렬되면 512바이트 에뮬레이션에 대한 논리 대 실제(물리적) 정렬 상태는 정렬 0으로 불립니다. 또 다른 가능한 정렬은 LBA 0이 4K 실제(물리적) 섹터의 두 번째 가상 512바이트와 정렬될 때입니다. 이 상태는 정렬 1이라 칭하며 그림 9에서 정렬 0과 비교해 볼 수 있습니다. 정렬 1 상태와 비슷하게 읽기-수정-쓰기 이벤트를 발생시킬 수 있는 비정렬 파티션에는 이외에도 6가지가 있습니다.
그림 9. 정렬 상태
정렬 0 상태는 고급 포맷 표준의 4K 섹터와 문제 없이 작동합니다. 하드 드라이브가 8개의 인접한 512바이트 섹터를 하나의 4K 섹터로 쉽게 매핑할 수 있기 때문입니다. 이 매핑 작업은 인접한 512바이트 블록을 수신하여 4K 섹터를 형성할 수 있을 때까지 512바이트 쓰기 요청을 하드 드라이브의 캐시에 저장하는 방식으로 이루어집니다. 현대의 컴퓨팅 애플리케이션은 일반적으로 4K보다 큰 데이터 조각을 다루기 때문에 런트는 극히 드물게 발생합니다. 그러나 정렬 1 상태는 문제가 다릅니다.
그림 9와 같이, 비정렬 상태를 만드는 하드 드라이브 파티션이 생성되면 하드 드라이브 성능을 저하할 수 있는 읽기-수정-쓰기 주기가 발생합니다. 이는 고급 포맷 하드 드라이브의 구현에서 반드시 피해야 할 상황이며 이 문제에 대해서는 나중에 설명하도록 하겠습니다.
작은 쓰기
현대의 컴퓨팅 애플리케이션에서 문서, 그림 및 비디오 스트림과 같은 데이터는 512바이트를 훌쩍 넘습니다. 따라서 하드 드라이브는 512바이트의 연속적인 블록이 4K 섹터를 형성할 수 있을 때까지 이러한 쓰기 요청을 캐시에 저장합니다. 하드 드라이브 파티션이 정렬되어 있는 한 하드 드라이브는 성능 저하 없이 512바이트 섹터를 4K 섹터로 쉽게 매핑할 수 있습니다. 그러나 하드 드라이브가 비정렬 파티션과 관계없는 런트를 다루어야만 하는 상황을 만드는 로우레벨 프로세스가 있습니다. 이 로우레벨 프로세스는 호스트가 실제로 4K보다 작은 불연속 쓰기 요청을 만드는 경우 매우 드물게 발생합니다. 이는 일반적으로 파일 시스템, 저널링 또는 이와 유사한 로우레벨 활동을 다루는 운영 체제 수준의 활동이 됩니다. 일반적으로 매우 작은 수로 발생하기 때문에 전반적인 성능에 큰 영향을 미치지 않습니다. 하지만 시스템 설계자는 4K 전환 시 성능을 최대화할 수 있도록 이 프로세스에 대한 적절한 수정을 고려하는 것이 좋습니다.
지금까지 4K 섹터로 이동하여 얻을 수 있는 혜택과 발생할 수 있는 성능 문제에 대해 알아보았습니다. 이제 이러한 전환을 가장 잘 관리할 수 있는 방법에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 이 주제는 현대 컴퓨팅 시스템에서 가장 널리 사용되는 두 가지 운영 체제인 Windows와 Linux에서 살펴 보는 것이 좋겠습니다.
Windows 환경에서 4K 섹터 관리하기
4K 섹터 전환 관리에 있어서 가장 중요한 부분은 위에서 설명한 정렬 문제와 관련이 있습니다. 고급 포맷 드라이브는 실제(물리적) 대 논리 시작 위치가 동일한 정렬 0 상태에서 제대로 작동합니다. 정렬 상태는 하드 드라이브 파티션이 만들어질 때 생성됩니다. 파티션은 다음의 두 가지 일반적인 범주로 분류되는 소프트웨어에 의해 만들어집니다.
Windows 운영 체제에서 생성되는 파티션의 경우 Windows XP, Windows Vista 및 Windows 7의 세 가지 Windows 제품에 대해 살펴볼 수 있습니다. Microsoft는 더 큰 섹터로의 전환을 계획하는 움직임에 참여하였습니다. 따라서 Windows Vista Service Pack 1을 시작으로 4K 섹터 호환 소프트웨어를 출시하기 시작했습니다. 정렬 0(고급 포맷 표준이 문제 없이 작동하는 정렬 상태)의 파티션을 생성하는 소프트웨어를 "4K 인식" 소프트웨어라고 합니다. 표 2는 현재 세대의 Microsoft Windows 운영 체제에 해당하는 상황을 설명하고 있습니다.
| 운영 체제 릴리스 | 4K 인식 여부 | 결과 |
| Windows XP | 아니오 | 정렬 1 상태로 주 파티션 생성(비정렬) |
| Windows Vista-Pre Service Pack 1 | 아니오 | 대형 섹터를 인식하지만 잘못된 파티션 생성(비정렬) |
| Windows Vista-Service Pack 1 이후 버전 | 예 | 정렬 0 상태로 파티션 생성(정렬) |
| Windows 7 | 예 | 정렬 0 상태로 파티션 생성(정렬) |
| Windows 10 | 예 | 정렬 0 상태로 파티션 생성(정렬) |
최신 버전의 Windows가 설치된 상태로 출하되는 컴퓨터 시스템은 고급 포맷 하드 드라이브를 사용하기에 매우 적합합니다.그러나 Windows XP 또는 Windows Vista, Service Pack 1 이전 버전을 사용하는 시스템의 경우 OS를 통해 생성되는 파티션과 관련하여 성능 저하가 발생할 수 있는 위험이 상당히 큽니다.
비정렬 파티션은 이전 버전의 Windows OS를 통해 생성될 수 있지만 많은 시스템 구축업체, OEM, 부가 가치 리셀러, IT 관리자가 사용하는 다수의 소프트웨어 유틸리티에 의해 생성될 수도 있습니다. 사실 비정렬 파티션은 Windows OS 자체를 통해 생성되는 경우보다 이러한 유형의 유틸리티를 통해 생성되는 경우가 더 흔합니다. 따라서 비정렬 파티션이 생성될 위험 및 이로 인해 4K를 사용하는 하드 드라이브의 성능이 저하되는 결과를 낳을 수 있는 환경이 더욱 두드러집니다. 요즘 일반적으로 출시되는 하드 드라이브의 경우 주로 여러 개의 하드 드라이브 파티션으로 구성되어 있어 문제가 더 복잡합니다. 즉, 하드 드라이브의 각 파티션이 4K 인식 파티션 분할 소프트웨어를 통해 생성되어야만 올바른 정렬과 성능이 보장될 수 있음을 뜻합니다. 그림 10은 4K 인식 소프트웨어가 아닌 소프트웨어를 통해 다수의 하드 드라이브 파티션을 생성했을 때 일어날 수 있는 결과를 보여 줍니다.
그림 10. 여러 개의 파티션과 정렬 상태
하드 드라이브 성능에 영향을 미칠 수 있는 비정렬 상태를 방지 및/또는 관리할 수 있는 방법에는 세 가지가 있습니다.
4K 인식 버전의 Windows를 사용하여 하드 드라이브 파티션을 생성하면 간단하고 쉽게 비정렬 상태를 방지할 수 있습니다. 하드 드라이브 파티션 분할 소프트웨어 유틸리티 제공업체에게 4K 인식 버전이 제공되는지 여부를 문의하십시오. 제공되는 경우 4K 인식 버전으로 마이그레이션하여 추가로 발생할 수 있는 문제를 방지하시기 바랍니다.
일부 하드 드라이브 제조업체는 기존의 하드 드라이브 파티션을 검사하고 필요할 경우 다시 정렬하는 유틸리티를 제공하여 이러한 문제를 해결합니다. 이러한 대안은 추가 시간이 소요되고 시스템 구축 또는 업그레이드 프로세스에 몇몇 단계가 추가됩니다.
하드 드라이브 제조업체는 근본적으로 성능 저하를 방지하면서 비정렬 상태를 관리할 수 있는 보다 정교한 방법을 개발하게 될 것입니다.
고급 포맷 드라이브로의 전환이 계속되면서 이러한 모든 방법은 업계의 이익을 최대화하고 가능한 모든 성능 저하를 방지하는 데 중요한 역할을 하게 됩니다.
Windows 환경에서 4K 섹터 전환을 관리할 때 사용되는 주요 전략들이 Linux에도 적용됩니다. 대다수의 Linux 시스템 사용자는 소스 코드에 액세스할 수 있기 때문에 특정 필요에 맞게 OS를 사용자 지정할 수 있습니다. 따라서 Linux 시스템을 사전에 업데이트하면 고급 포맷 하드 드라이브를 올바르게 관리할 수 있습니다.
고급 포맷 드라이브와 제대로 정렬된 디스크 파티션을 생성하고 정렬 문제와 관계없이 런트를 생성하는 작은 시스템 수준의 쓰기 작업을 최소화하는 과정은 Linux 시스템을 수정하면 대부분 피할 수 있습니다.
Linux 커넬과 유틸리티 모두 고급 포맷 드라이브를 지원하도록 변경되었습니다. 이러한 변경은 고급 포맷 드라이브의 모든 파티션이 4K 섹터 경계와 올바르게 정렬될 수 있도록 합니다. 고급 포맷 드라이브에 대한 커넬 지원은 커넬 버전 2.6.31 이상에서 제공됩니다. 고급 포맷 드라이브의 분할 및 포맷 지원은 다음과 같은 Linux 유틸리티를 통해 제공됩니다.
Fdisk: GNU Fdisk는 하드 드라이브의 파티션을 분할하는 명령줄 유틸리티입니다. 버전 1.2.3 이상이 고급 포맷 드라이브를 지원합니다.
Parted: GNU Parted는 하드 드라이브의 파티션 분할에 사용되는 그래픽 유틸리티입니다. 버전 2.1 이상이 고급 포맷 드라이브를 지원합니다.
업계의 동향을 분석해 볼 때 기존 512바이트 섹터를 벗어난 전환이 현실입니다. 하드 드라이브 제조업체는 2011년 1월부터 노트북 및 데스크탑 시장에 출하하는 새 모델에 고급 포맷 표준을 적용하기로 합의했습니다.
하드 드라이브 엔지니어들은 지속적으로 영역 밀도를 개선하고 오류 수정 능력을 보다 강화하기 위해 노력하고 있습니다. 소비자는 더 큰 용량, 기가바이트당 낮은 비용 및 하드 드라이브 기술이 원하는 일관적인 수준의 안정성 등을 제공하는 하드 드라이브를 통해 다양한 혜택을 얻고 있습니다.
원활한 전환을 위해 잠재적인 성능 저하를 방지할 수 있도록 스토리지 커뮤니티에 적절한 교육이 제공되어 왔습니다. 고급 포맷에 사용되는 4K 섹터로 원활하고 성공적으로 전환하려면 4K 인식 하드 드라이브 파티션 분할 도구의 사용을 촉진하는 것이 가장 중요합니다. 컴퓨터를 구축하거나 구성하는 시스템 구축 업체, OEM, 통합업체, IT 전문가 또는 최종 사용자는 다음을 준수해야 합니다.
동종 업계 및 고객이 서로 협력하여 계속해서 고급 포맷 4K 섹터로 원활하고 효율적으로 전환함으로써 전체 스토리지 업계를 위한 장기적인 혜택을 활용하고 있습니다.
1 섹터화된 포맷은 데이터 섹터만을 의미하며 서보 데이터 및 기타 섹터 레이아웃 비효율과 관련된 오버헤드를 고려하지 않습니다.
2 일부 4K 섹터 구현에서는 512바이트에서 4K 섹터로 이동할 때 항상 ECC 바이트가 정확히 두 배가 되지 않을 수 있습니다.
