시리얼 ATA에 적용된 기술과 물리적 특징

시리얼 ATA에 적용된 기술

시리얼 ATA는 기존의 패러럴 ATA를 대체하는 고속의 직렬연결기술이다. 여기에는 기가비트 테크놀러지를 위한 고속의 디퍼런셜 전송기법, 8b/10b 인코딩 기술이 적용되어 있다.

1. 디퍼런셜 전송기법이 적용된 기가비트 테크놀러지(gigabit technology)

디퍼런셜 전송기법은 앞서 RDRAM에서 언급한 바와 같다. 중요한 부분만 다시 언급하자면 아래와 같다.

디퍼런셜 전송기법을 사용하게 될 경우 신호의 유효 진폭은 2배가 되기 때문에 신호의 전압차(swing)을 일반적인 데이터 전송기법과 동일하게 유지해도 2배의 신호강도를 가지게 된다. 그래서 동등한 신호강도를 위해서는 전압변동을 줄일 수 있어서 신호의 간섭(crosstalk)를 줄일 수 있다.

그리고, 대단히 강력한 노이즈 면역성을 가진다.

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

2. 8b/10b Encoding

시리얼 ATA는 8b/10b 인코딩/디코딩 기법을 사용해서 데이터를 전송한다. 이 방법을 사용해서 데이터와 명령어를 구분해서 전송할 수 있으며, CRC 기능 역시 가지게 된다.

모든 데이터는 8bit(1byte)의 단위로 이루어지며, 명령어 역시 마찬가지이다. 이러한 정보가 전송될 때 데이터와 명령어를 구분하기 위해서 뒤쪽에 제어코드 하나가 따라붙는다. 즉, 하나의 정보 단위가 A, B, C, D, E, F, G, H로 이루어진다면 이들 데이터에 제어코드 하나가 붙어서 총 9bit가 만들어진다.

이 때, 제어코드는 이진값에 따라 D(Data Character)와 K(Control Character)로 구분된다. 그리고 이 데이터를 직렬전송을 위해서 인코딩하는데, 그 과정에서 데이터는 10bit로 늘어난다.

이렇게 만들어진 10bit의 데이터는 FIFO를 통해서 전송된다. 이를 정리해 보면 다음과 같다.

결국, 8bit였던 데이터는 전송시에 10bit로 인코딩되어서 전송된다. 여기에는 명령어/데이터를 구분하는 제어코드가 포함되어 있다.

한편, 시리얼 ATA 규격 1.0에서, 데이터의 전송은 1.5GHz의 동작주파수를 가진다. 즉, 초당 1.5Gbit의 데이터를 전송하는 것이다. 그런데, 위에서 언급한 것과 같이 실제 전송되는 10bit가 데이터로는 8bit에 해당하기 때문에 실제 데이터 전송률을 계산하면 다음과 같다.

1.5Gbps × 8/10 = 1.2Gbps = 150MB/s

그래서 150MB/s라는 시리얼 ATA의 전송속도가 나온다는 것이다.

이후, 시리얼 ATA의 2세대와 3세대에서는 동작클럭을 3.0GHz, 6.0GHz로 더욱 향상시켜서 높은 데이터 전송률을 구현하게 된다.

물리적 특징 - 커넥터와 케이블

1. 케이블

전송방식이 어떻다 뭐다 하는것보다, 사용자들이 실제로 시리얼 ATA에서 기대하고 있는 것은 케이블링의 간편함이일 것이다. 시리얼 ATA의 데이터 전송 케이블은 기본적으로 4가닥의 데이터선과 접지극 4선(혹은 3선)으로 이루어진다. 케이블의 구조는 다음과 같다.

신호선 A와 신호선 B는 각기 송/수신을 담당하며, 각 신호선의 +/- 극은 쌍을 이루어서 디퍼런셜 기법이 적용된다. 케이블 외부에는 알루미늄을 사용한 접지 쉴드가 씌워지며, 이들 쉴드는 접지극 선에 이어져 있다.

이러한 구조로 인해서 시리얼 ATA에서는 대단히 높은 수준의 노이즈 면역성과 함께 전자기의 간섭에서도 최대한 벗어나게 된다. 물론, 이러한 높은 신뢰도를 위한 쉴딩구조로 인해서 제조원가는 상승한다. 하지만 상승한다고 하더라도, 워낙 케이블의 가닥 수가 적기 때문에 20배의 선을 가지는 ATA66/100 케이블보다 오히려 저렴하다. 다음은 시리얼 ATA의 가이드북에 적혀 있는 케이블의 전기적/물리적 사양이다. 케이블 색상은 붉은색으로 정해져 있는데, 이는 나중에 상황에 따라 각 케이블 제조사들이 다양한 색상을 제조하지 않을까 한다.

4가닥이며, 케이블 자체의 폭이 7.75mm, 두께가 2.2mm밖에 되지 않기때문에 상당히 유연하다. 그러면서도 외피복의 두께가 두꺼운 편이라 약간의 탄성과 함께 지금까지의 ATA 케이블보다 월등히 우수한 내구성을 가지게 된다.

시리얼 ATA의 연결 예
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위 사진은 시리얼 ATA와 컨트롤러를 연결한 예이다. ATA에 비해서 얼마나 간단한가?

2. 커넥터

시리얼 ATA의 커넥터는 두 부분으로 이루어진다. 데이터 케이블과 전원케이블이다.

전원케이블과 데이터케이블 모두 기존에 비해서 달라졌다.

우선, 데이터 케이블의 경우 앞서 언급한 것과 마찬가지로 적색의 가느다란 케이블로 이루어졌으며, 끝에 있는 커넥터는 7개의 핀을 가지고 있어서 4개는 각각 신호선을, 그리고 3개의 선은 접지를 담당한다.

전원선의 경우 기존의 구성에 비해서 한가지가 추가되어서 다섯개의 선으로 이루어져있다. 이들 다섯개의 선은 이전과 동일한 12V, 5V 및 각 접지선에 3.3V의 선이 하나 추가된 것이다. 위의 일러스트를 보면 주황색 선이 추가되어 있는 것을 알 수 있다. 3.3V의 적용은 많은 의미를 갖는다.

우선, HDD의 회로기판에서 사용되는 전압이 낮아질 때 이를 직접 공급할 수 있다. 시리얼 ATA에서는 신호전압으로 5V 대신에 0.5V를 사용하므로 5V의 절대적인 필요성이 사라졌고, 보다 적은 전력만을 사용하도록 만들기 위해서 낮은 전압으로 구동되는 칩을 사용할 것이기 때문이다. 또한 이것은 모바일용 기기들에 대해서는 더욱 큰 장점으로 부각될 수 있다. 배터리 수명이 무엇보다 중요한 모바일 기기에서 전력을 절약할 수 있다는 것은 매우 큰 잇점이다.

커넥터들의 크기 역시 대단히 작아졌다. 이전의 ATA 커넥터는 총 40핀을 가지고 있어서 그 크기가 매우 큰 편이었다. 그러나 시리얼 ATA는 위에서 보이다시피 커넥터의 크기가 매우 줄어서 이를 그대로 노트북용 2.5" HDD에 적용시킬 수 있다. 즉, 2.5", 3.5" 하드디스크 모두 인터페이스의 규격이 동일해지기 때문에 이를 연결하기 위해서 젠더 등을 사용할 필요가 없다. 현재의 ATA 인터페이스와 그 크기를 비교해 보면 다음과 같다.

ATA-100에 비해서 일단 크기가 줄어들었다는 것은 확실하다. 전원부까지를 포함해도 기존의 40핀 커넥터보다 작다는 것은 상당한 잇점이다. 특히, 2.5" HDD에도 동일하게 적용될 수 있어서 사용자나 제조자 입장에서 매우 용이하다.

이와 함께, 핫 플러깅(hot plugging)을 지원하기 위한 모듈도 사용할 수 있다. 핫 플러깅을 지원하기 위해서는 '별도의 케이블을 연결할 필요가 없어야' 한다. 이를 위해서 하드디스크 드라이브를 '꽂으면' 연결되는 핫플러깅 패널이 필요하다. 기본적인 구조는 SCSI의 SCA(Single Contact Attachment)의 개념을 따른다.

SCSI의 SCA 인터페이스
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SCA는 전원과 신호선, 점퍼설정 등을 하나의 커넥터로 모아서, 점퍼설정 등은 백패널 상에서 직접 할 수 있도록 만들었으며, 별도로 케이블을 연결할 필요가 없이 하드디스크 드라이브를 SCA를 지원하는 베이에 꽂으면 동작한다.

시리얼 ATA에서의 핫플러깅 개념은 이와 거의 비슷하지만, 본래의 인터페이스 형태를 그대로 유지하면서 핫플러깅을 지원한다는 차이점이 있다. 이는 커넥터 자체의 크기도 상당히 줄어들기도 했거니와, 인터페이스 자체의 형태가 설계될때부터 핫플러깅을 고려해서 설계되었기 때문이다.

핫플러깅 패널에 부착되는 커넥터
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위와 같은 커넥터가 패널에 부착되어 있어서 하드디스크를 베이에 꽂으면 바로 연결되는 방식이다. 물론, 시리얼 ATA는 앞서도 언급했듯이 스타 토폴로지를 가지고 있어서 SCSI에서의 핫플러깅 패널처럼 간단한 케이블링 등의 잇점을 완전히 따라갈 수는 없다.(SCSI에서의 핫플러깅 패널은 몇개의 HDD가 연결되던지간에 하나의 케이블만 컨트롤러에 이어지면 된다. 패널 내부적으로 데이지체인 방식이 구성되기 때문이다. 그러나 시리얼 ATA는 본래 컨트롤러와 디바이스가 1:1로 연결되므로 다수의 HDD라면 패널에서도 다수의 케이블이 컨트롤러로 연결되어야만 한다.)