- 일반적으로 컴퓨터에는 두 가지 저장 장치가 있습니다. 하나는 CPU가 작업 중 데이터를 잠시 보관하며 처리하는 메모리이고, 다른 하나는 데이터를 영구적으로 담아두는 저장장치이죠. 오늘 이야기할 주제는 그중 후자인 저장장치에 관한 역사입니다.

- 기술을 발전을 소비자가 가장 빨리, 많이 체감하는 부분은 저장 장치가 아닐까 싶습니다. 700MB의 공CD를 2~3천원에 사서 쓰던게 기억이 나는데, 지금은 2TB SSD 외장하드를 15만원 정도에 살 수 있죠.

*이 글은 한국기계산업진흥회에서 발행하는 KOAMI Insight 매거진에 기고한 내용을 바탕으로 작성되었습니다.



Fig.1 IBM의 시작은 OMR 카드



최초의 컴퓨터 정보 저장 매체는 종이였습니다. 컴퓨터가 발명되기 이전인 1800년대, 자카드 방직기는 천공카드를 읽어 씨실의 위치를 제어함으로써 직물의 패턴을 만들 수 있었죠. 이 기술은 최초로 컴퓨터를 제작한 찰스 배비지Charles Babbage 에게 큰 영감을 주었습니다. 배비지는 자카드 방직기를 바탕으로, 컴퓨터의 정보 저장 매체로 종이를 사용하는 개념을 고안했죠. 그는 계산 프로그램과 데이터를 천공카드로 제공하는 아이디어를 구체화하면서 ‘분석 기관Analytical Engine’이라는 기계를 설계했지만, 재정적인 문제로 인해 부분적인 프로토타입만 완성할 수 있었습니다.




펀치 카드는 이후 1880년대에 다시 주목을 받았죠. 허먼 홀러리스Herman Hollerith 는 천공카드의 구멍을 전기적으로 감지하는 메커니즘을 발명했습니다. 당시 미국 인구 조사국은 10년마다 실시되는 인구 조사 결과를 집계하는 데 거의 10년이 걸리고 있었는데, 이를 해결하기 위해 공모전을 열었고, 그 공모전에서 홀러리스의 아이디어가 채택되었죠. 그의 집계 기계는 1890년 인구 조사에서 사용되어, 단 18개월 만에 집계를 완료했습니다.

이후 홀러리스는 탭뷸레이팅 머신 컴퍼니Tabulating Machine Company 를 설립하고, 전 세계 인구 조사국과 보험사에 기계를 임대하는 사업을 전개했죠. 이 회사는 훗날 IBM으로 성장하게 되었습니다.

홀러리스는 24열 12행의 천공카드를 시작으로 다양한 형태의 카드를 제작했으며, 그중 80열 24행의 카드는 1950년대까지 사용되었죠. 이후 다른 저장 장치들이 등장했음에도 불구하고, 펀치 카드는 관리의 용이성과 기존 시스템과의 뛰어난 호환성 덕분에 1980년대 중반까지도 널리 활용되었습니다.



Fig.2 테이프 vs 디스크



두 번째로 등장한 컴퓨터 정보 저장 매체는 자기 테이프였죠. 원래는 소리를 기록하기 위해 1888년 오벌린 스미스Oberlin Smith 가 고안했던 자기 테이프는, 1950년대부터 컴퓨터 저장 장치로 활용되기 시작했습니다. 1951년에는 UNIVAC I이 0.5인치 너비의 테이프 8개 트랙을 사용해 초당 7,200개의 문자를 처리할 수 있었죠. 이어 1953년, IBM이 출시한 IBM 727 자기 테이프 유닛은 진공관 컴퓨터 시스템의 표준 테이프 드라이브로 자리 잡았습니다.

더 많은 데이터를 효율적으로 저장하기 위해, 테이프 카트리지를 자동으로 관리하는 테이프 라이브러리 기계도 개발되었죠. 대표적으로 1974년의 IBM 3850 대용량 저장 시스템은 최대 9,440개의 자기 테이프 카트리지를 저장할 수 있었으며, 총 472GB의 용량을 제공했습니다. 이 시스템은 테이프 카트리지와 IBM 3330 자기 디스크 간의 자동 계층적 저장 관리 기능도 구현했죠.

하지만 자기 테이프는 순차적으로 정보를 처리하기 때문에, 특정 위치에 접근하려면 테이프를 감아야 하는 단점이 있었습니다. 




뒤이어 등장한 저장 장치는 하드 드라이브 디스크였죠. 하드 드라이브 디스크(HDD)의 역사는 1956년, IBM 305 RAMAC 컴퓨터에 장착된 디스크 파일에서 시작되었습니다. 이 저장 매체는 레이놀드 존슨Reynold B. Johnson 이 이끄는 IBM 팀이 개발했으며, 24인치(약 61cm) 크기의 알루미늄 디스크 50장으로 구성되어 있었죠. 무게는 무려 971kg에 달했고, 저장 용량은 5MB에 불과했습니다. 가격은 3,200달러로, 오늘날 가치로 환산하면 약 3천5백만 원 정도였죠.

순차적으로 정보를 처리하는 자기 테이프와 달리, 무작위 접근이 가능한 자기 디스크는 점차 저장 장치의 주류로 자리 잡았습니다. 초기 하드디스크는 정보를 기록하고 읽는 헤드가 원하는 디스크 위치로 이동하면서 작동했는데, 이때 헤드가 움직이는 데 시간이 걸리는 문제가 있었죠. 이 문제를 해결하기 위해 1961년 IBM 1301이 출시되었습니다. 이 모델은 각각의 디스크 앞뒷면에 헤드를 하나씩 추가해 처리 속도를 높였고, 디스크 표면을 따라 정밀하게 움직이는 방식으로 데이터 밀도를 크게 향상시키는 데 성공했죠.

저장 용량과 장치 크기는 시간이 지남에 따라 꾸준히 개선되었습니다. Bryant Computer Products에서는 저장 용량을 205MB까지 확장하는 데 성공했고, 1973년 IBM이 출시한 3340 ‘윈체스터’ 모델은 30MB의 저장 용량을 자랑했죠. 이전보다 크기와 가격이 크게 줄어들었다고는 했지만, 여전히 캐비닛 크기였기 때문에 일반 가정이 아닌 사무실에서나 겨우 사용할 수 있었던 수준이었습니다.



Fig.3 시게이트가 달성한 특이점



크기와 가격 면에서 진정한 혁신은 1980년에 일어났죠. IBM 출신의 앨런 슈거트Alan Shugart 가 설립한 시게이트 테크놀로지Seagate Technology 가 5.25인치 디스크에 5MB의 용량을 담은 ST-506을 발표한 것이었습니다. 이 제품은 1,500달러(오늘날 가치로 약 500만 원)에 판매되었고, 소형화와 저렴한 가격을 강점으로 내세우며 마이크로컴퓨터 시장을 빠르게 장악했죠. 이를 계기로 HDD의 대중화가 본격적으로 시작되었습니다.

같은 시기에는 여러 디스크를 결합해 대용량 저장 장치를 만드는 ‘디스크 배열’이라는 아이디어도 확산되었죠. 작은 디스크 드라이브 여러 개를 결합해 대용량과 높은 처리량을 저비용으로 달성하려는 시도였습니다. 1990년대에 들어서면서는, 데이터 센터에서 1,000개 이상의 디스크를 사용하는 고급 배열도 등장했죠. 이 과정에서 RAID(저렴한 디스크의 중복 배열) 기술이 주목받으며, 데이터의 안전성과 성능을 모두 고려한 저장 방식이 자리 잡게 되었습니다.

1990년대는 하드디스크 저장 용량이 비약적으로 증가한 시기이기도 했습니다. 여기에는 두 차례의 기술 혁신이 있었죠. 첫 번째는 1991년, 하드디스크 헤드에 자기저항Magneto Resistive, MR 효과를 응용하기 시작하면서부터였습니다. 자기저항이란 강자성체에 자기장을 가하고 전류를 흘릴 때, 자기장이 없을 때보다 전기저항이 증가하는 현상을 말하죠. 전기저항이 커지면 더 작은 자화 영역의 자기장을 감지할 수 있기 때문에, 동일한 면적에 더 많은 데이터를 기록할 수 있었습니다. MR 헤드 기술 덕분에 하드디스크의 데이터 저장 밀도는 1평방 센티미터당 1MB에서 10MB로, 단숨에 10배나 증가했죠.

두 번째 혁신은 1997년에 일어났습니다. IBM이 거대자기저항Giant Magneto Resistive, GMR 헤드를 장착한 하드디스크를 출시한 것이었죠. GMR 헤드는 두 개의 강자성층 사이에 비강자성 금속층을 삽입한 구조로 되어 있는데, 이 구조는 외부 자기장의 세기가 약간만 변해도 전기저항이 크게 달라지는 특성을 지녔습니다. 이 저항 변화는 기존 MR 효과보다 수십 배 크며, 데이터 판독의 정확성과 효율성을 획기적으로 향상시켰죠.



Fig.4 휴대용 저장 장치의 등장



하드 디스크가 널리 사용되고 있었지만, 당시만 해도 데이터 입출력과 소프트웨어 제공에는 여전히 천공카드를 사용하는 경우가 대부분이였습니다. 대표적인 예로, 1975년 출시된 마이크로소프트의 Altair BASIC은 천공카드 형태로 제공되었었죠. 이러한 상황을 대체하기 위해 IBM은 1971년에 자기 테이프를 대신할 작고 저렴한 저장 장치를 발표합니다. 바로 LP판을 연상시키는 거대한 크기의 8인치 플로피 디스크였습니다. 이 디스크는 약 3,000장의 천공카드 분량에 해당하는 80KB의 용량을 제공했죠.

5.25인치 HDD를 최초로 발명한 시게이트의 앨런 슈거트는 시게이트를 창립하기 전, 슈거트 어소시에이츠Shugart Associates 라는 회사를 운영하고 있었습니다. 이곳에서 그는 1976년에 5.25인치 플로피 디스크인 SA400을 발표했죠. 초기 모델의 용량은 110KB였으며, 8인치 디스크보다 크기가 작아져 실용성이 크게 높아졌습니다.

이어 1981년에는 소니가 3.5인치 플로피 디스크를 출시했죠. 이 매체는 헤드 윈도에 금속 보호캠이 있어 데이터 보존력이 뛰어났고, 용량도 1.44MB에 달했습니다. 이는 당시 컴퓨터 환경에서 상당히 큰 용량이었으며, 그 결과 3.5인치 플로피 디스크는 빠르게 5.25인치 모델을 대체하며 시장의 주류로 자리 잡게 되었죠.

무엇보다도 플로피 디스크는 소프트웨어 산업을 본격적으로 등장시키는 데 결정적인 역할을 했습니다. 플로피 디스크가 등장하기 전까지만 해도, 소프트웨어를 별도로 구매한다는 개념 자체가 희박했죠. 퍼스널 컴퓨터가 대중화되던 시기, 플로피 디스크는 소프트웨어를 담아 판매하는 주요 수단으로 자리 잡았고, 이로 인해 소프트웨어 시장이 본격적으로 성장할 수 있었죠.

플로피 디스크는 1990년대까지도 활발히 사용되었지만, 정전기에 의해 데이터가 쉽게 훼손될 수 있다는 약점이 있었고, 결정적으로는 CD가 700MB라는 압도적인 용량으로 등장하면서 경쟁력을 잃고 말았습니다.



Fig.5 CD에서 블루레이까지



자기 디스크는 오랫동안 데이터 저장의 핵심 기술로 자리 잡았지만, 광학 디스크의 등장으로 저장 기술은 새로운 전환점을 맞이했죠. 광학 디스크의 기원은 1958년, 데이비드 폴 그레그David Paul Gregg 로부터 시작되었습니다. 그레그는 기존의 자기 기록 방식 대신, 빛의 반사를 이용해 데이터를 읽는 방식을 고안했죠. 이 기술은 디스크 표면에 미세한 홈을 새겨 정보를 기록하고, 레이저를 사용해 그 정보를 판독하는 초기 형태의 광 디스크였습니다.

그는 1963년에, 몇 분 분량의 비디오를 광학 디스크에 저장할 수 있는 비디오 디스크 카메라를 발명했죠. 이 발명은 이후 CD, DVD, 블루레이 디스크로 이어지는 광학 저장 기술의 토대가 되었습니다.



1980년, MCA와 필립스Philips 의 협력으로 ‘디스코비전Discovision’이라는 이름의 레이저디스크가 출시되었죠. 미국 최초의 레이저디스크에는 영화 죠스Jaws 가 수록되며 소비자들의 관심을 불러일으켰습니다. 레이저디스크는 뛰어난 오디오 및 비디오 품질을 자랑했지만, 레이저디스크 플레이어의 높은 가격과 아직은 풍부하지 않았던 콘텐츠 때문에 대중화되지는 못했죠.

이후 광학 디스크는 CD, DVD, 블루레이 디스크로 발전하면서, 음성 및 영상 콘텐츠는 물론 소프트웨어 배포의 표준 매체로 자리 잡았습니다. 광학 매체는 사용이 간편하고 제조 비용이 저렴하다는 장점이 있었지만, 기록 밀도가 자기 테이프보다 낮다는 한계도 있었죠. 게다가 2000년대 이후, 광대역 네트워크와 스트리밍 서비스의 확산으로 디지털 콘텐츠의 온라인 전환이 가속화되면서, CD와 DVD의 활용도는 점차 줄어들었습니다.



Fig.6 도시바가 개발한 SSD

솔리드 스테이트 드라이브(SSD)는 하드 디스크 드라이브(HDD)와 달리, 움직이는 부품 없이 반도체 기반의 집적회로를 사용해 데이터를 저장하는 장치였죠. SSD의 역사는 1960년대, 반도체 기술이 발전하면서 저장장치를 반도체로 만들려는 시도에서 시작되었습니다.

1967년, 벨 연구소의 강대원과 사이먼 민 스제Simon Min Sze 가 개발한 플로팅 게이트 MOSFET(FGMOS)은 반도체 메모리 기술의 기반을 마련했죠. FGMOS는 기존 MOSFET 구조에 금속 전극층을 추가한 형태로, 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 일반 MOSFET과 달리 데이터를 계속 유지할 수 있는 특징이 있었습니다. 하지만 이 기술은 당시 기준으로 지나치게 복잡하고 제작 비용도 높았기 때문에, 군사 장비나 실험용 휴대전화처럼 특수한 용도에서만 활용되었죠.

1980년, 도시바의 마스오카 후지오Fujio Masuoka 는 FGMOS를 기반으로 플래시 메모리를 개발하면서 SSD 기술의 기초를 확립했습니다. 플래시 메모리는 전원이 꺼져도 데이터를 유지할 수 있었고, 데이터를 빠르게 지우고 다시 쓸 수 있는 간단한 구조로 주목을 받았죠. ‘플래시’라는 이름은 데이터를 지우는 과정이 카메라 플래시처럼 순간적으로 이루어진다는 데서 유래했습니다.

플래시 메모리는 읽기 및 쓰기 속도가 기존 메모리보다는 느렸지만, 소자 미세화에 유리해 대용량 저장 장치로 적합했죠. 무엇보다 2000년대에 이르러, 이동식 USB 드라이브와 SD 카드 같은 다양한 형태로 발전하며 디지털카메라와 휴대폰 등 모바일 기기에 폭넓게 사용되기 시작했습니다.





컴퓨터용 SSD는 1990년대에 본격적으로 상용화되기 시작했죠. 1988년, 엘리 하라리Eli Harari 는 디지털 카메라용 플래시 기술을 개발하기 위해 SunDisk(현 SanDisk)를 설립하고, 플래시 기반 SSD에 대한 특허를 등록했습니다. 이어 1991년에는 IBM을 위해 용량 20MB, 가격 1,000달러의 2.5인치 SSD를 생산했죠. 당시 이 제품은 용량이 작고 가격이 비쌌지만, SSD가 HDD의 대안이 될 수 있다는 가능성을 보여준 사례였습니다. 이후 2006년, 삼성은 SSD를 탑재한 최초의 대량 생산 노트북을 출시하며 SSD의 대중화를 주도했죠. 이때부터 SSD는 점차 고성능 저장 장치로 자리 잡기 시작했습니다.

2010년대 후반에 이르러, SSD는 HDD보다 더 큰 용량과 빠른 읽기·쓰기 속도를 제공하기 시작했고, 가격 하락과 함께 본격적으로 대중화되었죠. 그러나 소자 간 간섭 현상으로 인해 반도체 미세화에는 한계가 생기기 시작했습니다. 이를 해결하기 위해 트랜지스터를 수직으로 쌓는 3D 낸드 플래시 기술이 도입되었죠. 현재는 200단 이상의 적층이 가능해지면서, SSD의 용량은 계속해서 증가하고 있습니다.



Reference.
- K. Goda and M. Kitsuregawa. (2012). "The History of Storage Systems," in Proceedings of the IEEE, vol. 100, no. Special Centennial Issue, pp. 1433-1440.