Samsung Z-SSD

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2025.12.06 - Z-NAND에서 Z-SSD로 제목 변경 및 48L V3 NAND 관련 일부 오류 수정

 새로운 태그, "Article"의 첫 투고글입니다. 이 태그는 벤치마크의 결과를 진행하는 글은 아니지만, 기술에 대한 정리, 리뷰를 진행하는 글을 모아놓을 예정입니다.

 Article이라고 하더라도 심도 깊은 글은 아닙니다. 그냥 가벼운 내용이 담긴, 직접 진행하는 실험이나 벤치마크가 아닌 글이라고 생각해주세요.

 또한, 이전에도 간간히 "나중에 다루어보겠다"라고 했던 부분을 이 태그가 달린 투고글에서 다룰 예정입니다.
 언젠가 말이죠....

 어쨌든, 첫 주제는 삼성의 Z-SSD입니다. FMS 2025에서 삼성이 Z-SSD의 부활을 선언했는데, 저도 SZ983과 983 ZET를 리뷰할 예정이기에 첫 주제로 선택하였습니다.

Birth of Z-NAND & Z-SSD

 Intel과 Micron이 공동으로 발표한 3D XPoint Technology. 이는 DRAM과 NAND의 격차를 해소할 기술로 제시되었습니다.
 그리고 1년 뒤, FMS 2016 기조연설에서 삼성은 Z-SSD를 공개했습니다. 

 더 자세한 내용은 다음해의 FMS 2017에서 공개되었습니다. 프레젠테이션에서 보이는대로 기존 NAND를 사용한 SSD와 비교하였을 때, 지연 시간의 상당한 개선이 있었습니다.

 이외에도 일부 벤치마크 결과를 공유했습니다. 

 위 벤치마크에서의 DUT인 Z-SSD의 간단한 스펙도 공개했습니다. 이는 크게 달라지는 것 없이 그대로 2018년, SZ985라는 제품으로 출시됩니다.

Z-SSD Product Family

 바로 직전에 말했지만, SZ985는 처음으로 출시된 Z-SSD입니다. 하지만, Z-SSD에 관심이 있었던 분들이라면 SZ985보다는 983 ZET라는 이름을 가진 SSD의 리뷰를 종종 보셨을 것입니다.
이는 삼성의 판매 정책에 의한 결과입니다.

 간단하게 설명하겠습니다. 우선, 삼성의 eSSD 제품군에는 두 가지 종류가 있습니다. 메인스트림 급의 컨트롤러를 사용한 "Datacenter SSD"와 하이엔드 급의 컨트롤러를 사용하는 "Enterprise SSD"입니다.
 이 둘은 이름이 약간 다르게 생겼습니다. 전자는 PM9X3의 규칙이며, 후자는 PM17X3의 규칙을 보여줍니다. 명명 규칙에 대해 더 자세하게 말씀드리기엔 이 글과 맞지 않을 것 같아 넘어가도록 하겠습니다. SZ985는 전자의 이름과 유사함에서 알 수 있듯, 메인스트림급 컨트롤러를 사용했습니다.

 그렇다면 983 ZET는 대체 뭐냐? 이를 알기 위해서는 삼성의 고객에 대해 생각해봐야 합니다.

 삼성은 당시에도 그랬고, 2025년 현재까지도 eSSD 시장에서 선두에 위치하고 있습니다. 그렇다면, 이러한 eSSD는 누가 구매할 수 있을까요? 일단, 여러 대기업들은 당연히 구매가능할 것 입니다. 그야 한 번에 계약하는 단위가 우리의 상상을 뛰어넘기 때문이죠.

 하지만, 중소기업(SMB)는 어떨까요? 대기업에 비해서 단위가 작아 삼성과의 직접적인 계약이 비교적 어려울 것으로 예상됩니다. 

 거기서 등장하는 새로운 라인업입니다. 일단 기반이 되는 HW는 동일하지만, 소매 채널을 통해 풀리는 SSD입니다. 제품으로는 860 DCT, 883 DCT, 983 DCT, 983 ZET가 있습니다. 확실하게 다른 네이밍이죠?

 짐작되겠지만, Z-SSD의 소매 채널 버전이 983 ZET입니다. 물론, 이러한 채널에 대한 공략은 별 일 없다고 판단된 것인지, 기존 제품을 잘 공급할 수 있다고 판단한 것인지는 모르겠지만 라인업이 끊기고 말았습니다. 

 그렇다면, 다시 이 섹션의 핵심으로 돌아갑시다. Z-SSD는 몇몇 제품이 출시되었는데, 어떤 제품이 있을까요?

 1세대 제품입니다. 

 OP비율과 명명 규칙을 감안하면, 983 ZET는 사실상 SZ983과 동일한 제품으로 예상됩니다.

 2세대 제품입니다.

 중요한 포인트는 2세대 제품이라고 해서 2세대 Z-NAND를 사용한 것이 아니라는 것 입니다. FMS 2017에서 삼성의 기조연설은 차세대 Z-NAND를 MLC로 제작해 지연시간을 희생하지만, 가격을 줄일 것이라는 내용을 포함했습니다. 

 슬프게도, 2세대 Z-NAND에 대한 연구 결과는 세상에 나올 일이 없었습니다.

What is Z-NAND?

 아무튼, NAND임에도 불구하고 이런 획기적인 성능을 제공하는데 핵심이었던 Z-NAND는 대체 어떤 친구일까요?

 많은 사람들이 NAND가 이러한 성능을 달성하기 위해서는 SLC일 것이라 예상하였습니다. 어떻게 보면 NAND에서 고성능을 추구하기 위해선 SLC이어야 한다는 것이 당연한 사고 과정이죠.

 실제로, 삼성에서는 Z-NAND가 48L 64Gb SLC NAND라고 밝힌 적이 있습니다. 그렇다면, 기존 개발된 V-NAND의 단순한 SLC모드일까요?

 삼성에서 개발한 48L의 V3 NAND는 위와 같이 세 종류의 Die가 존재합니다. 각 NAND가 SLC로 동작한다고 가정한다면 단순한 계산으로는 128Gb, 42Gb, 85Gb 라는 수치가 나옵니다.

 Die Size를 비롯해 따질 것은 더 많지만, 자세한 것은 생략하고 여기선 바로 해답으로 가봅시다. Tech Insights는 이에 대해 인사이트를 제공했습니다.

(2025.12.06. 수정)

 FMS 2019에서의 발표에 따르면, 기존 48L V-NAND와 다르게 8개의 Plane이 적용됩니다. 

 네, 그렇습니다. Z-NAND는 기존 V-NAND의 회로를 수정하여 Plane의 개수를 늘린 SLC NAND입니다.

 Z-NAND가 Plane 수를 늘려 얻은 이점은 다음과 같습니다.

1. Plane 수가 늘어나는 것, 그 자체. - 이에 대해서는 언젠가 SSD자체에 관한 글을 작성하며 다시 언급하겠습니다. 여기서 다루기엔 너무 길어지거든요.
2. 비슷한 크기의 Die에서 많은 수의 Plane을 구현해 WL(Word Line)과 BL(Bit Line)의 길이가 소폭 줄어듭니다.

 이로써, 64Gb라는 용량에 대한 설명도 가능해집니다. Plane 수가 상당히 늘어나 주변의 회로를 수정했고, 그에 따라 차지하는 면적이 늘어났던거죠. 

 이외에도 Z-NAND의 높은 성능은 SLC라는 점도 있습니다. TLC, QLC에 비해서 덜 강력한 ECC가 필요하다는 것이죠. 강도높은 ECC는 반드시 패널티 시간이 부여되어 지연시간이 늘어날 수 밖에 없습니다. 

 다만, 공식적인 자료도 아니고 이렇게 생각하는 사람도 있다고 넘어가주시면 좋겠습니다. 중요한 것은, Z-NAND가 기존의 NAND에 비해 우수한 성능을 보여주었다는 사실 그 자체이니까요.

 아무튼, 이 Z-NAND만으로 Z-SSD의 성능을 달성할 수 있었을까요? 삼성은 Z-NAND에 대한 비밀은 공개하지 않았지만, Z-SSD의 탄생을 위한 컨트롤러 개선에 대한 노력은 ISSCC 2018에서 일부 밝혔습니다. 그 노력을 살짝 맛보도록 해봅시다.

Idea of Z-SSD - ISSCC 2018

 실제 논문 및 발표를 참고해 진행합니다. 번역 및 요약이라고 생각해주셔도 될 것 같네요.

 Z-NAND의 간략한 사양입니다. t_R이 특히 비교군과 확연하게 차이나는 모습을 보여줍니다. 당장 2025년의 NAND를 생각하더라도 10배 이상의 차이인만큼, Z-NAND의 강점이라고 할 수 있겠죠.

 이러한 Z-NAND의 강점을 살리기 위해 삼성에선 연구를 진행했습니다.

 본격적으로 살펴보기 전에 Read Latency를 정의하는 것부터 시작합시다. 참고로, Conventional SSD는 PM963입니다.

Read latency = t_Host + t_Controller + t_Media + t_Transfer

t_Media = t_R + t_DMA

 NAND의 I/O 속도가 667Mb/s 일 때, 일반적인 t_DMA의 값은 8μs 입니다. 이는 Toggle 2.0이 적용된 V3 TLC 얘기겠죠. 기존처럼 t_R이 45 ~ 60μs라면, t_Meida에서 중요한 요소는 t_R일 것이지만, Z-NAND처럼 t_R이 3μs가 되어버리면 t_DMA가 중요한 요소가 되어버립니다. 

 삼성은 t_DMA를 줄이기 위한 2가지 기술을 제안했습니다.

Split DMA

 Split DMA입니다. 서로 다른 채널에 위치한 두 NAND에서 두 페이지에 접근해 일반적인 4kB가 아닌, 2kB의 데이터를 동시에 전송합니다. 이렇게하면 위 이미지처럼 t_DMA를 절반으로 줄이는 것이 가능합니다.

 일반적인 SSD에서는 PPN(Physical Page Number)이 하나의 물리적인 NAND page를 가리키지만, 이 방식은 두 page를 하나의 PPN으로 관리합니다. 두 개의 NAND channel을 super channel로 결합하면, 기존 방식과 동일한 map table 용량을 유지할 수 있습니다.

 하지만 Split DMA가 마냥 좋은 것은 아닙니다. super channel의 한 쪽만 bad block이 발생하거나, 각 channel의 데이터가 다른 시각에 도착하면 문제가 발생합니다.

 이를 위해서 Split DMA Management Engine이 존재하고, Engine 내부의 Remap Checker가 PBA(Physical Block Address)를 받아 각 channel에 bad block이 있는지 검증합니다. bad block이 있다면 예비로 아껴두던 good block으로 remap을 진행합니다.
 다른 문제였던 데이터의 도착 시각에 대해서도 두 데이터를 한 패킷으로 묶는 방법을 통해 해결했습니다.

Suspend / Resume DMA

 multi-channel와 multi-way 구조를 가진 SSD는 성능을 향상시키기 위해서 여러 작업을 동시에 처리합니다. 데이터 전송의 단위가 늘어날수록 성능은 개선되지만 I/O 전송 속도도 함께 늘어납니다. 
16kB 기준으로 24μs가 소모되는데, 이러한 긴 DMA 시간은 RW 혼합 작업에서 불리합니다. 

 그림과 같이 특정 channel의 Way 0에서 쓰기가 진행 중이라면, 동일 channel의 Way 1에 대한 읽기 요청은 24μs를 대기하고, t_R 이후에 데이터 전송이 가능해집니다. 

 Suspend / resume DMA는 이를 개선합니다. 읽기 요청이 들어오면, 쓰기를 잠깐 멈추고(suspend) 읽기 명령을 보냅니다. 그 이후에 다시 쓰기를 재개(resume)하는거죠. t_R에 한하여 병렬처리한다고 생각하면 좋을 것 같습니다.

 하지만, 이러한 작동에도 switching overhead가 존재합니다. 그렇기에, 각 DMA time의 앞과 끝에는 protection time을 설정하고, 이러한 protection time 동안에는 작업을 suspend하지 않습니다.

Performance

 Z-SSD는 이러한 t_DMA의 개선 뿐만 아니라, t_Controller와 t_Transfer의 개선도 진행되었습니다. 결과물은 아래와 같습니다. 

 PM963, P4800X의 비교군과 더불어 Z-SSD의 성능을 나타내고 있습니다. 여기선 Z-NAND가 아닌 컨트롤러의 개선에 집중한만큼, 기존 컨트롤러와 Z-NAND를 결합시킨 테스트 제품도 비교에 등장합니다.

 PCMark 8 기준으로 P4800X와 유사한 성능을 나타내며, QD1의 4kB RR에선 15μs라는 인상적인 수치를 보여줍니다. QD16으로 들어가면 기존 컨트롤러를 사용한 Z-SSD보다는 39%, P4800X보다는 20% 더 우수한 결과를 보여줍니다.

Future of Z-NAND

 Z-SSD는 당시 성능에 있어서 NAND의 최종진화형을 보여주었다고 해도 과언이 아니었을겁니다.

 앞서 말했듯이 2세대 Z-NAND는 공표되지 않았습니다. 삼성이 해당 사업을 중단한 것이죠. 하지만, FMS 2025에서 삼성은 Z-NAND의 부활을 선언합니다.

 Optane에 대항하여 Z-NAND가 막 태어났던 때와 다르게, 현 시기는 AI의 물살을 타고 있으며, 이에 핵심이 되는 GPU들은 대부분 엔비디아 제품입니다. 그리고 엔비디아가 메모리 업계에 100M IOPS를 요구하고 있다는 것은 공공연한 이야기죠.
 100M IOPS의 달성은 쉽지 않을 것으로 보입니다. 제조사들은 자신만의 방법을 궁리하고 있으며, Z-NAND의 부활을 선언한 것도 이와 같은 맥락일 것입니다.

 강력한 대항마인 Optane은 없어졌지만, 여전히 넘어야할 산은 있습니다.

 대표적인 걸림돌이 바로 XL-FLASH입니다. 삼성이 Z-NAND를 발표하고 좀 지난 뒤, 키오시아는 XL-FLASH를 발표했습니다. Z-NAND처럼 SCM(Storage Class Memory)의 자리를 노리는 SLC NAND입니다. 키오시아는 포기하지 않고 MLC인 2세대 XL-FLASH를 현재 양산 중입니다. 

 왜 이렇게 다른 길을 걸었냐하면, 서로의 전략이 달랐던 것도 하나의 이유일 것입니다.
 삼성은 Z-NAND를 자사 제품에 사용하기 위해서 다른 곳에 판매하지 않았습니다. 하지만 키오시아는 XL-FLASH를 판매했습니다. 자사 제품도 물론 존재하지만, 다른 제조사에서 XL-FLASH를 사용한 SSD가 있습니다. 전부 메이저 NAND 생산사가 아닌, 중국 제조사이지만 말이죠.

 확인되지는 않았지만, 소문으로는 Z-NAND의 재고가 상당히 남아있다고 합니다. 이것이 사실이라면 삼성은 이 악성재고를 처리할 방법을 궁리하고 있겠죠.

 시장에서 더욱 요구되는 성능에 더불어 Z-NAND가 부활에 성공할지, 아니면 이 또한 소리소문 없이 사라져버릴지 궁금합니다. 부활의 때가 온다면, 더욱 어엿한 리뷰어가 된 제가 있다면 좋겠습니다. 그럼 저한테도 리뷰 기회가 돌아오겠죠? 믿고 있다고 삼성!

References

참고한 자료입니다. 다만, 쉽게 구할 수 있더라도 Confidential에 해당되는 문서는 제외했습니다.

• W. Cheong et al., "A Flash Memory Controller for 15μs Ultra-Low-Latency SSD Using High-Speed 3D NAND Flash with 3μs Read Time", ISSCC 2018
• Y. Paik, "Developing Extremely Low-Latency NVMe SSDs", FMS 2017
• J. Choe, "Comparison of Current 3D NAND Chip & Cell Architecture", FMS 2019
• Samsung, "Ultra-Low Latency with Samsung Z-NAND SSD", Samsung Z-NAND SSD Technology Brief
• Samsung, "Samsung NVMe SSD 983 ZET", Product Brief
• Samsung, "Samsung SZ1735a Z-SSD", Product Brief
• Kioxia, "Opening New Doors in the Big Data Era", XL-FLASH Infographic
• Samsung, "Samsung Electronics Sustainability Report 2019"
• Samsung, "Samsung Showcases Industry-leading Flash Technologies to Address Growing Requirements of Storage Systems"
• Samsung, "Samsung Electronics Launches 800-Gigabyte Z-SSD™ for HPC Systems and AI Applications"
• TrendForce, "Inventory Headwinds Weigh on Top 5 Enterprise SSD Vendors in 1Q25; Recovery Expected as AI Demand Grows, Says TrendForce"
• Samsung, "Samsung Unveils Comprehensive Data Center SSD Lineup for SMBs in India"