SSD라고 다 같은 SSD가 아니다! - 2편 (NVMe와 SATA의 차이는?)

지난 시간에는 SSD의 여러 종류와 함께 최근 트렌드인 M.2 폼팩터를 사용하는 제품에 대해 자세히 알아봤다. 기존 데스크톱에 사용됐던 S-ATA3와 M.2 폼팩터 그리고 M.2 방식이라도 여기에서 다시 S-ATA3와 PCIe 3.0 x4(이하 NVMe) 인터페이스의 차이점 등을 알아봤으며 이들의 차이에 대한 기본적인 이해는 됐으리라 생각된다.

그래서 오늘은 지난 시간에 설명했던 부분들이 사실이 맞는지 다방면으로 궁금증을 해소하기 위한 테스트를 진행하고 그 결과를 살펴보고자 한다.

궁금증 1. S-ATA3 방식이라면 M.2나 2.5인치나 차이가 없을까?

궁금증 2. 비슷한 형태의 M.2인데 S-ATA3와 NVMe 차이는 얼마나 날까?

궁금증 3. HDD와 SSD의 성능 차이는 얼마나 날까?

테스트 환경

CPU: AMD R1700@dafault

RAM: 삼성전자 DDR4 4GB PC4-19200 * 4EA

Mainboard: Biostar B350-GT5

VGA: SAPPHIRE 라데온 RX 570 PULSE OC D5 4GB Dual-X

저장장치: (1) WD Blue 3D SSD (250GB)

             (2) WD Blue 3D M.2 2280 (250GB)

             (3) WD Black 3D M.2 2280 (250GB)

             (4) WD 1TB Blue WD10EZEX (SATA3 / 7200RPM / 64MB)

OS: Windows 10 64Bit

먼저 테스트 환경이다. 테스트 PC의 스펙은 아래와 같으며 여기에서 4가지 저장장치에 윈도10과 테스트용 프로그램만 설치한 상태에서 진행했다.

테스트에 사용된 SSD 

▶ WD Blue 3D SSD 250GB

WD Blue 3D SSD 250GB는 2.5” 폼패터에 S-ATA3 인터페이스를 사용하는 250GB 용량의 SSD이다. M.2 폼팩터가 나오기 이전 PC와 노트북에서 사용했던 형태이며 읽기 최대 550MB/s, 쓰기 최대 525MB/s이고 내구성(TBW)은 100TB이다. 다나와 최저가 기준으로 62,940원에 240원/1GB로 용량 대비 가격이 저렴하다.

▶ WD Blue 3D M.2 2280 250GB 

WD Blue 3D M.2 2280 250GB는 M.2 폼팩터에 길이는 80mm이다. S-ATA3 인터페이스를 사용하고 별도의 방열판이 붙어있지는 않다. 읽기 최고 속도는 550MB/s이며 쓰기 최고 속도는 525MB/s에 내구성(TBW)는 100TB이다. 다나와 최저가 기준으로 68,960원이고 1GB당 가격은 262원이다. 

▶ WD Black 3D M.2 2280 250GB

WD Black 3D M.2 2280 250GB는 M.2 2280 폼팩터에 인터페이스는 PCIe 3.0이고 NVMe 1.3 규격을 이용한다. PCIe 3.0 규격에 4개 레인을 이용하는 만큼 속도는 기존 저장창치들과는 차별이 된다. 최대 3,000MB/s의 연속 읽기에 최대 1,600MB/s의 연속 쓰기 성능과 랜덤 읽기는 220,000 IOPs, 랜덤 쓰기는 170,000 IOPs이다.

그리고 내구성도 200TB에 달하기 때문에 고성능 워크스테이션이나 게이밍 PC에서의 주 저장장치로 사용하기 적합하다. 이렇게 고성능을 내는 만큼 가격도 높은 편이며, 다나와 최저가 기준으로 97,800원이다.

테스트 프로그램

1) CrystalDiskMark

크리스탈디스크마크에서는 연속 읽기/쓰기 결과 값을 이용했으며, 테스트 파일 크기는 1GiB이고 5회 테스트 값이다. 용량이 큰 단일 파일의 읽기와 쓰기 성능 측정이 목적이다.

2) ATTO Disk Bench

파일 용량을 256MB로 설정하고 I/O Size 64MB의 전송 속도를 측정하였다. 마찬가지로 연속 읽기/쓰기 성능을 알아보기 위한 것이다.

3) 윈도10 로딩 속도

PC전원 버튼을 누른 다음부터 부팅 완료 후 메모장이 뜨는 때까지 걸린 시간을 측정했다. 총 3회 측정 후 평균값을 냈다.

4) 7-Zip 압축 해제

2,160개의 사진(5,070MB)과 5개의 동영상 파일(5,380MB)이 담긴 압축 파일을 해제할 때 걸리는 시간을 측정했다. 

5) 포토샵 CC 

536개의 사진을 열어 두고 크기를 가로 2,500px로 조정하고 노출 +5, 활기 +5, 반전 효과를 적용할 때 걸리는 시간을 측정했다.

6) 배틀그라운드 로딩

배틀그라운드를 실행한 후 ‘15세 이용가 문구’가 사라지는 시점까지의 시간을 측정했다.

[궁금증①] S-ATA3라면 M.2와 2.5인치 제품의 성능 차이가 없을까?

첫번째 궁금증을 확인하기 위해 사용한 제품은 WD Blue 3D SSD 250GB와 WD Blue 3D M.2 2280 250GB이다.

▲ WD Blue 3D SSD 250GB

▲ WD Blue 3D M.2 2280 250GB

▲ 테스트 제품 비교

폼팩터만 다른 두 제품의 성능 차이는 있을까? 스펙상 차이는 없었다. 당연히 이론상이라면 차이가 없어야 한다. 

▶ 밴치마크 결과 (CrystalDiskMark와 ATTO Disk Bench)

먼저 CrystalDiskMark와 ATTO Disk Bench를 이용한 성능 테스트이다. 각각 3번의 테스트 평균 값을 낸 것으로, 테스트 마다 큰 오차는 없었다.

CrystalDiskMark와 ATTO 테스트에서는 모두 2.5” S-ATA 방식이 M.2 2280 S-ATA 방식보다 빠른 성능을 보여줬다. 이는 다소 의외의 결과였고, 특히 CrystalDiskMark 읽기 성능에서는 100MB/s 이상의 격차를 보였다. 

하지만 벤치마크 프로그램은 벤치마크일 뿐이므로 참고 지표로 하고 다른 테스트 결과 값들을 살펴보자.

▶ 로딩속도 테스트 (윈도10, 배틀 그라운드)

▲ 숫자가 작을수록 성능이 우수함을 뜻한다

윈도와 배틀 그라운드 로딩 속도를 3회에 걸쳐 측정한 후 그 평균 값이다. 그리고 로딩 속도는 먼저 본 벤치마크 프로그램 테스트의 연속 읽기/쓰기 성능이 아닌 4k 랜덤 읽기/쓰기 성능과 관련있다.

윈도 로딩 속도는 M.2 방식이 2.5” 제품에 비해 1초 빨랐으나 배틀그라운드는 그 반대로 2.5” 제품이 1초 빠르게 나타났다. 1초 정도의 차이 밖에 없기 때문에 어느 제품이 우월하다고 말할 수는 없다. 

일단 테스트 결과만 놓고 보면 연속 읽기/쓰기에서는 2.5” WD Blue 250GB가 우수하고 4k 랜덤 읽기/쓰기에서는 두 제품이 비슷하다고 볼 수 있다.

▶ 응용프로그램 테스트 (7-Zip, 포토샵CC)

7-Zip 압축과 포토샵CC에서의 저장 속도를 측정했다. 이 테스트로 랜덤 읽기/쓰기와 연속 읽기/쓰기의 성능을 동시에 알아볼 수 있다.

먼저 7-Zip으로 압축할 때 걸리는 시간을 측정한 결과 2.5” 제품이 우수했으며 포토샵 테스트 역시 근소한 차이로 2.5”인치 제품이 우수했다.

S-ATA3 인터페이스를 사용하는 서로 다른 폼팩터의 두 제품 성능을 비교한 결과 2.5”제품이 전반적으로 더 우수하게 나타났다. 그러나 이 테스트 결과만으로 2.5”와 M.2 제품의 성능을 속단할 수는 없으나 한 가지 확실한 것은 M.2 SSD라도 S-ATA3 인터페이스를 사용한다면 성능에 제약을 받게 된다는 것이다.

[궁금증②] 비슷한 형태의 M.2인데 S-ATA3와 NVMe 차이는 얼마나 날까?

이번에는 본 테스트의 핵심이라 할 수 있는 S-ATA3와 NVMe 인터페이스를 이용하는 M.2 SSD의 성능테스트이다. 테스트에 사용된 제품은 다음과 같다.

▲ WD Blue 3D M.2 2280 250GB

▲ WD Black 3D M.2 2280 250GB

▲ 테스트 제품 비교

벤치마크 프로그램을 이용해 속도를 측정한 결과, NVMe 인터페이스를 사용하는 WD Black M.2 2280 250GB는 제조사의 스펙과 같은 연속 읽기 3,000MB/s와 연속 쓰기 1,600MB/s에 근접했다. 이 결과는 두 가지 프로그램에서 모두 비슷하게 측정됐다.

▶ 로딩속도 테스트 (윈도10, 배틀 그라운드)

다음은 4k 랜덤 읽기 성능을 알 수 있는 윈도 로딩과 응용프로그램 로딩 속도이다. 놀랍게도 윈도 로딩 시간에서는 NVMe 방식에 비해 S-ATA3가 더 빠른 것으로 나타났다. NVMe 방식이라도 S-ATA3에 비해 랜덤 읽기에서는 크 차이가 없다고 볼 수 있는 항목이다.

반면 배틀그라운드에서는 평균 시간이 약 5초 정도 차이를 보이며 NVMe가 더 빠르게 나타났다. 아무래도 윈도에 비해 파일 크기가 크고 더 많기 때문에 여기에서 차이가 난 것이 아닌가 한다.

▶ 응용프로그램 테스트 (7-Zip, 포토샵CC)

2,100개가 넘는 1GB의 파일을 압축하는데 소요되는 시간은 NVMe 방식이 훨씬 우수하게 나타났다. 크기가 작은 파일과 큰 파일이 섞여 있는 형태에서 하나의 압축 파일을 만드는데 있어 벤치프로그램의 결과처럼 NVMe 방식이 더 우수한 것임을 다시 한 번 보여준 것이다.

반면 포토샵CC에서는 반대로 S-ATA3 방식이 더 빠르게 나타났다. 이런 결과가 나온 이유는, 포토샵의 작업은 CPU, 램, GPU 성능이 SSD보다 우선시 되기 때문을 보인다. 물론 테스트 환경에서 램 용량이 적다면 스크래치 디스크로 사용되는 SSD의 성능에 영향을 받을 수 있다. 하지만 램이 16GB 이상이라면 큰 영향을 받지 못한다.

테스트를 진행할 때 백그라운드에서 사용하고 있는 각종 리소스의 차이 때문에 격차가 벌어진 것으로 보이며, 적어도 포토샵에서는 SSD 인터페이스에 의한 성능 차이는 없는 것으로 보인다.

[궁금증③] HDD와 SSD의 성능 차이는 얼마나 날까?

▲ 테스트 제품 비교

마지막으로 HDD와 SSD의 성능 차이는 얼마나 나는지 비교해 봤다. 앞에서 SSD끼리의 비교만 했기 때문에 SSD의 성능이 어느 정도인지 가늠하기 어렵다. 그래서 과거 PC 저장장치의 대명사로 군림했던 HDD와의 성능 비교를 통해 SSD의 성능은 어느 정도인지, NVMe 인터페이스를 사용한 SSD는 HDD에 비해 얼마나 빠른지 알아보자.

▶ 밴치마크 결과 (CrystalDiskMark와 ATTO Disk Bench)

HDD는 데이터를 읽고 쓰는 구조의 한계 때문에 성능을 끌어 올리기 힘들다. 그나마 플래터당 데이터 밀집도를 올리고 회전 속도를 높여 이 정도 수준까지 높아졌지만 이제는 한계에 다다르고 있다. 

반면 SSD는 이제 시작이다. HDD의 평균 순차 읽기/쓰기는 약 180MB/s이지만 SSD는 방식에 따라 500MB/s에서 3000MB/s까지 이른다. 인터페이스가 S-ATA3로 동일하더라도 그 성능 차이는 확연하다.

▶ 로딩속도 테스트 (윈도10, 배틀 그라운드) 

윈도 로딩과 배틀그라운드 로딩 속도에서는 마찬가지이다. 역시 HDD와 SSD의 구조적인 문제이다. 플래터를 회전 시켜 여기저기 흩어져 있는 데이터를 찾는데 걸리는 시간은 극복하기 힘든 문제이다.

윈도 로딩 시간에서는 2배 이상의 차이가 발생했고, 배틀그라운드에서도 60~85% 이상의 성능 차이를 보여준다. 이 정도의 차이라면 동일한 HDD를 RAID 0으로 묶더라도 차이가 나는 부분이고, 특히 4k 랜덤 읽기/쓰기는 RAID 0이라도 차이가 나지 않는다.

▶ 응용프로그램 테스트 (7-Zip, 포토샵CC)

7-Zip 파일 압축 테스트에서도 SSD가 HDD에 비해 월등히 빠르게 나타나고 있으며, 특히 NVMe 방식은 HDD에 비해 2배 이상 빠른 시간을 보여준다.

단, 포토샵은 앞서 설명했듯 저장장치의 성능보다는 CPU, RAM, GPU에 영향을 받기 때문에 HDD나 SSD에서 큰 차이를 보이고 있지 않았다.

용도와 호환성 고려해서 골라야...

지금까지 3종의 SSD에 대해 알아봤다. SSD라고 다 같은 SSD가 아니고, 모양이 같다고 해서 역시 같은 제품이 아니라는 것을 몇 가지 테스트를 통해 알 수 있었다. 

구매 전 먼저 어떤 폼 팩터의 제품을 사용할 수 있는지 알아야 한다. 요즘은 대부분 메인보드나 노트북에서 M.2 방식을 지원하고 있으니 이를 고르면 되지만 구형 노트북이나 PC에서는 2.5”를 선택해야 한다.

▲ 무조건 성능이 우선이라면 NVMe가 정답

역시 가장 좋은 제품은 PCIe 3.0 x4 인터페이스를 사용하는 제품이다. 속도 차이가 S-ATA3와 확연하게 나타났기 때문이다. 게이밍 PC나 파일 읽기/쓰기를 많이 하는 PC이라면 NVMe가 적용된 SSD를 추천한다. 테스트를 통해 확인할 수 있듯이 제조사가 밝힌 성능만큼 그대로 보여주었기 때문이다.

 ▲가성비라면 S-ATA3 인터페이스도 좋다

그러나 적당한 성능에 가격까지 고려한다면 S-ATA3도 괜찮은 선택이다. NVMe 적용 제품의 성능이 괴물 같아서 그렇지 하드디스크에 비하면 여전히 빠른 성능을 내기 때문이다. 다만 M.2 S-ATA3 방식은 기존 2.5인치 제품과 비교해서 성능이 비슷하거나 오히려 낮게 나온 만큼 NVMe 수준의 성능을 기대하면 안 된다. 폼팩터는 단지 모양일 뿐 실제 성능과는 상관이 없음을 알 수 있었다.

지금까지 지난 SSD 1부 기사에 이어 2부에서는 몇 가지 궁금증과 함께 실 검증 시간을 가졌다. 다음 시간에도 SSD에 대한 또 다른 궁금증을 알아볼 것을 약속하며 이만 마치고자 한다.

기획, 편집/ 홍석표 hongdev@danawa.com

벤치마크/ 김영성 popeye@danawa.com

글, 사진/ 유민우 news@danawa.com

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