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(원문)

[기술공학분야 20세기 이후 10대 사건 6] 정보는 담는 그릇, 자기기록장치 인간의 문명은 정보를 저장하고 공유하면서부터 급속히 발전했다. 입에서 입으로 전해지던 정보는 문자가 사용되면서부터 기록으로 전해졌으며, 종이와 인쇄술의 발명에 힘입어 널리 퍼졌다. 자기기록장치의 등장은 이러한 정보 저장의 역사에 커다란 혁명이었다. 첫 자기기록장치는 1898년 발명된 녹음용 텔레그라폰. 이후 영상과 데이터를 기록·저장하는 자기저장장치가 개발됨으로써 현대 정보화 시대가 열렸다. 전자석 원리와 전자기 유도현상을 이용하라 그림 1 자기테이프 판독 원리. 자기기록장치란 한마디로 자기현상을 이용해 정보를 기록하고 재생하는 장치다. 생활주변에는 자기기록을 활용한 물건이 많다. 카세트테이프, 비디오테이프, 하드디스크, 신용카드, 현금카드, 은행통장, 전철승차권, 상점의 도난방지장치 등이 이들이다. 그렇다면 왜 자기기록장치가 널리 쓰이게 됐을까? 첫째는 정보의 기록과 재생이 쉽다는 것이고, 둘째는 자기기록장치의 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 사라지지 않는다는 것이다. 셋째는 자기기록을 위해 소요되는 비용이 상대적으로 저렴하기 때문이다. 지갑을 열고 신용카드를 꺼내보자. 신용카드가 없다면 현금카드도 괜찮다. 카드의 뒷면을 보면 검은 띠가 하나 있다. 이것이 자기테이프로 산화철 등의 자석가루가 발라져 검게 보인다. 카세트테이프나 하드디스크 같은 다른 자기기록매체들도 띠 모양이나 원판 모양의 플라스틱판에 자석가루가 발라져 있다. 그렇다면 이들 자기기록매체에 어떻게 정보를 기록하고, 기록된 정보를 다시 읽어낼 수 있을까? 자기기록매체에는 전자석의 원리와 전자기 유도현상이 이용된다. 기록을 할 때는 전자석 부근에 자기테이프를 지나가게 해 정보를 기록한다. 전류에 의해 생성된 자기장은 전류의 방향에 따라 자기장의 방향도 뒤바뀐다. 이때 자기테이프 표면에 발라진 자석가루가 극을 달리하며 자화된다. 결국 자화된 테이프는 N극과 S극이 엇갈려 있는 미세한 자석의 합이라고 볼 수 있다. 기록된 정보의 재생은 자화된 자기테이프를 전자석 부근에 지나가게 하고, 전자기 유도현상에 따라 발생한 전류를 감지시키면 된다. 이 같은 원리는 거의 모든 자기기록장치에 공통적으로 적용된다. 녹음기로 시작한 자기기록장치  그림 2 발데마르 폴센의 텔레그라폰. 사진제공: 위키피디아 최초의 자기기록장치는 1898년 덴마크의 발데마르 폴센(Valdemar Poulsen, 1869~1938)이 발명한 텔레그라폰이다. 원통에 철사가 촘촘히 감겨있고, 이 철사에 자기로 음성을 기록·재생하는 녹음기다. 테이프리코더의 전신이랄 수 있는 장치로, 파리 만국박람회에 출품해 대상을 받기도 했다. 그러나 폴센의 텔레그라폰은 상품화에는 실패했다. 녹음의 질이 떨어졌을 뿐더러 재생할 때의 진동으로 잡음이 컸다. 게다가 한 시간 녹음을 위해서 수 킬로미터의 철사가 필요했다. 자기테이프는 한참 후인 1928년 독일의 프리츠 플로이머(Fritz Pfleumer, 1881~1945)가 발명했다. 그는 철사 대신 종이테이프에 자석가루를 바르면 좋겠다고 생각했다. 종이로 된 자기테이프는 가볍고, 빨리 감을 수 있으며, 잘라내어 편집할 수 있었다. 그러나 너무 쉽게 찢어진다는 단점이 있었다. 이를 발전시킨 것은 플로이머의 특허를 산 독일의 아에게사(AEG)였다. 1936년에 아에게사는 종이 띠 대신 플라스틱 띠를 사용한 자기테이프로 마그네토폰이라는 녹음기를 선보였다. 이후 자기테이프는 음성 및 영상 기록에 사용되면서 음악과 방송 등 미디어산업의 변혁을 가져왔다. 자기테이프에서 하드디스크로 마그네토폰에 사용된 자기테이프가 녹음용이었다면 데이터 저장장치로 쓰인 첫 자기테이프는 1951년 레밍턴랜드사에서 개발한 유니서보(UNISERVO)다. 유니서보는 IBM에서 상업용으로 판매한 최초의 컴퓨터 유니백(UNIVAC-I)의 기억장치로 사용됐다. 이후 자기테이프는 데이터를 안정적으로 기록?재생하고, 반복적으로 기록이 가능하다는 장점에 힘입어 데이터 저장장치로 각광받았다. 그러나 자기테이프에 저장된 특정 부분의 자료를 재생하려면 그 위치까지 테이프를 감아줘야 해 데이터를 찾기까지 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 그림 3 컴퓨터 내장 방식의 하드디스크. 사진제공 : 삼성전자 이를 개선한 것이 플로피디스크나 하드디스크 같은 원판 형태의 매체다. 자기테이프처럼 자성체 가루가 원판(플래터) 양쪽에 입혀져 있었고, 표면은 수많은 트랙과 섹터로 구분돼 있어 기록과 재생 속도가 매우 빨랐다. 최초의 하드디스크는 IBM이 1956년에 개발한 자기테이프 방식의 RAMAC305이다. 옷장만한 크기에 무게가 1톤에 이르지만 저장용량은 5Mb(메가바이트)에 불과했다. 오늘날 MP3 음악 파일 한 개밖에 저장할 수 없는 용량이다. 1970년대 말에는 IBM이 박막 형태의 자성물질을 이용한 재생헤드를 개발함으로써 하드디스크의 저장용량이 점차 늘었다. 1971년에는 현재와 같은 구조의 하드디스크 IBM3340이 개발됐다. 이때부터 금속재질의 플래터를 사용했기 때문에 단단하다는 의미에서 하드디스크라 불리게 됐다. 하드디스크 대용량의 일등공신 거대자기저항 하드디스크의 저장용량이 현재처럼 획기적으로 늘어난 데에는 두 번의 전환점이 있었다. 첫 번째는 IBM이 1991년 자기저항(Magneto Resistance, MR) 효과를 하드디스크 헤드에 응용하면서부터다. 자기저항이란 강자성체에 자기장을 가하고 전류를 흘려주면 자기장이 없을 때보다 전기저항이 커지는 현상이다. 이는 1850년대에 영국의 물리학자 윌리엄 켈빈(William Kelvin, 1824~1907)이 처음 발견했다. MR 헤드 기술 덕분에 1평방 센티미터 당 1Mb였던 하드디스크 저장용량이 금방 10배로 증가했다. 하지만 MR 하드디스크의 용량 확장은 두 번째 전환점인 GMR 하드디스크의 용량 폭발을 위한 격발 장치에 불과했다. GMR 효과는 2007년 노벨물리학상을 수상한 독일 율리히연구소의 페터 그륀베르크(Peter Grunberg, 1939~) 박사와 프랑스 남파리대학의 알베르 페르(Albert Fert, 1938~) 교수가 1988년에 각각 독립적으로 발견했다. 이들이 발견한 것은 두 강자성층 사이에 금속층을 껴 넣으면(또는 강자성체와 반강자성체를 번갈아 붙인 박막) 외부 자기장의 세기가 조금만 변해도 전기저항이 크게 달라지는 현상으로, 그 저항차가 MR의 수십 배에 달했다. MR 앞에 ‘거대(Giant)’라는 단어를 덧붙여 거대자기저항(Giant Magneto Resistance, GMR)이라 명명한 이유이기도 하다. 자기장의 작은 변화에도 저항이 크게 달라진다는 사실은 그만큼 정밀한 하드디스크 헤드를 만들 수 있다는 뜻이다. GMR 헤드는 두 개의 강자성층 사이에 금속층을 껴 넣은 구조를 사용한다. 이 덕분에 하드디스크에서 1평방 센티미터 당 저장용량이 곧장 100Mb 정도로 높아졌다. 현재는 100배 수준인 10Gb에 이른다. 1997년 IBM이 GMR 헤드를 장착한 하드디스크를 첫 출시한 이래 하드디스크의 용량은 급격히 증가해 테라바이트를 넘게 됐다. 그림 4 GMR 하드 디스크의 헤드 구조. 사진제공 : 과학동아   더 빠르고, 더 큰 용량을 위하여 하드디스크 용량은 엄청나게 증가했지만 여전히 입출력 속도 면에서는 만족스럽지 못하다. 이는 정보를 쓰거나 읽을 때 디스크의 회전과 헤드의 움직임이라는 기계적 과정을 거쳐야하기 때문이다. 과학자들은 하드디스크의 입출력 속도 문제를 해결하기 위해 RAM에 주목했다. RAM에서는 전자의 움직임만을 이용해 정보를 읽고 쓰기 때문에 정보의 입출력 속도가 매우 빠르다. 하지만 RAM은 반도체를 이용하기 때문에 전원이 끊기면 정보가 지워지는 단점이 있고, 제작 공정상의 어려움으로 저장용량을 늘리는 데 한계가 있다. 그림 5 MRAM. 사진제공 : 삼성전자 최근에 과학자들은 RAM의 고속기록재생 속도와 하드디스크의 큰 저장용량의 장점을 모두 가진 ‘유니버설 메모리’를 생각하게 됐다. 유니버설 메모리의 후보 중 가장 유력한 것은 MRAM(Magnetic RAM)이다. MRAM은 GMR에 바탕을 둔 터널링 자기저항 효과를 응용했다. 터널링 자기저항 효과는 두 개의 강자성층 사이에 전기가 통하지 않는 절연층을 끼워넣은 구조에서 나타난다. 한쪽 강자성체에 있는 전자가 양자역학적 현상인 터널링으로 절연층을 통과해 다른 쪽 강자성체로 이동할 때 나타나는 자기저항 효과를 이용하는 것이다. 현재 모토로라와 IBM 같은 기업에서는 수십 Mb 용량의 MRAM 시제품을 제작하고 있다. 아직 몇 가지 해결해야 할 난점이 있지만 전문가들은 수년 내에 MRAM이 실용화될 수 있으리라 기대한다. MRAM이 실용화되면 빠른 기록?재생속도에, 전원이 차단돼도 저장된 정보가 지워지지 않는 큰 용량의 메모리를 얻게 된다. 이는 부피가 작아지고, 부팅 과정이 필요 없는 컴퓨터를 사용할 날이 얼마 남지 않았음을 의미한다. 자기기록장치를 연구하는 과학자들은 지금까지의 성과에 만족하고 있지 않다. 대신 자성 나노선에서 자기 구역의 움직임이나 전자가 가진 스핀이 회전하는 현상 등을 이용해 새로운 자기기록장치를 연구하고 있다. 더 빠르고, 더 용량 큰 자기기록장치의 출현은 먼 일이 아니다.   [용어사전] *박막 기계 가공으로 만들 수 없는 두께 1/1000mm 이하의 막을 통틀어 이르는 말. *강자성 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 자기화된 뒤, 외부 자기장이 사라져도 자기화가 그대로 남아있는 성질. *절연층 전류가 통하지 않는 층. *나노선 1나노미터(1나노는 10억분의 1미터) 정도의 극미세선.

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대용량 데이터 저장장치의 대명사 – 하드 디스크 드라이브

컴퓨터의 주요 역할은 데이터의 연산 및 입출력, 그리고 저장이다. 그 중에서도 데이터의 저장 기능은 작업의 연속성을 유지한다는 측면에서 매우 중요하다. 아무리 훌륭한 콘텐츠를 개발했다 해도 이를 지속적으로 보관해서 사용할 수 없다면 의미가 없다. 이런 이유로 컴퓨터 개발 초기부터 데이터를 안정적으로 보관할 수 있는 장치를 개발하기 위한 노력이 이어졌다.

<초기 컴퓨터에서 사용하던 천공카드는 기록 용량이 작고 보관도 불편했다 <출처 : (cc) Stefan Kühn>>

초창기 컴퓨터에서는 종이에 일정한 패턴의 구멍을 뚫어 데이터를 기록하는 종이 테이프나 천공카드를 주로 사용했다. 하지만 이들은 많은 용량을 기록하기 어려운데다 보관이 불편하다는 단점이 있었다. 그래서 그 대안으로 제시된 것이 자성 물질로 코팅한 플라스틱 테이프를 이용하는 자기 테이프 기록 장치인데, 이는 비교적 대용량이라는 장점이 있었으나 데이터를 읽어 들이는 속도가 너무 느려서 불편했다. 용량이 크면서 속도도 빠른 데이터 저장장치가 절실히 필요한 상황이었다.

4.8MB의 대용량 저장장치, 하드디스크드라이브의 등장

1956년, 미국 IBM사에서 IBM 305 RAMAC이라는 새로운 컴퓨터를 개발했는데, 여기에는 이전에는 볼 수 없던 전혀 새로운 형태의 저장 장치가 달려있었다. 이 장치는 전공카드나 테이프가 아니라 자성 물질로 덮인 플래터(Platter: 금속 디스크)를 여러 장 쌓아 올린 구조를 가지고 있었다. 이 장치는 당시에는 매우 큰 용량이었던 4.8MB의 데이터를 저장할 수 있었으며, 분당 1,200RPM으로 플래터를 회전시키며 고속으로 데이터를 읽거나 쓸 수 있어 화제를 불러일으켰다. 이것이 바로 세계 최초의 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, 이하 HDD)다.

<IBM 305 RAMAC에 적용된 세계 최초의 하드디스크드라이브(1956년) <출처: IBM 홈페이지>>

개발 당초에 이 장치는 자기 디스크 기억장치, 혹은 단순히 디스크 장치로 불리곤 했다. 그리고 1973년에 IBM에서 내놓은 IBM 3340 저장장치의 개발코드명이었던 윈체스터(Winchester)가 유명해지면서 윈체스터 디스크라고 불리기도 했다. 하지만 1980년을 전후해 휴대용 저장 장치인 플로피(Floppy: 부드러운)디스크가 많이 쓰이게 되면서 이와 대비되는 개념으로 하드(Hard: 단단한)디스크라는 용어가 등장, 컴퓨터 내부에 설치되는 대용량 자기 디스크 기반 저장 장치를 지칭하는 일반 명사가 되었다.

표준화, 그리고 대중화의 시작

다만, 개발 초기의 HDD는 기업용, 혹은 국가 기관용 대형 컴퓨터에만 쓰였기 때문에 가격이 자동차 몇 대 수준에 달할 정도로 비쌌으며, 크기도 컸다. IBM 305 RAMAC에 탑재된 최초의 HDD는 지름 24인치(약 60cm) 짜리 플래터 50장으로 구성되어 있어서 장치 전체의 크기가 소형 냉장고나 세탁기와 비슷할 정도였다.

<씨게이트 ST-506의 출시 이후, HDD의 대중화가 시작되었다>

PC(개인용 컴퓨터)에 HDD의 탑재가 일반화 된 것은 1980년에 미국의 씨게이트(Seagate)사가 개발한 ST-506의 출시 이후다. ST-506은 지름 5.25인치(약 13cm)의 플래터를 내장하고 5MB의 용량을 갖추고 있었다. ST-506는 PC에도 내장할 수 있을 정도로 크기가 작았고 가격도 1,500달러 정도로 비교적 저렴한 편이었다. ST-506이 인기를 끌면서 이후에 출시된 타사의 PC용 HDD도 ST-506와 호환되는 기본 설계 및 데이터 입출력 구조를 갖추게 되었고, 이는 HDD의 표준 규격으로 자리잡게 된다.

HDD의 기본적인 동작 원리

HDD는 자성 물질로 덮인 플래터를 회전시키고, 그 위에 헤드(Head)를 접근시켜 플래터 표면의 자기 배열을 변경하는 방식으로 데이터를 읽거나 쓴다. 플래터의 중심에는 플래터를 회전시키기 위한 스핀들 모터(Spindle Motor)가 위치하고 있으며, 스핀들 모터의 회전 속도가 높을수록 보다 빠르게 데이터의 읽기와 쓰기가 가능하다.

<HDD의 내부 구조>

헤드는 직접 플래터와 접촉하지 않고 플래터 표면에 살짝 떠 있는 상태로 데이터를 읽거나 쓰는데, 플래터 표면과 헤드 사이의 여유 공간은 제품에 따라 마이크로미터(100만 분의 1 미터)에서 나노미터 단위(10억 분의 1미터)까지 가기도 한다. 이런 이유로 HDD가 동작하는 도중에는 헤드를 이동시키는 액츄에이터 암(Actuator Arm)의 매우 섬세한 움직임이 요구된다.

그래서 HDD가 한창 동작(회전)하는 도중에 외부 충격이 가해지거나 갑자기 전원이 차단되면 헤드가 플래터의 표면을 긁어 HDD가 고장 나기도 한다. 또한, 자성 물질로 데이터를 기록하는 플래터의 특성 때문에, HDD 주변에 자석이 있으면 기록된 데이터가 파괴되기도 한다.

내 PC에 달린 HDD는 몇 인치?

1980년대까지는 플래터 지름 기준 5.25인치(약 13cm) 규격의 HDD가 시장의 주류를 이루었지만 점차 PC가 소형화됨에 따라 이보다 작은 HDD가 나오게 되었다. 2011년 현재, 시장에서 가장 많이 쓰이는 HDD는 3.5인치(약 9cm) 규격과 2.5인치(약 6.35cm) 규격, 그리고 1.8인치(약 4.5cm) 규격의 제품이다.

<크기에 따른 HDD의 구분>

데스크톱 PC에는 3.5인치 제품이 주로 쓰이며, 노트북 PC에는 주로 2.5인치 제품이, 그리고 일반적인 노트북 PC보다 작은 초소형 PC에는 1.8인치 제품이 쓰이기도 한다. 용량이나 성능(데이터 처리 속도)이 같다면 크기가 작은 규격의 HDD일수록 가격이 비싸다. 소형 HDD는 내부 공간의 한계 때문에 크기는 작으면서 상대적으로 정밀도가 높은 고가의 부품을 쓰는 경우가 많기 때문이다. 그래서 본체 내부 공간의 여유가 많은 데스크톱 PC에 일부러 2.5인치나 1.8인치 HDD를 탑재하는 경우는 거의 없다.

인터페이스(연결 방식)의 차이에 따른 제품의 구분

같은 크기의 HDD라도 인터페이스(Interface), 즉 컴퓨터 메인보드(Mainboard: 주기판)와 연결되는 포트나 케이블의 규격에 따라 종류가 나뉘기도 한다. 따라서 새로운 HDD를 구매하려 한다면 현재 사용 중인 메인보드가 어떤 규격의 인터페이스를 지원하는지 반드시 확인해야 한다. 과거에는 일반 PC용 HDD는 PATA(parallel ATA, 기존의 IDE) 인터페이스를 주로 사용했으나, 현재는 SATA(Serial ATA) 인터페이스가 대부분을 차지한다. 그리고 서버나 워크스테이션 같은 전문가 및 기업용 컴퓨터에서는 SCSI(Small Computer System Interface)나 SAS(Serial Attached SCSI) 인터페이스의 HDD가 쓰이곤 한다.

<PATA 방식(왼쪽)과 SATA 방식>

SCSI나 SAS 규격의 제품은 PATA(기존 IDE)나 SATA 규격 제품에 비해 데이터 안정성이나 데이터 전송 속도가 우수하지만 가격 또한 훨씬 비싸다. 때문에 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 HDD는 대부분 PATA나 SATA 규격 중 한 가지라고 봐도 무방하다. SATA 인터페이스가 처음 발표된 2003년을 기준으로 그보다 이전에 나온 PC는 대부분 PATA, 이후의 PC는 SATA 규격을 HDD를 사용하는 경우가 많다. 만약 PATA와 SATA를 동시에 지원하는 메인보드를 갖춘 PC라면 IDE 보다는 SATA 규격 HDD를 쓰는 것이 성능 면에서 유리하다.

플래터의 회전 속도에 주목해야

같은 규격의 인터페이스를 사용하는 HDD라도 데이터를 읽거나 쓰는 속도가 달라질 수 있다. HDD의 속도를 결정하는 가장 큰 요인은 플래터의 회전 속도다. 2011년 현재, 일반적으로 사용하는 데스크톱 PC용 3.5인치 제품은 분당 7,200RPM, 노트북 PC용 2.5인치 제품은 분당 5,400RPM, 1.8인치 제품은 4,200RPM으로 회전하는 플래터를 탑재한 경우가 많다. 때문에 전반적인 사양이 비슷하더라도 데스크톱 PC가 노트북 PC에 비해 운영체제 부팅이나 프로그램 실행 속도가 더 빠르게 느껴지곤 한다.

회전 속도가 빠른 제품일수록 소비자들의 선호도가 높은 편이지만, 예외적으로 웨스턴디지털(Western Digital)사는 2007년, 회전 속도를 낮춘 대신에 가격 대비 큰 용량과 저소음, 저전력을 강조한 캐비어 그린(Caviar Green)을 내놓아 예상 이상의 인기를 끌기도 했다. 그리고 고성능이 필요한 서버나 워크스테이션용 HDD 중에는 분당 10,000RPM이나 15,000RPM의 사양을 가진 경우도 있는데, 이런 제품은 매우 가격이 비싸서 일반 PC에서는 거의 사용되지 않는다.

HDD의 성능을 결정짓는 또 하나의 요소, 버퍼

인터페이스의 종류나 플래터 회전 속도 차이 외에 HDD의 성능에 많은 영향을 끼치는 또 하나의 요소는 HDD 내에 탑재된 버퍼(buffer) 메모리의 용량이다. 반도체 기반의 장치인 CPU나 램에 비해 자기 디스크 기반의 장치인 HDD는 데이터 처리 속도가 훨씬 느린데, 버퍼 메모리는 CPU나 램(RAM)에서 플래터로 데이터를 전송할 때, 혹은 그 반대의 경우에 그 중간에 위치하여 양쪽 장치의 속도 차이를 줄여주는 역할을 한다. 버퍼 메모리가 크면 클수록 한 번에 더 많은 데이터를 처리할 수 있어서 데이터 전송 능력을 높일 수 있다.

<버퍼는 외부 장치와 HDD 사이의 속도 차이를 줄여주는 역할을 하며, 제조사에 따라서는 임시 저장 공간이라는 의미로 캐시(Cache)라 표기하기도 한다>

HDD와 SSD의 만남?

최근 저장장치 시장에서는 HDD와 비교해 속도가 아주 빠른 SSD(Solid State Drive, 플래시 메모리를 사용한 저장장치)가 떠오르고 있다. 하지만, SSD는 1GB당 가격이 HDD의 5~10배에 이르기 때문에 용량이 큰 파일을 저장하기에는 불리하다.

이런 상황에서 속도와 용량을 모두 만족시키는 제품도 등장했다. 저장장치 하나에 HDD와 SSD의 장점을 모두 담은 셈이다. *대표적인 것이 씨게이트의 SSHD와 웨스턴디지털(이하 WD)의 듀얼 드라이브다. 두 장치의 형태는 비슷하나, 개념은 조금 다르다. SSHD는 기본적으로 HDD 영역에 데이터를 저장하며, SSD 영역에는 자주 쓰는 일부 파일을 복사해서 빠르게 불러오는 방식이다.

<HDD와 SSD의 장점을 결합한 SSHD>

*과거 삼성전자에서도 HHD(Hybrid Hard Disk, 하이브리드 하드 디스크)라는 이름으로 HDD와 SSD가 결합된 저장장치를 선보였지만, 개발을 중단했다.

이와 달리 듀얼 드라이브는 하나의 저장장치에 HDD와 SSD가 각각 독립적으로 존재한다. 즉 PC에 저장장치 하나만 연결해도 두 개의 저장장치를 연결해 사용하는 듯한 효과를 낸다. 노트북처럼 여러 개의 저장장치를 설치하기 어려운 PC 시스템에 어울리는 제품이다. 다만 두 개의 드라이브를 각각 구매하는 것보다 가격이 비싼 편이다.

표기 용량과 실제 용량에 차이가 나는 이유

컴퓨터를 사용하다 보면 운영체제 상에서 표기되는 HDD 용량이 제조사에서 밝힌 제품의 용량보다 적은 것으로 나와서 당황하는 경우가 있다. 이는 HDD 용량 표기방법에 독특한 규칙이 있기 때문이다.

본래 컴퓨터는 2진법으로 데이터 용량을 계산한다. 따라서 1GB라면 1,024MB = 1,024×1024kB = 1,024×1,024×1024byte즉, 10억 7,374만 1,824byte가 돼야 한다. 하지만 디스크 제조사들은 오래 전 플로피 디스크 시절부터 10진법으로 계산한 용량을 표기하는 것을 관행으로 여기고 있다. 따라서 HDD에 표기된 1GB는 1,073,741,824byte가 아닌 1,000,000,000byte에 해당한다. 이 때문에,예를 들어 시중에 판매되는 1TB 용량의 HDD를 설치하면, 윈도우와 같은 운영체제에서는 이를 약 931GB의 HDD가 탑재된 것으로 인식하게 된다.

HDD 제조사 측에서는 자신들의 용량 표기는 엄연히 10진수 표기를 권장하고 있는 국제단위계(SI)의 표준에 부합하는 것이라고 주장하기도 하며, 플로피 디스크 시절부터 관례화 된 것을 이제 와서 바꾸기는 어렵다는 해명을 하기도 한다. 하지만 용량을 최대한 크게 보이게 하기 위한 상술이라는 비판도 만만치 않은 것이 현실이다.

속도의 한계 분명하지만 대용량이 주는 매력 만만치 않아

HDD가 PC의 필수 장치로 자리 잡은지 오래다. 영화나 음악, 게임과 같은 고품질 멀티미디어 콘텐츠를 수월하게 즐길 수 있게 된 것도 대용량의 HDD가 개발된 덕분이다. 다만, 물리적으로 회전하는 디스크를 사용한다는 기본 원리는 개발 당초와 비교해도 크게 달라지지 않았기 때문에 CPU나 램, 그래픽카드와 같은 반도체 기반의 다른 주요 컴퓨터 장치에 비해 데이터 처리 속도가 훨씬 느린 것이 사실이다.

<HDD의 용량은 이미 GB 단위를 넘어 10TB에 이를 정도가 됐다>

특히 속도가 빠르면서 안정적인 SSD가 등장하면서 HDD의 자리를 위협하고 있다. SSD 역시 처음 등장했을 때와 비교하면 가격이 상당히 낮아져, 일반인도 쉽게 접할 수 있는 물건이 됐다. 하지만 HDD와 SSD의 공존은 당분간 계속 될 것으로 보인다. SSD 가격이 낮아지는 만큼, HDD의 저장 용량도 기하급수적으로 늘기 시작했다. SSD가 단일 드라이브로는 구현하기 어려운 TB 단위에 오래 전부터 진입했으며, 최근에는 기술 개선을 통해 10TB에 이르는 HDD까지 등장했다.

속도 면에서 이미 한계를 드러냈다고는 하지만, 대용량의 매력은 여전하기 때문에 HDD는 앞으로도 한동안은 컴퓨터의 주요 부품 중 한 자리를 차지할 것으로 보인다.

(원문)

자기기록 매체

작은 창고에 큰 정보를 넣는다

카세트테이프, 비디오테이프, 플로피디스크, 하드디스크, 전화카드, 전철표, 신용카드에는 모두 자기기록으로 저장된 정보가 있다. 자기 기록은 현대의 정보화혁명을 이끈 일등공신이다. 얇은 디스켓 한장에 수십장의 서류를 담는 작고도 큰 정보창고, 자기기록 매체를 만나보자.대표적인 자기기록 매체들, 5.25인치 플로피디스크, 하드디스크카세트테이프, 비디오테이프, 플로피디스크, 하드디스크, 현금카드, 예금통장, 전화카드, 전철표 등 생활주변의 물품들은 어김없이 자기기록을 이용해 정보가 저장되고 재생된다. 그만큼 자기기록은 생활 속에서 정보가 있는 곳이면 어디든지 있는 정보화사회의 지배자라고 해도 과언이 아니다. 여러번 반복해서 기록과 재생이 가능하고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 저장하면 정보가 안전하고 우수한 음질과 화질을 얻을 수 있기 때문에 오늘날 정보저장 방식 중에서 가장 널리 쓰이고 있다.

속도, 용량, 정확도의 삼박자

자기기록 기술의 발전사는 크게 세가지로 특징지을 수 있다. 첫째 테이프에서 시작해 자기드럼을 거쳐, 플로피디스크 드라이브(FDD)나 하드디스크 드라이브(HDD)와 같은 디스크 타입으로 매체의 형태가 변화했다. 이는 달리 말하면 정보처리 속도가 향상되는 방향으로의 변화다. 둘째 부피는 작아지면서도 오히려 정보 저장 용량은 급속히 증가되는 방향으로의 변화다. 셋째 정보처리 속도가 급속히 증가했음에도 불구하고 기록·재생의 정확성이 꾸준히 향상돼 왔다. 이는 제품의 신뢰성이 향상되는 방향이다. 첫째와 둘째는 기록매체와 기록·재생장치(헤드) 제조기술의 발달에 바탕을 두고 있으며 셋째는 신호처리(아날로그에서 디지털로) 및 구동방식(헤드 구동)의 발달에 바탕을 두고 있다.

자기기록 기술은 크게 ①정보가 저장되는 기록매체 ②정보를 저장하는 기록헤드 ③기록된 정보를 판독하는 재생헤드로 이루어진다. 기록매체로는 테이프와 디스크, 카드 등이 있는데, 이들은 각각 자기정보를 기록할 수 있는 산화물 또는 금속 자성물질을 테이프나 디스크, 플라스틱 또는 종이에 도포해서 만든다. 기록헤드와 재생헤드는 일반적으로 고리모양을 한 자기철심에 머리카락 굵기의 가는 전선을 코일로 감아 만든 전자석을 사용한다. 최근에는 박막 형태로 전자석을 만든 박막헤드나 자기저항 헤드가 기록헤드와 재생헤드로 쓰인다.

기록은 전자석, 저장은 영구자석

자기기록이란 한마디로 영구자석으로 정보를 보존하고, 전자석으로 기록·재생하는 것이다. 철은 자석에 근접하거나 전류가 흐르는 코일 안에 놓이게 되면 자석이 된다. 철바늘에 자석을 붙였다 떼면 바늘이 약한 자석이 되는 것이 그 예이다. 자기기록 매체에 정보를 기록하는 것은 철바늘이 영구자석으로 변하는 현상을 이용한 것이다. 전자석은 자기장의 방향과 세기를 변화시킬 수 있다. 전자석(기록헤드)으로 자기장의 방향을 바꾸어주면서 기록매체에 N 또는 S극을 형성시켜 정보를 저장하는 것이다.

재생헤드는 기록헤드의 원리를 반대로 적용해 유도전류의 발생을 이용한 것이다. 코일에 자석을 넣었다 뺐다 하면 유도전류가 생기고, 이때의 전류는 자석이 움직이는 속도에 비례하는 성질이 있다. 기록매체 표면의 N 또는 S극으로부터 발생한 자기장은 재생헤드에 전달되는데 헤드에 전달되는 자기장의 시간변화율에 비례해 전기신호가 발생한다. 근래 쓰이는 자기저항 헤드는 전달되는 자기장의 세기에 비례해 전기신호가 발생한다. 자기장의 시간변화율이나 세기로부터 발생한 전기신호를 해석하면 기록된 정보가 재생되는 것이다.

테이프에서 디스크로

녹음 테이프의 경우, 중간에 녹음된 곡을 듣기 위해서는 원하는 위치까지 테이프를 감아주어야는 불편한 점이 있다. 비디오테이프도 마찬가지이다. 초기의 컴퓨터에서도 테이프를 이용해 데이터 입출력을 했는데, 처리속도를 생명으로 하는 컴퓨터에서 이렇게 낭비되는 시간이 생기는 것은 치명적이었다. 이러한 약점을 극복하기 위해 원하는 데이터의 위치를 바로 찾아가서 재생할 수 있는 방식으로 발전한 것이 곧 디스크(FDD, HDD) 형태의 매체이다. 디스크는 표면을 트랙과 섹터로 구성된 수많은 구역으로 나누어 정보를 처리함으로써 테이프에 비해 정보처리속도를 월등히 향상시킬 수 있었다.

한편 녹음 테이프의 경우 두줄의 트랙을 형성해 좌우에 정보를 기록하는데, 이 트랙을 여러개 두고 다중으로 정보를 기록하면 보다 많은 양의 정보를 저장할 수 있다. 그러나 이를 위해서는 복잡한 구조의 헤드가 필요하고 신호 처리 회로도 복잡해지므로 방송용을 제외한 테이프 리코더에는 채택되지 않았다. 그 대신 가정용 비디오테이프의 경우에는 소량의 테이프에 다량의 영상정보를 담기 위해 테이프에 비스듬히 정보를 기록하는 방식으로 정보용량을 늘렸다.

저장용량을 늘리기 위한 효과적인 방법은 정보를 저장하는 매체 표면의 영구자석 크기를 가능한 한 작게 만드는 것이다. 작은 영구자석을 매체 표면에 심기 위해서는 우선 자성물질 입자의 크기가 작아져야 하며 자성물질 입자들간의 간섭(상호작용)을 최소화해야 한다. 입자 크기가 큰 산화물 재료를 도포해 만든 테이프는 가장 흔한 것으로 일반 음악 녹음용으로 쓰이고 있다. 보다 많은 정보를 담아야 하는 비디오테이프용으로는 입자가 작은 금속분말 도포 테이프(메탈 테이프)가 쓰인다. 보다 더 높은 기록밀도가 요구되는 하드디스크에는 입자 크기를 초미세화하고 입자들간의 상호작용을 최소화한 코발트-크롬계 합금박막이 널리 쓰이고 있다.

보다 작은 자석을 향하여

데스크탑 컴퓨터용 2GB HDD에는 1GB짜리 3.5인치 디스크 2장이 들어 있다. 디스크 1장당 1GB의 저장용량을 만들려면 폭이 3㎛이고 길이가 0.3㎛인 크기로 자석을 심어야 한다. 그런데 HDD 발전 추세로 보아 3년 후면 20GB HDD가 등장하게 될 것이라고 한다. 이는 기록밀도가 지금보다 10배 증가하는 셈이므로 자석의 크기가 다시 현재의 10분의 1로 작아져야 한다. 과연 폭 0.8㎛, 길이 0.1㎛의 크기로 자석을 심는 것이 3년 내에 가능할까?

이렇게 작은 자석을 디스크 표면에 심기 위해서는 반도체 기술보다도 더 어려운 기술로 기록헤드를 만들어야 하고, 작은 자석으로부터 나오는 신호를 감지할 수 있도록 신소재 거대자기저항 헤드(재생 전용 헤드)를 이용해야 한다.

아직까지 명확한 답이 주어져 있지 않지만, 자기기록 용량의 한계는 약 1백GB로 예측되고 있다. 이것은 0.25㎛의 폭과 0.04㎛의 길이를 갖는 초미세 자석을 디스크에 심을 수 있는 능력을 의미한다. 자석의 크기가 이 정도로 작아지면 자기력의 세기가 약해져 온도가 약간만 올라가도 자석의 방향이 바뀔 수 있다. 실제로 이 정도의 기록밀도에서 동작하는 HDD 내부 온도는 약 1백℃까지 올라가게 돼 매우 난감한 문제가 발생한다. 따라서 작은 크기에서도 안정성이 좋은 영구자석 재료를 개발하는 것이 자기기록의 미래에 중요한 과제로 부상하고 있다.

또한 자석의 크기에 맞추어 헤드의 크기도 작아져야 함은 물론이다. 이 또한 현재의 반도체 제조기술보다 훨씬 어려운 기술이므로 1백GB 용량의 실현은 결코 쉽지 않을 것이다. 그러나 지금까지의 자기기록 기술 발달 속도로 판단할 때 앞으로 10년 이내에 가능여부가 결론날 것으로 보인다.

https://news.joins.com/article/22760885

음악·영상 재생 깨끗한 디지털, 2진수 반올림의 마법 덕

우리가 요즘 사용하는 디지털 음악과 사진은 계속 복사해도 깨끗하다. 과거에 아날로그 비디오테이프에 녹화된 영상이 몇 차례만 복사하면 흐릿하게 되는 것을 경험한 우리에게는 놀라운 일이다. 지금도 복사기에 사진이나 서류를 반복해 복사하면 그림이 뭉개진다. 복사기는 아날로그 방식이기 때문이다. 이러한 디지털과 아날로그의 차이는 어디서 오는 것인가?

음악이나 영상을 디지털로 처리할 수 있게 해 주는 것은 결국 인간의 특성 때문이다. 인간의 정보처리 능력은 그다지 빠르지 않고 정확하지도 않다. 에디슨이 발명한 영화의 기본원리가 바로 여기서 출발한다. 인간은 1초에 약 24장의 사진을 연속으로 보여 주면, 그것들을 연결된 영상으로 인식하게 된다. 분명히 사진들 사이에 빈틈이 있지만, 이를 인식하지 못하는 것이다.

이것은 인간의 신경정보처리 시스템의 특성에 기인한다. 정보처리는 신경세포에서 전하를 띤 칼륨과 나트륨 이온이 이동하면서 이루어진다. 다시 말해서 이 같은 화학 작용에 걸리는 시간이 24분의 1초면 그것을 알아차리지 못한다.

이러한 특성 때문에 우리는 음악이나 사진을 기록하고 재생할 때 연속된 모든 정보를 저장할 필요 없이 1초에 24개 이상의 정보만 기록하고 재생해 주면 된다.

1초에 24개 데이터만 보여줘도 충분

[그래픽=이정권 기자 gaga@joongang.co.kr]

아날로그란 연속적인 측정값을 말한다. 자연계에 존재하는 모든 신호는 연속적이다. 그래서 아날로그 데이터 처리는 세상에 있는 사물을 ‘있는 그대로’ 표현하는 방식이다. 음성과 영상을 있는 그대로 표현한다. 그런데 이것을 전송할 때 문제가 생긴다. 데이터를 처리할 때는 항상 오류가 개입되는데, 아날로그 데이터 처리는 이 오류까지도 그대로 표현한다. 그래서 한 번 개입된 오류가 계속 누적되어 나중에는 큰 차이를 만들게 된다. ‘있는 그대로’ 표현하다 보니 앞 단계에서 개입된 오류도 그대로 표현한다.

음성을 기록하고 재생하는 간단한 예를 설명해 본다. <그림 1>의 (A)는 음성을 아날로그 방식으로 연속 측정 표현한 그림이다. 일반적으로 데이터는 저장하면 오류가 생길 수 있다. 그림 (B)는 저장된 데이터에 약간의 오류가 생긴 것을 보여 준다. 이것을 다시 복사, 저장했을 때 또다시 오류가 발생해 그림 (C)처럼 오류가 커졌다고 생각해 보자. 이처럼 여러 차례 반복하면 오류가 누적 증폭되어 많은 변형이 생길 수 있다.

디지털은 연속적이지 않은 숫자로 표현한 것을 말한다. 연속적인 것을 그대로 표현하려면 그림이나 그래프로 표현해야 한다. 그러나 숫자로 표현하기 위해서는 신호를 중간중간에 끊어서 일부만 표시할 수밖에 없다. 다시 말해서 일부 값만 측정 기록해야 한다. 그래서 디지털 방식은 자연적이지 않다. 전체 중에서 일부만 뽑는 것을 샘플링이라 부른다. 앞에서 살펴봤듯이, 인간은 1초에 24개 값만 보여 주면, 차이를 구분하지 못한다. 그래서 일반적으로 1초에 24개 이상의 데이터를 균일한 간격으로 뽑아서 측정 기록한다.

앞에서 아날로그 방식으로 데이터를 처리하니 오류가 누적돼 커지는 것을 보았다. 디지털 방식은 이러한 오류의 누적 증폭을 예방해 준다. <그림 2>는 측정한 음성 신호를 디지털로 처리하는 과정을 보여 준다. 디지털 신호처리는 신호의 디지털화, 2진수 변환, 저장, 읽기의 단계를 거친다. 반복해 저장할 때는 그럼처럼 읽기를 한 다음에 다시 저장하게 된다.

오류가 0.5 볼트 넘으면 복원 안 돼

<그림 3>은 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정을 보여 준다. 아날로그 데이터를 일정한 간격으로 끊어서 숫자로 표현한다. 그림에서는 연속된 신호가 10진수 숫자(6754589…)로 변환됐다. 다음 단계는 <그림 4>처럼 디지털 값을 2진수로 변환하는 과정이다. 여기에서는 10진수 (6754)가 2진수 (0110 0111 0101 0100)로 바뀌었다.

<그림 5>는 2진수로 변환된 데이터(1011)를 반복하여 저장하고 읽는 과정을 보여 준다. (A)는 초깃값(1011)을 전압의 차이로 보여 주고 있다. 여기서는 전압 차이로 데이터를 저장한다고 가정한다. 1볼트는 1을 나타내고, 0볼트는 0을 나타낸다.

그림 (B)는 데이터가 저장장치에 저장된 상태를 보여 준다. 세 번째 숫자 1을 나타내는 전압이 0.8볼트로 저장되어 있다. 실제로 데이터 (0, 1)를 전기 장치에 저장하면 약간의 오류가 발생한다. 1을 표현하기 위해서는 정확히 1볼트가 되어야 하는데, 실제는 그렇지 않을 수가 있다. 우리가 서류나 사진을 복사기에서 복사하면 글자나 선들이 조금씩 변형되는 것과 마찬가지다.

<그림 5>의 (C)는 저장된 데이터를 읽은 경우를 보여 준다. 데이터를 읽을 때는 2진수로 바꾸기 위하여 0.5에서 반올림한다. 그림에서 보듯이 반올림하니 다시 초깃값으로 원위치 됐다. 그래서 그림은 저장할 때는 오류가 있었지만, 이를 반올림하여 원래 데이터를 회복한 모습을 보인다. 이것은 일반적으로 오류가 크지 않기 때문이다. 만약에 오류가 0.5 볼트 이상이 되면, 이처럼 초깃값이 복원되지 않는다.

<그림 5>의 (D)는 또다시 데이터를 저장한 모습을 보인다. 두 번째 저장할 때 사용하는 데이터는 앞에서 반올림하여 원상 복구됐던 값들이다. 즉 초깃값 (1011) 그대로다. 앞 단계에서 발생했던 오류는 남아 있지 않다. 하지만 여기서도 새로운 오류는 발생할 수 있다. 그림 (D)는 그러한 모습을 보여 주고 있다. 이때에도 데이터를 읽을 때는 반올림하는데, 그러면 그림 (E)처럼 초기 데이터로 복원된다.

이제 알았다. 모든 데이터 처리에는 오류가 개입된다. 아날로그 처리는 신호를 ‘있는 그대로’ 저장하기 때문에, 반복 저장하면 오류가 누적 증폭된다. 디지털 처리에서는 매번 반올림하여 초깃값을 되찾는다. 매번 초깃값을 되찾기 때문에, 반복 저장해도 결국 초깃값이 유지된다.