NAND Copyback Command 란 무엇인가

오늘날 우리가 사용하는 스마트폰, SSD, USB 메모리 등 대부분의 저장장치는 NAND Flash 기술을 기반으로 합니다. NAND Flash는 가격 대비 저장 용량이 크고 대량 생산이 가능하다는 장점을 바탕으로 다양한 분야에서 널리 사용되고 있지요. 이 NAND 구조를 자세히 들여다보면, Copyback Command(카피백 명령) 같은 특별한 기능들이 존재합니다. 보통 우리가 생각하는 “데이터를 읽어서 -> 수정(또는 바로) -> 다른 페이지에 쓴다”라는 과정을 단순화하여, 내부적으로 빠르고 효율적으로 데이터를 복사해주는 기능이 바로 NAND Copyback입니다.

이번 글에서는 NAND Copyback 기능이 구체적으로 어떤 것인지, 왜 필요한지, 그리고 실제 구현 시 고려할 점과 함께 Wear-Leveling, Bad Block 처리, ECC와의 관계 등을 심층적으로 살펴보겠습니다.

네이버 백과사전 / 사전 : NAND FLASH

1. NAND Flash 개요

1.1 NAND Flash의 구조

NAND Flash는 일반적으로 여러 개의 **블록(Block)**으로 구성되며, 각 블록은 여러 **페이지(Page)**로 세분화됩니다. 페이지는 NAND에서 최소 쓰기 단위로 사용되고, 블록은 여러 페이지가 모인 집합으로서 최소 지우기(Erase) 단위가 됩니다.

페이지(Page): 보통 수 KB 단위(예: 2KB, 4KB, 8KB 등)
블록(Block): 여러 페이지(예: 64, 128, 256페이지 등)가 모여 형성

이러한 구조적 특성 때문에, NAND에서는 데이터를 쓸 때 반드시 “빈 페이지”에만 쓸 수 있고, 예전에 사용했던 페이지를 재사용하려면 해당 블록 전체를 지워야 하는 제약이 있습니다.

1.2 Wear-Leveling과 Bad Block 개념

NAND Flash는 쓰기를 반복할수록 셀(cell) 특성이 조금씩 열화됩니다. 특정 블록에 쓰기/지우기 횟수가 너무 많이 집중되면 그 블록은 수명이 다른 블록보다 빨리 소진될 수 있죠. 이러한 불균형을 막기 위해 Wear-Leveling 기법을 사용합니다. 즉, 자주 쓰이는 블록을 비교적 덜 쓰인 블록과 교체해 전체적으로 균일하게 ‘마모(Wear)’를 분산시키는 방식입니다.
또한 출하 시점부터 물리적으로 손상되었거나, 사용 도중 오류가 잦아져 재사용이 불가능해지는 Bad Block들도 존재합니다. 컨트롤러는 이러한 Bad Block을 식별해 쓰지 못하도록 관리하거나, 내부 데이터를 다른 정상 블록으로 옮기는 작업을 수행합니다.

1.3 데이터 이동의 필요성

Wear-Leveling 실행 시, 특정 블록의 데이터를 다른 블록으로 옮겨야 할 때
이미 기록된 데이터에 일부 변경이 필요해 ‘갱신(Rewrite)’을 해야 할 때(저널링 또는 로그 구조)
Bad Block이 발생해 해당 블록의 유효 데이터만 긴급 복사해야 할 때

이런 상황에서 ‘읽고, 쓰고, 지우는’ 과정을 최소화하거나, 혹은 더 빠른 데이터 전송을 위해 NAND Copyback 기술이 사용됩니다.

2. Copyback Command(카피백 명령)의 정의

2.1 Copyback Command란?

Copyback Command는 간단히 말해, NAND Flash 내부에서 페이지 데이터를 직접 다른 페이지로 복사해주는 기능입니다. 보통 데이터를 옮길 때는 다음과 같은 단계를 거칩니다:

컨트롤러가 소스 페이지(Source Page)를 “읽기(Read)”
컨트롤러 내부 또는 시스템 메모리에 임시 저장
타겟 페이지(Target Page)에 “쓰기(Write)”

하지만 Copyback Command를 사용하면, NAND 내부에 있는 전용 버퍼(Page Buffer)로 소스 페이지를 읽어들인 뒤, 이 버퍼에 있는 데이터를 곧바로 타겟 페이지에 쓰는 것이 가능합니다. 즉, 컨트롤러나 외부 메모리를 매개로 하지 않고 NAND Flash 내부에서만 빠르게 데이터를 복사할 수 있습니다.

2.2 Copyback Command의 장점

버스 사용량 절감: 컨트롤러와 NAND Flash 사이의 버스 트래픽이 대폭 줄어듭니다.
속도 향상: 외부로 데이터를 읽어오고 다시 쓰는 과정을 생략하므로 복사 속도가 향상됩니다.
오버헤드 감소: 컨트롤러가 데이터 전송 과정에서 CPU나 메모리를 많이 점유하지 않아도 됩니다.

이러한 이유로 Copyback Command는 Wear-Leveling이나 Bad Block 교체 시 대규모 데이터 이동이 필요한 상황에서 큰 이점을 제공합니다.

3. Copyback Command 동작 원리

3.1 기본 프로세스

Copyback Read
- NAND 내부 명령으로 “Copyback Read”를 수행해 소스 페이지 데이터를 NAND 내부 버퍼에 로드합니다.
Copyback Program
- 곧바로 NAND 내부 버퍼에 로드된 데이터를 원하는 타겟 페이지로 “Program(쓰기)”합니다.

외부 컨트롤러는 단지 “Copyback을 실행해라”라는 명령 세트를 입력할 뿐, 실제 데이터 이동(읽기-쓰기)은 NAND 내부에서 이뤄지므로 NAND Copyback 과정 자체는 아주 효율적입니다.

3.2 블록 및 페이지 제약

하지만 Copyback Command를 사용할 때는 몇 가지 제한 사항이 존재합니다.

동일 블록 내에서의 복사: 일부 NAND 제품은 같은 블록 내에서 페이지를 복사하는 경우에만 Copyback이 허용됩니다.
서로 다른 블록 간 복사: 다른 블록으로 Copyback이 가능한 NAND도 있지만, 벤더별로 구현 방식이나 지원 여부가 다릅니다.
페이지 순서: 예컨대, 보통 NAND는 페이지를 순차 쓰기하는 구조를 강제하기 때문에, Copyback 시에도 쓰기 순서에 대한 제약이 따를 수 있습니다.

3.3 제조사별 명령어 차이

Copyback Command의 오퍼레이션 코드(Op-Code)는 NAND 제조사(벤더)마다 다를 수 있습니다. 예컨대 삼성, 마이크론, 도시바(키오시아), 하이닉스 등 각각 미묘하게 다른 호환성 문제나 추가 요구사항이 있을 수 있죠. 따라서 해당 NAND 데이터시트를 자세히 검토해야 합니다.

4. ECC와의 연관성

4.1 왜 ECC가 중요한가?

NAND Flash는 내재적으로 불안정한 저장매체입니다. 시간이 지나거나 쓰기 횟수가 누적될수록 페이지 내 비트 에러가 증가하게 됩니다. 이를 보정해주는 것이 바로 ECC(Error Correction Code)입니다.

ECC는 페이지를 읽을 때 발생한 비트 오류를 정정해 정상 데이터로 복원합니다.
ECC를 적용하지 않으면 일정 쓰기 횟수 후 NAND가 정상 동작하기 어려워집니다.

4.2 Copyback에서 ECC 문제

Copyback Command는 NAND 내부 버퍼에 소스 페이지를 곧바로 로드하고, 별도의 ECC 정정 없이 타겟 페이지로 옮길 수 있습니다. 만약 소스 페이지에 이미 비트 오류가 존재한다면, 이 오류가 그대로 복사되는 위험이 생기죠.

따라서 대부분의 컨트롤러는 Copyback 동작 전에 소스 페이지를 한 번 읽어 ECC 정정을 한 다음, 문제가 없는 데이터만 Copyback할지 결정하거나, Copyback 후에 “페이지 재검증”을 수행해서 문제가 없는지 다시 체크합니다.

4.3 ECC 전략

Copyback 전 ECC 검증: 먼저 소스 페이지를 읽고 ECC를 수행한 다음, 정정 가능한 수준이면 Copyback 진행
Copyback 후 ECC 검증: Copyback이 완료된 타겟 페이지를 다시 읽어 ECC 에러가 없는지 체크
에러 발생 시 재시도 혹은 블록 교체: ECC로 정정 불가능할 정도의 오류가 많다면, 해당 블록(또는 페이지)은 Bad Block으로 관리하거나 새 블록으로 복사해 교체

5. Wear-Leveling과 Bad Block 관리에의 적용

5.1 Wear-Leveling에 유리한 이유

Wear-Leveling 기법은 반복적으로 쓰이는 블록을 상대적으로 덜 쓰인 블록과 교환(블록 마이그레이션)하는 방식을 택합니다. 이때 기존 블록에 들어 있던 데이터가 많다면, 그것을 통째로 새 블록으로 옮겨야 할 수도 있습니다.

NAND Copyback을 사용하면 이 대규모 복사가 훨씬 빨라집니다.
컨트롤러 버스 대역폭 사용도 최소화되므로, 전체 시스템 퍼포먼스를 떨어뜨리지 않고 균등한 블록 소모를 진행할 수 있습니다.

5.2 Bad Block 관리

Bad Block은 초기부터 불량인 경우도 있고, 사용 도중이거나 테스트 과정에서 결함이 발견되는 경우도 있습니다.

오류가 자주 발생해 더 이상 쓰기/읽기가 안정적으로 되지 않는 블록을 Bad Block이라 칭하고, 해당 블록은 ‘오류 마커’를 표기해 재사용하지 않도록 막습니다.
문제는 Bad Block 안에 아직 유효 데이터가 남아 있을 때, 해당 데이터를 정상 블록으로 옮겨야 한다는 점이죠.
이때 Copyback Command로 데이터를 빠르게 옮기고, ECC를 통해 오류가 없는지 확인한 후, Bad Block을 최종 폐기(마킹) 처리합니다.

6. Copyback Command 활용 시 고려사항

6.1 컨트롤러 호환성

모든 NAND Flash가 Copyback Command를 동일하게 지원하는 것은 아니며, 동일한 NAND라도 컨트롤러가 Copyback 기능을 지원하지 않으면 제대로 동작하지 않습니다. 특히 최근엔 고성능 SSD 컨트롤러가 독자적인 FTL(Flash Translation Layer)을 운영하며, 내부적으로 더 복잡한 알고리즘을 적용하기도 합니다.

6.2 ECC 검증 단계 설계

Copyback Command를 사용하면 데이터가 빠르게 복사되지만, 그 과정에서 ECC 검증이 생략되지 않도록 주의해야 합니다. ECC가 없는 단순 Copyback은 잠재적 오류를 그대로 전달할 수 있으므로, 다음과 같은 절차가 필요합니다:

소스 페이지 전수 조사 (ECC 확인)
복사 후 타겟 페이지 재검증
에러 검출 시 재시도 혹은 Bad Block 처리

6.3 성능 이점 vs. 설계 복잡성

성능 관점: 대규모 블록 이동이나 빈번한 Wear-Leveling 상황에서 Copyback Command를 사용하면 확실한 성능 이점이 있습니다.
설계 복잡성: ECC 처리, 페이지 순서 제약, 컨트롤러 지원 여부 등을 통합적으로 고려해야 하므로 펌웨어(FTL) 단계에서 추가 설계가 필요합니다.

6.4 신세대 NAND에서의 사용성

최근 3D NAND, TLC(Triple-Level Cell), QLC(Quad-Level Cell) 등 고집적 공정이 도입되면서, 각 NAND 특성에 맞게 Copyback 동작을 지원하는 방법에도 차이가 생깁니다. 간혹 제조사에서 Copyback을 권장하지 않는 경우도 있으니, 실제 구현 시에는 각 벤더의 사양을 꼼꼼히 살펴봐야 합니다.

7. 마무리하며

지금까지 NAND Copyback 기능, 즉 Copyback Command에 대해 알아보았습니다. 이는 NAND 내부에서 데이터를 직접 복사함으로써,

컨트롤러와 버스 사용량을 최소화하고
Wear-Leveling과 Bad Block 교체 같은 빈번한 데이터 이동을 빠르고 효율적으로 수행하며
전체적인 시스템 퍼포먼스와 안정성을 개선할 수 있는 중요한 기능
입니다.

다만, Copyback Command를 적용할 때는 반드시 ECC 검증 과정을 고려해야 하며, 제조사별 제약이나 호환성 문제 등을 정확히 파악해야 합니다. NAND가 고집적화·고성능화될수록, 내부 구조가 복잡해지고 에러율이 높아질 가능성도 커지기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, Copyback Command를 잘 활용하면 NAND 기반 저장장치(SSD, eMMC, UFS, USB 메모리, 임베디드 디바이스 등)에서 더 나은 성능과 수명을 기대할 수 있습니다.

향후 SSD나 임베디드 설계 시 Wear-Leveling, Bad Block 관리, ECC 설계 등을 종합적으로 고려하면서 NAND Copyback 기술을 적절히 접목한다면, 제한된 자원으로도 매우 높은 수준의 저장장치 안정성과 성능을 구현할 수 있을 것입니다.