시리얼 ATA의 개발목적과 목적에 따른 잇점

앞 페이지에서 패러럴 ATA가 가지는 한계점과 단점들에 대해서 이야기했다. 그러면, 과연 시리얼 ATA가 어떠한 목적을 가지고 만들어지며, 그러한 목적이 사용자에게 어떠한 잇점을 줄 수 있는가를 알아보자.

1. 내장형 데이터 저장장치(inside-the-box storage)를 위한 인터페이스

시리얼 ATA는 기본적으로 외장기기를 타겟으로 하지 않는다. 어디까지나 현행의 ATA를 대체하는 인터페이스로 개발된다. 외장기기로 되기 위해서는 전원공급문제라던가 커넥터의 형태 등이 복잡해지며, 케이블 자체의 쉴딩 역시 보다 강화되어야 한다. 내장형 데이터 저장장치만으로 대상을 한정하는 것은 높은 가격대성능비를 구현하는데에 도움이 된다.

2. 현행의 ATA 규격과 완전한 소프트웨어 호환성을 유지한다.

이것은 시리얼 ATA가 표준으로 자리잡기까지의 이행과정에서 가장 중요한 위치를 차지하는 특성이다. 기존의 ATA 규격과 완전한 소프트웨어 호환성을 가진다는 것은 지금까지의 OS나 드라이버로도 그대로 시리얼 ATA를 적용시킬 수 있다는 것을 의미한다. 또한 별도의 명령어 셋 추가 역시 필요하지 않기 때문에 쉽게 시리얼 ATA-패러럴 ATA간 컨버터를 만들 수 있으며, 이는 패러럴 ATA에서 시리얼 ATA로 넘어가는 과도기에서 사용자들에게 큰 편의성을 제공해준다.

3. 컨트롤러와 각 장치 모두 적은 수의 핀만을 갖는다.

클럭을 높이기 위해서 선택된 방법이며, 시리얼 ATA라는 이름에서 알 수 있듯이, 직렬전송을 하기 때문에 가능해진 것이다. 시리얼 ATA는 2쌍, 즉 4선만을 갖는다.(접지극을 포함하면 7선) 또한 이들 각 쌍은 서로 다른 신호를 담당하여서, 한쪽에서는 컨트롤러에서 디바이스로의 전송만을, 다른쪽에서는 디바이스에서 컨트롤러로의 전송만을 책임진다. 즉, 신호의 전송시간 차이로 인한 왜곡(skew)이 존재하지 않는다. 이것은 매우 큰 장점이다. 앞서도 언급했듯이, 패러럴 인터페이스에서 시리얼 인터페이스로 넘어오면서 가질 수 있는 가장 큰 장점이 바로 최소화된 왜곡으로 인해 높은 클럭을 얻을 수 있다는 것이었다.

시리얼 ATA 케이블의 구조

RDRAM만 보아도 1/8로 줄어든 핀의 수 덕택에 상당한 클럭상승효과를 기대할 수 있었다. 이러한 왜곡이 존재하지 않는 시리얼 ATA는 케이블 자체의 신뢰도만 받쳐준다면 클럭을 얼마든지 상승시킬 수 있다. 이러한 특징 때문에 시리얼 ATA의 케이블을 통해 전송되는 신호에서는 1.5GHz라는 대단히 높은 주파수로 동작한다. 또한 향후에 이러한 특징은 더욱 강화될 수 있다.

4. 낮은 전압을 사용한다.

기존의 패러럴 ATA에서 사용했던 전압폭(swing)이 5V였던데 반해서, 시리얼 ATA는 그 1/10에 불과한 0.5V의 전압폭을 갖는다.

이러한 낮은 전압을 사용함으로써 시리얼 ATA에서는 데이터의 전달과정에서의 전자기 발생 및 간섭이 줄어들었고 회로의 소모전력이 상당히 낮아졌다. 현재의 패러럴 ATA와 시리얼 ATA의 전력소비량을 비교하면 다음과 같다.

• 패러럴 ATA UDMA 모드(66/100/133 MB/s) : 소모 에너지 = 1.85 × 10^-9 joule/byte
• 시리얼 ATA DMA 모드(150MB/s) : 소모 에너지 = 8.5 × 10^-11 joule/byte

즉, 데이터 전송에 필요한 전력이 1/20 정도로 줄어든다. 하드디스크 드라이브에서 사용하는 전력 중 데이터 전송에 필요한 부분이 얼마 되지 않는다고 해도, 이러한 필요전력의 감소는 특히나 모바일 제품군에서는 큰 도움이 된다.

그러나 전압폭이 낮아지면, 외부의 작은 간섭에도 신호의 왜곡 가능성이 커진다. 그래서 디퍼런셜(differential) 전송을 통해서 낮은 전압폭에 의한 단점을 보완해주고 있다. 디퍼런셜 전송은 2개의 선으로 데이터를 전송할 때 신호선-접지극이 아니라 신호선-역신호선의 방식으로 데이터를 전달함으로써, 외부 노이즈에 대한 면역성을 가질 수 있으며, 실제 신호의 전압폭은 2배로 증가하는 장점을 갖는다. 이에 대해서는 이전의 RDRAM 강좌에서 자세히 언급한 바 있다. 디퍼런셜 전송에 대해서 궁금하신 독자는 아래의 글을 참조해 주시기 바란다.

관련강좌 : 'RDRAM의 구조와 미래, 10GB/를 위하여' 중 'Raser Technology'

낮은 전압을 사용해서 사용전력이 줄어들었고, 사용되는 컴포넌트가 간단해지기 때문에 결과적으로 노트북용 HDD 등의 모바일 제품군에서 배터리 수명을 늘리고 제조단가를 줄일 수 있다.

5. 낮은 가격의 디바이스 아키텍쳐

시리얼 ATA의 각 컴포넌트의 가격은 패러럴 ATA의 컴포넌트보다 오히려 싸다. 이것은 직렬전송에 따라 신호가 단순화되었고, 이에 의해서 신호를 처리하는 회로와 케이블링에 사용되는 각 부품들의 구조 역시 간단해졌기 때문이다.

패러럴 ATA에서는 16bit의 데이터를 한번에 처리하기 위해서 복잡한 회로를 필요로 했으며, 또한 40개의 많은 핀 수로 인해서 연결부가 복잡하고 또한 제조공정이 복잡했다. 하지만 시리얼 ATA에서는 그러한 문제점들이 사라지기 때문에 결국은 제품의 생산단가를 낮출 수 있다.

6. 다양한 기능의 추가로 기존의 ATA에 비해서 높은 성능을 제공

기존에 지원되지 않던 기능들이 지원된다. 가장 특징적인 것으로써 커맨드 큐잉을 들 수 있다. 물론 이것은 현재에도 지원이 되기는 하지만 최근에 지원되기 시작한 것이다. 커맨드 큐잉의 탑재로 인해서 다중 데이터 처리능력이 향상되었다. 커맨드 큐잉의 특징과 장점에 대해서는 이전의 하드디스크 드라이브 벤치마크에서 언급되었으므로 해당 글을 참조하자.

관련글 : '7,200RPM 80GB HDD 4종 완전분석' 중 '커맨드 큐잉 및 어플리케이션 성능'

7. 케이블링 및 커넥터 연결의 용이성

케이블이 간단해졌으며, 커넥터의 연결 역시 대단히 단순해졌다. 케이블은 앞서 보았듯이 4선 케이블로 줄어들어서 그 유연성이 대단히 크게 늘었다. 어느방향으로든 휘어질 수 있으며, 폭이 좁기 때문에 좁은 곳에서도 쉽게 설치할 수 있다. 특히 공간이 좁은 슬림 PC나 베어본 등에서 케이블을 접거나 구겨놓지 않아도 용이하게 설치할 수 있으며, 케이블로 인해서 시스템 내부의 공기흐름이 방해받지도 않는다. 다음의 사진은 그러한 특징을 단적으로 드러내준다.

 
왼쪽이 패러럴 ATA를 사용한 구성, 오른쪽은 시리얼 ATA를 사용한 구성. 차이는 명백하다.
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케이블이 단순해진 만큼 커넥터 역시 단순해졌다. 특히 그 형태에 있어서 케이블 키를 비교적 크게 만들어져서 때문에 케이블을 잘못 연결하지 못하도록 하는 안전장치가 강화되었다.

시리얼 ATA의 커넥터는 대단히 단순한 형태를 가진다.
Copyright (c) by molex

Highpoint사의 RocketRAID 1520 시리얼 ATA RAID 컨트롤러.
HDD 케이블 연결부위의 크기가 대단히 작다.
Copyright (c) by Highpoint

케이블링의 간소화로 인해서 사용자가 케이블을 연결하는 과정에 있어서의 불편이 줄어들었으며, 실수할 수 있는 확률도 줄어들었다.

8. 소프트웨어 의존성이 없음

현재의 ATA 기기들은 별도의 드라이버 없이도 시스템에서 동작할 수 있으며, 모든 OS에서 기본으로 인식한다. 그러나 일부 저장매체들은 특정 드라이버, 특정 운영체제를 필요로 한다. 시리얼 ATA는 패러럴ATA와 마찬가지로 시리얼 ATA 역시 시스템에거 기본적으로 인식하는 인터페이스이며, 그래서 모든 운영체제에서 동작이 가능하며 별도의 소프트웨어를 필요로 하지 않는다.

9. 전력관리기능 탑재

기본적으로 전력관리기능이 탑재된다. 현재의 하드디스크 드라이브들은 전력관리기능이 기본적으로 탑재되어 있지는 않고, 시스템에서 하드디스크의 마지막 억세스에서 일정시간이 지난 후 전원을 차단하는 방법으로 전력관리를 행해왔다. 그러나 이러한 방식에서는 사용자가 하드디스크 드라이브를 사용하고자 하는 순간에 다시 스핀업을 해야하기 때문에 상당히 불편한 점이 있었으며, 물론 사용자가 전력관리에 대한 설정을 해 주어야만 했다.

하지만, 시리얼 ATA에서는 본격적으로 전력관리기능을 지원하기 때문에 보다 편리하게 전력관리기능을 사용할 수 있으며, 이는 모바일용 제품군에서 상당한 이득을 제공한다.

10. 앞으로 10년간 사용될 것을 가정한 로드맵

지금까지 패러럴 ATA는 17년을 이어져 내려왔고, 그래서 그 한계에 도달했다. 이 때문에 시리얼 ATA는 기존의 ATA 방식에 비해서 전송방식 자체를 완전히 변경하게 되었고, 이는 실질적으로 '완전히 새로운' 인터페이스에 해당한다. 이제 시작되는 기술이기 때문에 앞으로 시리얼 ATA 2X 1기 및 2기를 지나서 더욱 더 많이 발전할 수 있는 여지가 남아있다고 할 수 있다. 다음의 그래프는 지금까지 ATA 방식이 발전해 온 과정을 설명하고 있다.

11. 최대 1m의 긴 케이블 길이

패러럴 ATA에서의 큰 단점으로 지적되었던 케이블의 길이 제약이 상당부분 해소된다. 최대 1m 길이의 케이블을 사용할 수 있으며, 직렬/비동기/송수신 분리라는 특성상 최소길이의 제약도 존재하지 않는다. 즉, 사용자는 1m 안에서 자신이 원하는 길이대로 케이블을 사용할 수 있다는 것이다.

1m 라면 어지간히 큰 케이스까지도 쉽게 커버할 수 있는 길이이며, 현존하는 어떠한(비표준 포함) ATA 케이블보다도 긴 길이이기 때문에 시리얼 ATA를 사용하면 지금까지 케이블 길이 때문에 불편을 겪어왔던 사용자들의 불만을 일시에 해소할 수 있게 된다.

12. 높은 데이터 전송률

케이블 자체의 대단히 높은 노이즈 면역성 및 직렬전송의 특성으로 인해서 시리얼 ATA 1X에서는 1.5GHz의 동작클럭을 가진다. 이러한 높은 동작클럭으로 인해서 데이터 전송속도는 150MB/s라는, 현존하는 ATA/133보다도 약 10% 이상 높은 데이터 전송속도를 가지게 된다. 또한, 채널당 2개의 디바이스가 연결되는 패러럴 ATA와는 달리 채널당 1개의 디바이스만이 연결되므로, 모든 디바이스에 대해서 모두 150MB/s의 데이터 전송속도가 보장되는 것이다.

향후 시리얼 ATA 2X는 3GHz의 동작클럭을 가지며 그 이후 이러한 동작클럭은 더욱 향상되어서 300MB/s, 450MB/s, 600MB/s의 규격이 나오게 된다.

13. 프로토콜의 단순화로 지연시간 최소화

시리얼 ATA는 패러럴 ATA에 비해서 프로토콜(데이터전송규약)이 단순화된다. 단순화된 프로토콜은 호스트 컨트롤러나 디바이스의 컨트롤러 내에서의 처리시간을 단축시킨다. 즉, 컨트롤러가 명령어를 입력받은 후 이에 대해서 반응하기까지의 시간이 줄어들기 때문에 보다 신속한 명령의 처리가 가능해지며, 이는 전체적인 데이터 전송효율의 향상으로 이어진다.

14. 비동기 동작

시리얼 ATA 케이블은 2쌍으로 이루어지지만, 이들은 동일한 신호를 전달하는데에 사용되는 것이 아니라, 한쪽은 데이터의 송신에, 다른 한쪽은 데이터의 수신에만 사용된다. 그래서 동기화될 필요가 없다. 이러한 특징은 시리얼 ATA에서 지연시간으로 생기는 신호왜곡(skew) 문제를 사라지게 해 준다. 

15. 기기간의 직접 연결이 없이 컨트롤러-디바이스만의 연결만이 존재

시리얼 ATA에서는 기기간 연결이 없이, 모든 기기는 직접 컨트롤러와 1:1로 연결된다. 기존의 다른 인터페이스들이 데이지 체인 방식의 토폴로지를 가졌다면, 시리얼 ATA는 별 모양의 토폴로지(star topology)를 갖는다는 것이다. 다음의 일러스트를 보자.

왼쪽은 기존의 ATA 및 SCSI 등의 인터페이스가 가지는 데이지 체인 방식의 토폴로지를, 오른쪽은 시리얼 ATA가 택하고 있는 스타 토폴로지를 보여준다. 여기서, 데이지 체인 방식은 하나의 노드를 통해서 다수의 디바이스를 연결할 수 있다는 장점을 가지지만, 그에 대한 반대급부로써, 여러가지 단점이 나타난다.

우선, 기기간의 우선순위가 정해져야한다. 그래서 ATA에는 마스터와 슬레이브가, SCSI에서는 ID의 라는 것이 필요했다. 또한 신호의 터미네이션 역시 별도로 필요해지며, 기기의 연결에 따른 신호특성의 변경으로 허용되는 케이블의 길이도 달라질 수 있다.

스타 토폴로지는 이러한 단점들을 해소한다. 우선, 각 기기는 모두 컨트롤러와 1:1로 연결되기 때문에 우선순위의 설정이 필요하지 않다.(우선순위는 컨트롤러 자체의 연결단에서 결정되므로 기기와는 무관하다) 그리고, 연결방법이 한가지밖에 없기 때문에 호스트 컨트롤러와 디바이스 컨트롤러 상에 모두 터미네이터를 기본으로 내장시켜 놓는 것이 가능해진다. 별도의 우선순위 설정도 필요없으므로 사용자의 입장에서는 매우 간단해지는 것이다.

물론, 이러한 장점의 이면에, 노드의 수가 많아진다는 단점이 존재하기는 하지만, 직렬전송이라는 방식을 택하고 있기 때문에 인터페이스 자체의 구조가 대단히 단순해진다는 것으로 이를 보상할 수 있다. 

17. 저장매체만을 대상으로 함

이는 기존의 ATA와 마찬가지의 특성이다. 앞서의 ATA 하드디스크의 용량 강좌를 자세히 보신 독자라면 느꼈을 수도 있는 사실이 하나 있다. 바로 ATA에서는 데이터의 최소전송단위를 '섹터'로 잡고 있다는 것이다. LBA 방식에서는 물리적 CHS를 무시하고 전 영역을 논리적인 구간으로 나누었지만, 그 구간 하나하나가 결국은 섹터가 되는 것이다. 즉, ATA에서는 '섹터(sector)'라는 단위를 가진 매체만 다룰 수 있다.

섹터는 기본적으로 CHS의 한 부분이다. 실린더와 헤드, 섹터는 모두 '디스크(disc)'라는 매체 상에서 만들어진다. 그래서 ATA 방식의 장치들은 모두 '디스크'를 가지는 것들밖에 없다. CD-ROM이나 DVD 등의 ODD, 하드디스크 드라이브, 광자기디스크 드라이브 등등 결국은 모두 '디스크'라는 말이 들어간다. (플래시메모리를 사용한 하드디스크(흔히 '솔리드디스크'라고한다)도 있지만, 이것은 플래시메모리의 공간을 내부적으로 섹터 단위로 에물레이션 하기 때문에 외부적인 인터페이스에서는 결국 섹터 단위의 데이터를 다루게 된다)

시리얼 ATA 역시 마찬가지로 섹터를 가진 매체만을 그 대상으로 삼는다. 하드디스크 드라이브, 각종 ODD, 광자기디스크 드라이브 등 현재 '저장매체'로 사용되고 있는 '디스크 기반'의 제품들은 모두 시리얼 ATA 인터페이스를 탑재할 수 있다. 

18. 손쉬운 설치와 설정

앞서 누누히 언급된 내용이다. 호스트와 연결될 수 있는 방법이 결국 한가지밖에 없기 때문에 마스터/슬레이브 등의 설정이 필요하지 않으며, 터미네이션도 필요없다.

인터페이스의 형태도 직관적으로 바뀌어 있기 때문에 방향성이 틀린다거나 하는 일도 벌어질 수 없다. 이는 사용자들에게 실수의 가능성을 줄이고, 보다 쉽게 사용할 수 있는 길을 제시하는 것이다. 

19. 단일호스트 개념

다수의 호스트가 존재하지 않는다. 즉, 하나의 디바이스와 관련해서는 하나의 호스트 컨트롤러만이 동작하며, 여러개의 호스트간에 서로 데이터를 전송한다던가 하는 일은 일어나지 않는다. 이는 회로를 최대한 단순화시킴으로써 제조단가를 줄일 수 있도록 한다.