하드디스크의 발전 구조원리와 핵심용어

[플래터]
플래터는 금속 원판에 자성이 있는 자성체를 얇게 코팅한 것이다. 최근에는 회전 속도를 높이기 위해 금속 원판 대신 좀더 가벼운 유리판을 사용하기도 한다. 플래터 크기에 따라 하드디스크 크기가 결정된다. 플래터의 용량은 한 장, 즉 양면 모두를 의미한다. 플래터 크기가 20GB라면 한쪽 면에 10GB의 용량을 저장할 수 있다는 것이다. 플래터 한 장에 기록할 수 있는 용량의 한계 때문에 고용량 하드디스크는 여러 장의 플래터를 사용한다.

[헤 드]
하드디스크에서 플래터와 같이 가장 중요한 역할을 담당한다. 플래터에 데이터를 읽고, 기록하고 지우는 역할을 담당한다. 헤드는 플래터의 데이터를 읽을 때 시간이 짧고 데이터를 기록하거나 지울 때 속도가 떨어진다. 하드디스크가 데이터를 읽는 시간은 접근 시간(액세스 타임)과 탐색 시간(시크 타임)에 밀접한 영향을 미친다.

[모 터]
하드디스크에 사용되는 모터는 크게 두 종류가 있다. 스핀들 모터는 플래터를 회전시켜주는 역할을 담당한다. 일정한 속도로 규칙적으로 회전하면 된다. 스핀들 모터에 따라 하드디스크가 5,400rpm, 7,200rpm, 10,000rpm으로 결정된다. 스핀들 모터도 중요하지만 스테핑 모터도 아주 중요한 역할을 담당한다. 헤드가 달린 캐리지 암을 이동시켜 주는 역할로 플래터의 데이터를 읽거나 기록하기 위해서는 헤드가 원하는 데이터가 저장된 곳이나 저장할 곳에 정확히 이동시켜주어야 한다. 스테핑 모터의 성능과 정확도는 하드디스크의 성능을 좌우하는 데 큰 역할을 담당한다.

[제어 회로]
하드디스크의 내부 부품을 컨트롤하는 기능을 담당하며 외부 하드디스크 인터페이스와 연결해주는 역할을 담당한다. 제어회로에 따라 ATA 33, ATA 66, ATA 100 등 하드디스크의 인터페이스 속도가 정해진다. 제어 회로는 보통 뒷면에 있는 것처럼 보이지만 내부에도 제어 회로가 있어 외부 제어 회로와 연결되어 있다. 외부에 노출된 제어 회로는 전기적 충격에 약하기 때문에 요즘 나오는 하드디스크 가운데 몇몇 제품은 보호 실드로 되어 있다.

[하드디스크의 성능을 좌우하는 요인은? 회전수가 높아야 한다]
많이 사용하는 E-IDE 방식 하드디스크의 경우 크게 두 가지 제품군이 있다. 보급형인 5,400rpm 제품군과 고급형인 7,200rpm이 그것이다. 두 제품군의 가장 큰 차이는 회전수로, 흔히 이것에 따라 성능이 결정된다고 말한다. 회전수에 따라 성능이 다른 이유는 무엇일까?

먼저 각 속도에 대해서 알아야 한다. 각 속도는 단위 시간당 이동한 거리를 의미하는 것으로 회전수가 높아지면 같이 높아진다. 각 속도가 높아지면 단위 시간당 그만큼 많이 이동할 수 있기 때문에 더 많은 데이터를 읽고 쓸 수 있다. 하지만 회전수를 높이는 것은 쉽지 않다. 빨리 회전하는 만큼 보다 정확한 제어는 물론 부품의 내구성까지 고려해야 한다. 성능이 좋아진다는 장점이 있지만 가격이 높아지는 것 또한 당연한 일이다.

SCSI 제품군에만 존재하던 10,000rpm 하드디스크는 이제 E-IDE 제품군에서도 볼 수 있게 되었다. 웨스턴디지털에서 첫 선을 보였으며, 대부분의 하드디스크 제조사들이 준비중이다. 몇 가지 이유가 있지만 가장 큰 이유는 같은 회전수에서 속도를 높이는 것은 한계가 있기 때문이다. E-IDE 방식의 10,000rpm 하드디스크는 대부분의 기술이 SCSI에 사용되던 기술을 그대로 적용했기 때문에 가격이 다소 비싸게 출시되었다. 하지만 제품의 내구성이나 성능은 SCSI에 견줄 만하기 때문에 당분간은 구입하기 쉽지 않을 것이다.

[탐색 시간과 접근 시간이 짧아야 한다]
비슷한 사양의 하드디스크라 하더라도 체감 성능의 차이는 분명히 존재한다. 체감 성능의 차이는 과연 어디서 나는 것일까? 바로 탐색 시간과 접근 시간이다. 탐색 시간과 접근 시간은 짧아야 좋다는 평가를 받는다. 탐색 시간은 하드디스크에 특정 데이터를 찾으라는 명령을 내렸을 때 이 데이터를 얼마나 빠른 시간 안에 찾느냐는 것이다. 탐색 시간은 하드디스크에 저장되는 데이터를 얼마나 효율적으로 관리하느냐는 문제와도 직결된다.

보통 접근 시간과 탐색 시간을 비슷한 개념으로 많이 이해하지만 접근시간은 찾아낸 데이터를 얼마나 빨리 읽어내서 CPU로 전송하느냐는 것이다. 이것은 헤드의 성능과 밀접한 관계가 있으며, 회전수와 제어 회로 등 많은 부품의 성능에 따라 달라진다.

비슷한 성능과 가격대의 하드디스크를 구입한다면 탐색 시간과 접근 시간이 짧은 하드디스크를 구입하는 것이 체감 성능을 보다 높일 수 있다.

[단위 면적당 자기 밀도가 높아야 한다 ]
보통 플래터의 용량에 따라 성능이 달라진다고 한다. 어떤 제품은 플래터 한 장에 60GB를 저장할 수 있는 반면 어떤 제품은 30GB까지만 저장할 수 있다. 플래터는 같은 면적으로 변할 수 없기 때문에 차이가 나는 것은 기록할 수 있는 자기 밀도이다. 하나의 플래터에 30GB보다 60GB의 데이터를 저장할 수 있는 제품이 단위 면적당 자기 밀도가 더 높다고 할 수 있다.

하나의 하드디스크에 내장할 수 있는 플래터는 한계가 있기 때문에 단위 면적당 자기 밀도가 높아지면 보다 고용량의 하드디스크를 만들 수 있다. 그리고 하드디스크의 제조 비용을 줄일 수 있다.

단위 면적당 자기 밀도가 높아지면 하드디스크의 성능이 향상된다. 동일한 회전수로 회전한다면 단위 시간당 읽고 쓸 수 있는 데이터 양이 많아진다. 그래서 플래터 용량이 성능 판단에 중요 변수가 된다. 반면에 자기 밀도가 높아질수록 보다 정밀한 헤드 제어 기술이 필요하므로 무조건 자기 밀도를 높일 수 없는 것이 제조사의 입장이다. 그래서 단위 면적당 단위 밀도를 높이기 위해서 헤드 개발을 병행하고 있다.

[외부 인터페이스가 빨라야 한다]
하드디스크의 성능을 대표하는 것 가운데 하나로 외부 인터페이스가 전송할 수 있는 최대 전송률을 많이 본다. ATA 100, ATA 133, SATA 150 등 최근 하드디스크들이 지원하는 외부 인터페이스인 최대 데이터 전송률이 100MB/sec가 넘는다. 하드디스크의 내부 전송률이 최대 50MB/sec인 것을 감안할 때 외부 고속 인터페이스는 큰 의미가 없을지도 모른다. 하지만 여유 대역폭이 있기 때문에 보다 안정적으로 데이터를 전송할 수 있다. 또한 전송률이 높아질수록 성능에는 큰 향상이 없지만 탐색 시간과 접근 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 앞으로도 이보다 빠른 외부 인터페이스가 많이 등장할 예정이다.

[하드디스크 신기술 - GMR 헤드 ]
하드디스크에서 중요한 역할을 하는 부품 가운데 데이터를 직접 읽고 쓰는 헤드의 성능은 아주 중요하다. 초기에 선보인 하드디스크에 사용된 헤드는 대부분 유도박막 헤드(Inductive Thin Film Head)가 많이 사용되었다. 유도박막 헤드는 하드디스크의 자기 밀도가 높아질수록 데이터를 읽고 쓰는데 불안정하기 때문에 새로운 헤드의 필요성이 절실해졌다. 그래서 탄생된 것이 IBM이 개발한 MR 헤드(Magneto Resistive Head)다.

MR 헤드는 박막 방식의 헤드에 비해 헤드와 플래터의 간격을 더욱 좁힐 수 있다. 그래서 같은 크기에 더 많은 데이터를 읽고 쓸 수 있기 때문에 자기 밀도가 높은 플래터에 잘 어울린다. 성능과 안정성 향상은 물론 헤드의 생산 단가도 낮출 수 있다는 장점이 있다.

MR 헤드도 유도 박막 헤드와 마찬가지로 플래터의 자기 밀도가 높아질수록 사용하기 어려워졌다. MRX 헤드와 반도체 헤드, 근접 방식 헤드 등 많은 헤드들이 개발되었지만 IBM에서 개발한 GMR 헤드(Giant Magneto Resistive Head)가 가장 성능이 뛰어났다. GMR 헤드는 새로운 재료를 사용해 MR 헤드에 비해 크기도 작으며, 더 많은 데이터를 보다 빠르게 읽고 쓸 수 있다. GMR 헤드는 MR 헤드와 비슷한 원리로 동작하지만, 평방 인치당 10Gb의 데이터를 읽고 쓸 수 있다. 최근 사용되는 대부분의 하드디스크는 GMR 헤드를 사용하고 있다.

[유체 베어링]
하드디스크는 회전 운동을 기본으로 하는 저장 장치이기 때문에 베어링이 필수적이다. 베어링은 회전 운동하는 물체의 마찰과 저항을 줄여 원활한 운동을 하게 하고 소음을 줄이는 역할을 한다. 하드디스크에 사용되는 베어링은 볼 방식을 사용하는 볼베어링에만 사용했기 때문에 어느 정도의 소음과 진동은 어쩔 수 없었다.

하지만 시게이트에서 개발한 유체 베어링 기술은 기존의 상식을 뛰어넘는 새로운 기술이었다. 볼 대신 유체(기름)를 사용해 소음과 진동을 획기적으로 줄였다. 최근에는 대부분의 하드디스크 제조사들이 유체 베어링 기술을 채택하고 있다.

[시리얼 ATA]
컴퓨터의 인터페이스에 고속화 바람이 불고 있다. IEEE1394를 선두로 USB 2.0, 최근 조금씩 베일을 벗고 있는 시리얼 ATA 등 고속 인터페이스들의 춘추 전국 시대를 맞이하고 있다. 이런 고속 인터페이스 가운데 최고의 속도를 자랑하는 시리얼 ATA에 대해 알아보자.

일반적으로 시리얼(직렬) 방식이 패러렐(병렬) 방식보다 느리다고 알려져 있다. PC에서 아직 사용되고 있는 시리얼 포트와 패러렐 포트만 보더라도 바로 알 수 있다. 시리얼 포트는 최대 128Kbp, 패러렐 포트는 최대 900Kbps로 데이터를 전송할 수 있다. 하지만 최근 고속 인터페이스는 패러렐 방식보다는 시리얼 방식을 선호한다. 대표적으로 레거시(Legacy) 인터페이스를 100퍼센트 대체할 수 있는 USB와 초고속 인터페이스로 SCSI 시장까지 넘보고 있는 IEEE1394 모두 다 시리얼 방식이다.

시리얼 방식이 패러렐 방식보다 뛰어난 점은 사용자 중심에서 PC가 요구하는 사항들을 충족시킬 수 있다는 것이다. 일단 신호선 개수를 패러렐 방식보다 줄일 수 있다. 신호선의 개수가 줄어들어 보다 쉽게 배선할 수 있으며, 데이지 체인(Daisy Chain : 고구마 넝쿨) 방식으로 하나의 커넥터에 여러 개의 주변기기를 연결할 수 있다는 장점이 있다. 시리얼 인터페이스로 대표적인 IEEE1394와 USB 2.0은 고속 외장형 주변기기를 위한 인터페이스라 할 수 있다. 외장형 인터페이스는 SCSI를 제외한 모든 방식이 시리얼 방식이라 할 수 있다. 시리얼 방식은 외장형 인터페이스에서 내장형 인터페이스까지 영향을 미치고 있다. 바로 ATA(E-IDE) 인터페이스에 시리얼 방식을 적용한 시리얼 ATA 인터페이스 규격이 그것이다.

왜 속도가 더 빠른 패러렐 방식을 사용하지 않느냐는 의문을 가질 수 있다. 패러렐 방식은 신호를 보내는 신호선의 개수를 늘려 시리얼 방식보다 속도를 높였다. 하지만 신호선의 개수가 많아질수록 케이블은 두꺼워지고 케이블 사이의 노이즈가 많아져 자료 전송의 효율성이 떨어진다. 또한 케이블이 길어질수록 신뢰도가 떨어진다는 단점도 있다. 고속 인터페이스에서 패러렐 방식을 사용하지 않는 이유는 이 때문이다.

패러렐 방식의 이런 문제 때문에 시리얼 방식을 선택할 수밖에 없었다. LAN(Local Area Network)에서 축적된 데이터를 압축 전송하는 기술과 케이블에서 노이즈를 크게 타지 않는 시리얼 방식이 어우러져 가장 빠른 인터페이스인 시리얼 ATA 인터페이스가 만들어졌다.

시리얼 ATA 인터페이스는 기존의 ATA(E-IDE) 인터페이스를 시리얼 방식으로 바꾼 것이다. 가장 눈에 띄는 점으로 케이블 굵기가 줄어들었다. 기존의 ATA 인터페이스에서 사용되는 케이블은 40핀과 80핀 케이블을 사용했다. 시리얼 ATA 케이블은 4개의 선을 사용하기 때문에 USB 케이블이나 IEEE1394 케이블과 같이 가늘어졌다. 지금까지 가장 빠른 인터페이스로 인정받던 IEEE1394의 400Mbps보다 3배 정도 빠른 1200Mbps의 전송 대역폭으로 가장 빠른 인터페이스로 인정받고 있다. 시리얼 ATA의 가장 큰 특징은 기존의 ATA 방식과의 호환성이다. ATA를 시리얼 ATA로 변환해주는 컨버터를 장착하면 ATA 방식의 주변기기를 그대로 사용할 수 있다. 앞으로 시리얼 ATA가 상용화된다면 보다 빠른 전송 능력으로 PC의 성능을 한 단계 더 높여줄 것이라는 기대를 받고 있다.