- NVMe의 병목 현상은 PCIe, USB 또는 Thunderbolt 인터페이스뿐만 아니라 SSD 자체 및 컨트롤러에 따라 달라집니다.
- 랜덤 처리 속도와 NAND 품질은 기기의 순차 처리 속도(MB/s)보다 실제 작동의 부드러움에 더 큰 영향을 미칩니다.
- 여러 개의 NVMe 드라이브가 칩셋의 DMI와 같은 링크를 공유하더라도 잘 분산되어 있으면 워크플로가 향상됩니다.
- 균형 잡힌 PC를 구성하려면 CPU, GPU, RAM, 전원 공급 장치 및 저장 장치를 조화롭게 배치하여 어느 한 구성 요소가 다른 구성 요소의 성능을 제한하지 않도록 해야 합니다.
최신 PC를 조립하거나 업그레이드할 때 CPU와 GPU에만 집중하다 보면 다른 중요한 구성 요소를 간과하기 쉽습니다. 하지만 NVMe SSD, PCIe, 외부 연결과 관련된 병목 현상은 게임, 비디오 편집, 전문 작업 등 실제 성능에 점점 더 큰 영향을 미치고 있습니다. 흥미로운 점은 이러한 병목 현상이 예상치 못한 곳에서 발생하는 경우가 많다는 것입니다.
이 글에서는 NVMe, PCIe, USB, Thunderbolt에서 병목 현상이 발생하는 원리, 마더보드에 여러 개의 M.2 드라이브를 장착했을 때 나타나는 현상, 랜덤 스프레드시트 속도가 생각보다 중요한 이유, 그리고 인터페이스나 시스템 구성 요소 때문에 최적의 성능을 발휘하지 못하는 하드웨어를 구매하여 돈을 낭비하지 않는 방법 등을 차근차근 살펴보겠습니다.
실제 병목 현상은 무엇이고, 그렇지 않은 것은 무엇일까요?
PC에서 "병목 현상" 이라는 개념은 너무 남용되고 오용되어 본래의 의미를 잃어버렸습니다. 병목 현상은 한 구성 요소가 다른 구성 요소의 성능을 명확하게 제한할 때 발생합니다. 시스템의 한 부분에는 충분한 성능이 있지만 다른 부분은 따라가지 못하는 상황, 마치 작은 엔진을 장착한 스포츠카와 같습니다. 어느 정도의 불균형은 항상 존재하지만, 성능 차이가 20~25%를 넘어서 일상적인 사용에서 체감될 때 진정한 문제가 발생합니다.
게임에서 CPU와 GPU 조합이 주요 병목 현상이라고 생각하는 사람은 거의 대부분 이며, 이는 당연한 생각입니다. 최고급 그래픽 카드를 성능이 떨어지는 프로세서와 조합하면 GPU는 CPU가 작업을 마칠 때까지 기다려야 하고, 반대로 성능이 떨어지는 프로세서를 사용하면 성능이 부족한 그래픽 카드를 사용하게 됩니다. 하지만 CPU와 GPU 조합 외에도 PCIe 슬롯 속도, RAM, 저장 장치, 전원 공급 장치 등 성능 저하를 유발하는 다른 요소들이 존재합니다.
많은 사람들이 간과하는 중요한 사실은 병목 현상이 온라인 계산기가 정확하게 알려줄 수 있는 고정된 수치나 마법의 백분율 (많은 사람들을 겁먹게 하는 악명 높은 13,4%)이 아니라는 점입니다. 병목 현상은 게임, 해상도, 그래픽 설정, 심지어 시스템의 백그라운드 처리 작업에 따라 달라집니다. 따라서 이러한 계산기는 기껏해야 참고 자료일 뿐, 신뢰할 수 있는 기준이 될 수 없습니다.
CPU, GPU 및 해상도: 대부분의 병목 현상의 원인
프로세서와 그래픽 카드의 성능 차이가 가장 심각한 불균형 문제는 성능에 비해 낮은 프로세서와 그래픽 카드를 조합했을 때 발생합니다 . GPU가 너무 강력한데 CPU가 이를 감당하지 못하면 그래픽 설정을 낮춰도 FPS가 향상되지 않고, 반대로 CPU가 GPU보다 성능이 떨어지면 CPU 성능이 부족한 프로세서를 사용하게 되어 훨씬 빨리 성능 저하를 경험하게 됩니다.
또한, 병목 현상의 심각성은 해상도와 게임 유형에 따라 달라집니다 . 1080p 해상도에서는 CPU 부하가 더 크기 때문에 성능이 떨어지는 프로세서라도 좋은 그래픽 카드조차 감당하기 어려울 수 있습니다. 하지만 1440p, 특히 4K 해상도에서는 GPU가 병목 현상을 일으키는 경우가 많아 상대적으로 성능이 떨어지는 프로세서도 더 이상 심각한 문제가 되지 않습니다. 카운터 스트라이크와 같은 단순한 경쟁 게임을 플레이하는 것과 그래픽 및 메모리 부하가 엄청난 사이버펑크와 같은 고사양 오픈월드 게임을 플레이하는 것은 완전히 다른 경험입니다.
적합한 부품을 선택하는 데 도움이 되도록, 비슷한 성능 범위의 CPU와 GPU를 조합하는 것이 좋은 방법입니다.
- 저가형 (필요한 만큼만 지출하고 싶은 분들을 위한): i3 또는 Ryzen 3 프로세서와 RTX 3050 또는 그 이전 모델의 그래픽 카드가 필요합니다.
- 중간 범위(최적의 범위): i5/Ultra 5 또는 Ryzen 5 프로세서와 AMD의 RTX 4060 Ti, RTX 5070 또는 이와 유사한 그래픽 카드.
- 고급형(매니아용): 라이젠 X3D 또는 인텔 울트라 7/9와 같은 강력한 프로세서와 RTX 5080, 5090 및 동급의 GPU가 필요합니다.
가장 큰 실수는 보급형 프로세서와 고급형 GPU를 조합 하거나, 매우 비싼 CPU와 성능이 매우 떨어지는 그래픽 카드를 조합하는 것입니다. 두 경우 모두, 한 구성 요소가 다른 구성 요소의 성능을 제한하기 때문에 화면에서 체감할 수 없는 성능에 돈을 낭비하게 됩니다.
PCIe 관련 병목 현상 및 내부 M.2 슬롯
NVMe SSD에 대해 이야기할 때, 병목 현상은 PCIe 버스 버전과 마더보드의 레인 할당 방식에 크게 좌우됩니다 . 각 M.2 PCIe x4 슬롯은 최대 성능을 발휘하기 위해 4개의 레인이 필요하며, 이 레인들은 프로세서와 칩셋에서 할당되고, 이들은 인텔 플랫폼에서는 DMI 링크, AMD 플랫폼에서는 유사한 링크를 통해 서로 연결됩니다.
대표적인 예로 MSI X470 Gaming Plus Max 또는 유사 모델처럼 두 개의 M.2 슬롯을 제공하는 마더보드를 들 수 있습니다. M2_1 슬롯은 프로세서에 연결되어 PCIe 3.0 x4를 지원하는 반면, M2_2 슬롯은 칩셋에 따라 PCIe 2.0 x4로 제한되거나 SATA 포트 또는 다른 슬롯과 대역폭을 공유할 수도 있습니다. 두 개의 NVMe PCIe 3.0 x4 드라이브를 설치하는 경우, M2_2 슬롯에 장착된 드라이브는 인터페이스 속도가 느리기 때문에 최대 순차 성능 여유 공간이 더 적습니다.
이러한 상황에서 많은 사용자는 NVMe PCIe 3.0 x4 SSD를 PCIe 2.0 x4 슬롯이나 대역폭이 낮은 칩셋 에 연결했을 때 성능 저하가 발생하는지 궁금해합니다. 순수 순차 읽기/쓰기 작업에서는 이론적으로 최대 속도 차이가 있지만, 게임이나 일반적인 용도에서는 매우 큰 파일을 연속적으로 복사하는 경우를 제외하고는 대부분 성능 차이를 크게 느끼지 못합니다.
예를 들어 Z490 마더보드에 M.2 Gen3 x4 드라이브 3개를 동시에 설치하는 경우처럼 여러 개의 NVMe 드라이브를 동시에 설치하려면 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 각 PCIe 슬롯의 레인, 칩셋 레인, 그리고 CPU와 칩셋을 연결하는 DMI 3.0 인터페이스의 용량이 그것입니다. 각 NVMe 드라이브는 최대 4개의 레인을 사용할 수 있지만, DMI 인터페이스 또한 일반적으로 총 4개의 레인을 제공하므로 칩셋에 연결된 모든 드라이브는 CPU와의 동일한 연결을 공유합니다.
즉, 칩셋 슬롯에 M.2 드라이브 두 개를 장착하고 칩셋에 종속된 슬롯에 연결된 PCIe x4 어댑터에 NVMe 드라이브 하나를 추가로 장착할 경우, 이론적으로 세 개의 SSD가 모두 최대 순차 속도로 동시에 작동하면 DMI 링크의 대역폭이 포화될 수 있다는 의미입니다. 하지만 여기서 중요한 점은 실제 사용 환경에서는 세 개의 NVMe 드라이브가 지속적인 데이터 전송으로 대역폭 한계까지 동시에 사용하는 경우는 매우 드물다는 것입니다. 일반적으로 병목 현상은 이론적인 수치에서 예상되는 것보다 훨씬 덜 두드러집니다.
따라서 DMI가 병목 현상을 일으키는 것처럼 보이는 마더보드에서도 여러 개의 NVMe 드라이브를 사용하는 것은 여전히 유익하며, 특히 시스템, 미디어, 프로젝트 및 캐시에 각각 다른 드라이브를 사용하는 비디오 편집과 같은 워크플로에서 더욱 그렇습니다. 각 드라이브는 읽기 및 쓰기 부하를 분산하여 IOPS 경쟁을 줄여주며, 모든 드라이브가 CPU와의 최종 연결을 공유하더라도 성능 저하를 방지합니다.
NVMe의 순차 속도와 랜덤 속도 차이: SSD 성능이 초기와 다른 이유
많은 사람들이 SSD 박스에 적힌 3.500MB/s, 7.000MB/s 등의 큰 숫자에만 집중합니다. 하지만 이러한 속도는 일반적으로 이상적인 환경, 즉 대기열이 길고 파일 크기가 매우 큰 조건에서 측정된 최대 순차 속도 입니다 . CrystalDiskMark와 같은 합성 벤치마크 프로그램을 사용하여 속도를 비교하지만, 이러한 프로그램은 실제 사용 환경과 비교했을 때 성능의 이러한 측면을 비현실적으로 강조하는 경향이 있습니다.
하지만 시스템의 체감되는 부드러움, 그리고 많은 경우 게임이나 프로젝트 로딩 시 실제 성능은 순차 읽기/쓰기 작업 (IOPS) 수치보다 임의 읽기/쓰기 작업(IOPS) 수치에 훨씬 더 크게 좌우됩니다. 바로 이 부분에서 SSD 컨트롤러, NAND 플래시 메모리의 종류와 품질, 레이어 수, 채널 아키텍처, 그리고 전용 DRAM의 유무가 중요한 역할을 합니다.
우수한 PCIe 3.0 x4 인터페이스를 갖춘 NVMe 드라이브는 순차 읽기에서 최대 버스 속도에 도달 할 수 있지만 , 임의 읽기 속도는 내부 아키텍처에 의해 제한됩니다. PCIe 4.0 슬롯에 장착한다고 해서 임의 읽기 및 쓰기 속도가 갑자기 향상되는 것은 아닙니다. SSD의 성능은 연결의 이론적인 대역폭이 아니라 SSD의 전자 회로와 NAND 플래시 메모리의 품질에 따라 결정됩니다.
예를 들어, 저가형에서 중가형 NVMe 드라이브는 랜덤 읽기에서 약 1.000K IOPS를 광고하는데 , 이는 작은 블록을 기준으로 약 65~66MB/s의 유효 속도에 해당합니다. 랜덤 쓰기의 경우, 900K IOPS는 약 58MB/s에 해당합니다. 이러한 수치는 수천 MB/s에 달하는 순차 읽기 속도에 비하면 낮아 보일 수 있지만, 특정 가격대에서는 지극히 정상적인 수준이며, 실제로 가정용이나 게임용으로는 충분한 성능을 제공합니다.
여기서 가장 중요한 요소 중 하나는 SSD에 DRAM이 없는지(전용 DRAM이 없는지) 여부입니다. DRAM이 없는 많은 드라이브는 부하 시 무작위 및 지속적인 성능이 더 빨리 저하되는데, 특히 내부 SLC 캐시가 소진되면 더욱 그렇습니다. 이러한 성능 저하는 PCIe 3.0 또는 4.0에 연결하는 것과는 무관하며, 단순히 비용 절감을 위한 설계상의 제약일 뿐이며, Windows 11에서 SSD 속도가 느려지 는 여러 가지 원인을 설명해 줍니다.
따라서 측정 및 비교 시에는 과도한 쓰기 작업을 수반하여 드라이브 수명을 단축시킬 수 있는 테스트를 반복적으로 사용하는 것 보다 ATTO Disk Benchmark 와 같이 고급 SSD 제조업체에서 참조용으로 사용하는 도구를 사용하는 것이 더 신뢰할 수 있습니다. 특정 벤치마크를 한 번 실행할 때마다 수십 기가바이트의 데이터가 셀에 기록될 수 있는데, 단순히 테스트를 반복하기 위해 이러한 작업을 계속하는 것은 바람직하지 않습니다.
내부 NVMe 인터페이스와 외부 연결 비교: USB, 썬더볼트 및 실제 한계점
또 다른 우려 사항은 SSD를 외장 드라이브로 사용할 때 발생할 수 있는 병목 현상입니다 . 기존 외장형 모델을 구매하든, 내장형 SSD(SATA 또는 NVMe)를 USB 또는 썬더볼트 어댑터를 통해 연결하든 마찬가지입니다. 이 경우 SSD의 인터페이스와 어댑터의 인터페이스 조합에 따라 성능 저하가 발생할 수 있습니다.
SSD는 크게 두 가지 제품군으로 나눌 수 있습니다. 하나는 이론상 최대 속도가 약 600MB/s인 SATA III 드라이브 이고, 다른 하나 는 PCIe 기반 NVMe 드라이브입니다 . NVMe 3x4세대 드라이브는 최대 읽기 속도가 약 3.500MB/s에 달하고, 4x4세대 드라이브는 이상적인 조건에서 약 7.000~7.800MB/s까지 도달할 수 있습니다. 다시 말해, NVMe 드라이브는 SATA 드라이브보다 몇 배나 뛰어난 성능을 제공합니다.
하지만 실제로 제품을 꺼내면 USB 3.0, 3.1, 3.2, USB 4, 또는 썬더볼트 3 및 4 와 같은 표준이 적용되며 , 속도는 5Gbps(약 600MB/s)에서 40Gbps(실효 속도 약 5GB/s)까지 다양합니다. SATA III SSD를 5Gbps USB 3.0 어댑터에 연결하면 성능 균형이 잘 맞습니다. SATA 자체의 한계 때문에 USB가 우선적으로 속도를 제한하므로, 저렴한 5Gbps 어댑터만으로도 드라이브의 잠재력을 거의 최대한 활용할 수 있습니다.
반면, 예를 들어 10Gbps(1,25GB/s)의 USB 3.1 만 지원하는 어댑터에 매우 빠른 NVMe PCIe 3.0 또는 4.0 SSD를 설치하면 외부 버스의 속도가 NVMe 드라이브가 제공할 수 있는 최대 순차 처리량에 훨씬 못 미치기 때문에 드라이브의 최대 순차 처리량이 심각하게 제한됩니다. 20Gbps(2,5GB/s)의 USB 3.2를 사용하면 상황이 개선되지만, 최고급 Gen4x4 드라이브의 성능에는 여전히 한참 못 미칩니다.
썬더볼트 3 및 4도 마찬가지로 40Gbps(실제 사용 환경에서는 약 5GB/s) 의 속도로 작동합니다 . 이는 NVMe Gen4의 속도에 근접하지만, 가장 빠른 모델의 이론상 최대 속도에는 다소 못 미칩니다. 따라서 고가의 NVMe PCIe 4.0 SSD를 외장 드라이브로만 사용하는 것은 현재로서는 다소 의문스러울 수 있습니다. 외장 인터페이스의 속도가 40Gbps로 제한되어 있기 때문에 SSD의 성능을 최대한 활용할 수 없기 때문입니다.
썬더볼트 5와 같이 80Gbps를 목표로 하는 표준이 등장하면 상황이 달라지겠지만 , 현재로서는 "각각의 종류에 맞는 제품을 짝지어 사용하는 것"이 가장 현명한 방법입니다. 경제적인 제품을 원한다면 USB 3.0을 지원하는 SATA SSD를, 더 빠른 속도를 원한다면 USB 3.1/3.2 또는 썬더볼트를 지원하는 NVMe Gen3를 선택하고, 가장 강력한 NVMe Gen4 드라이브는 제약 없이 사용할 수 있는 내부용으로 남겨두는 것이 좋습니다.
동영상 편집에 사용되는 다양한 NVMe M.2 드라이브: 실제로 활용되고 있나요, 아니면 성능 저하가 발생하고 있나요?
전문가와 콘텐츠 제작자들이 흔히 사용하는 시나리오는 여러 개의 NVMe SSD를 각기 다른 용도로 사용하는 것입니다 . 예를 들어, 하나는 운영 체제와 프로그램용, 다른 하나는 원본 비디오 파일용, 또 다른 하나는 프로젝트와 라이브러리용, 그리고 네 번째 드라이브는 캐시, 오디오 피크 또는 기타 임시 파일용으로 사용하는 식입니다. 이러한 구성은 편집 소프트웨어 환경에서 읽기/쓰기 흐름을 분리하고 동일 드라이브의 경합을 줄여주기 때문에 매우 효과적입니다.
일반적으로 제기되는 질문은 마더보드에 NVMe 드라이브를 3개 또는 4개 설치하면 GPU 또는 드라이브 자체에 병목 현상이 발생할 수 있는지 여부입니다. 예를 들어, 10700K CPU가 장착된 Z490 플랫폼에서는 내장된 M.2 슬롯 2개와 PCIe x4 어댑터를 사용하여 M.2 SSD를 하나 더 추가할 수 있습니다 . 이 경우 레인 할당은 다음과 같습니다. GPU용 PCIe x16 슬롯 1개, M.2 어댑터용 PCIe x16 슬롯 1개(x4 모드), 그리고 칩셋에 연결된 M.2 슬롯 2개입니다.
이론상으로 칩셋과 DMI 링크는 최대 4개의 PCIe 3.0 레인을 지원하므로, 연결된 모든 장치(M.2, SATA 포트, USB 등) 간의 총 트래픽 용량이 제한됩니다. 모든 NVMe 드라이브와 칩셋 장치가 동시에 최대 속도로 순차 전송을 수행할 경우, DMI의 대역폭 한계에 도달하여 NVMe 드라이브 3개를 함께 사용해도 최대 용량으로 작동하는 NVMe 드라이브 1개보다 속도가 느려지는 지점이 발생할 수 있습니다.
하지만 실제 비디오 편집이나 창작 작업에서는 디스크 접근이 훨씬 더 다양합니다. 파일 읽기 및 쓰기, 이동, 간단한 임의 접근, 부분 렌더링 등 수많은 작업이 발생합니다. 중요한 것은 3개의 드라이브가 일정한 3.000MB/s의 속도를 유지하는 것이 아니라, I/O 대기열을 여러 디스크에 분산시키는 것입니다 . 이렇게 하면 최종 링크를 공유하더라도 시스템이 더 원활하게 작동하고 대기 시간이 줄어들며 소프트웨어가 작업을 더욱 효율적으로 병렬화할 수 있습니다.
Z690 이후의 최신 플랫폼에서는 레인 할당 및 CPU-칩셋 인터페이스가 개선되어 여러 개의 NVMe 드라이브로 시스템에 과부하를 주는 것이 훨씬 어려워졌습니다. 하지만 메인보드가 최신 모델이 아니더라도 복잡한 워크플로우 에서는 하나의 대용량 NVMe 드라이브보다 세 개의 개별 NVMe 드라이브를 사용하는 것이 일반적으로 유리합니다 . 중요한 것은 전체적인 한계가 존재하며, 이론적인 마케팅 수치는 실제 사용량을 제대로 반영하지 못하는 경우가 많다는 점을 받아들이는 것입니다.
PC의 전반적인 성능에 영향을 미치는 기타 병목 현상
NVMe와 스토리지에 집중하는 동안에도 중요한 병목 현상을 일으킬 수 있는 다른 요소들을 간과해서는 안 됩니다. 예를 들어, GPU를 연결하는 PCI Express 슬롯은 중요합니다. PCIe 4.0용으로 설계된 최신 그래픽 카드를 PCIe 3.0만 지원하는 마더보드에 장착하면 성능 저하가 발생할 수 있으며, x16 대신 x8 또는 x4로 연결할 경우 모델에 따라 성능 저하 폭이 더욱 커질 수 있습니다.
RAM 은 또 다른 중요한 요소입니다. 요즘 8GB는 원활한 게임과 작업을 위해서는 확실히 구식입니다. 16GB는 여전히 많은 사용자에게 충분하지만, 고사양 멀티태스킹이나 게임을 하기에는 점점 부족해지고 있습니다. 특히 속도와 지연 시간까지 고려한다면(라이젠과 같은 플랫폼에서는 매우 중요함), 렉 없는 시스템을 원하는 사용자 에게는 현재 32GB RAM이 최적의 선택 입니다.
전원 공급 장치 또한 간과하기 쉽지만, 실제 병목 현상을 일으키는 주요 원인 중 하나입니다. GPU가 최대 300W의 전력을 필요로 하는데 전원 공급 장치가 이를 안정적으로 공급하지 못하면, 그래픽 카드 성능 저하, 버벅거림, 심지어는 시스템 오류 및 재부팅이 발생할 수 있습니다. 이는 일종의 "전기적 병목 현상"으로, 하드웨어 성능은 향상될 수 있지만 전원 공급 장치가 이를 따라가지 못하는 상황을 의미합니다.
저장 장치와 관련하여, 게임이나 고사양 작업에 기계식 HDD를 계속 사용하는 것은 특히 게임이나 소프트웨어가 텍스처나 비디오 클립을 실시간으로 로드해야 할 때 끝없는 로딩 시간과 끊김 현상의 원인이 됩니다. 최소한 SATA SSD로 업그레이드하는 것만으로도 큰 발전이며, NVMe로 전환하면 대부분의 가정용 사용 환경에서 로딩 시간 제약을 거의 완전히 해소할 수 있습니다.
마지막으로, 메인보드 자체와 그 제작 품질 또한 중요한 역할을 합니다. 성능이 떨어지는 VRM, 부실하게 구현된 BIOS, 부적절한 PCIe 레인 레이아웃, 또는 특정 RAM 주파수와의 호환성 부족은 다른 구성 요소들이 아무리 훌륭하더라도 전반적인 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 그래픽 카드만큼 눈에 띄지는 않지만, 올바른 메인보드를 선택하는 것은 향후 발생할 수 있는 많은 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다.
전반적으로 PCIe 레인 할당 방식, DMI와 같은 링크의 한계, 다양한 외부 인터페이스(USB, Thunderbolt)의 동작 방식, 그리고 IOPS와 랜덤 처리 속도의 진정한 중요성을 이해하면 훨씬 더 현명한 구매 결정을 내릴 수 있습니다. 완벽한 수치에 집착하는 것이 아니라, 시스템 설계상 활용할 수 없는 성능에 비용을 지불하지 않는 것이 중요합니다. 궁극적으로 핵심은 균형 잡힌 시스템을 구축하는 것입니다. 즉, 비슷한 가격대의 CPU와 GPU, 충분한 RAM, 안정적인 파워 서플라이, 성능 향상이 확실한 경우 NVMe SSD, 그리고 하드웨어의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 병목 현상을 방지하는 연결을 갖추는 것입니다.
