2025년 12월 15일, 마이크로소프트는 윈도우 서버 2025가 스토리지 아키텍처에 NVMe 표준을 기본적으로 채택할 것이라고 발표했습니다. 하지만 NVMe 스토리지는 이미 수년 동안 서버, 기업용 워크스테이션, 일반 소비자용 PC에서 널리 사용되어 왔으며, 윈도우 서버 2012 R2와 윈도우 8.1부터 운영체제와의 호환성이 기본적으로 제공되어 왔습니다. 따라서 "기본" NVMe 지원 발표는 그다지 중요하거나 뉴스거리가 되지 않을 수도 있지만, 이 발표에는 그 이상의 의미가 담겨 있습니다.
"네이티브 NVMe"란 정확히 무엇을 의미하는 걸까요?
이전 버전의 Windows 소비자 및 서버 에디션 스토리지 스택에서는 기본 하드웨어 프로토콜과 관계없이 데이터를 읽고 쓰는 데 사용되는 명령이 항상 SCSI 명령으로 변환되었습니다. SCSI(Small Computer System Interface) 표준은 1980년대 초에 개발되었으며 주변 장치와 스토리지 드라이브를 컴퓨터에 연결하기 위해 설계되었습니다(Storage Networking Industry Association, nd). 이는 iSCSI(Internet Small Computer System Interface) 및 FCP(Fibre Channel Protocol)와 같은 네트워크 연결 프로토콜과 SAS(Serial Attached SCSI) 및 UASP(USB Attached SCSI)와 같은 로컬 스토리지 인터페이스를 포함하여 다양한 워크로드에 사용되는 여러 최신 스토리지 프로토콜의 기반이 됩니다.
올드 웨이
마이크로소프트는 서로 다른 프로토콜을 SCSI 명령으로 변환함으로써 운영 체제 상위 수준에서 스토리지 명령을 통합했습니다. 하지만 이로 인해 최신 스토리지 아키텍처의 확장성과 성능 향상이라는 이점을 상당 부분 포기해야 했습니다. 기존의 I/O 작업 경로는 다음과 같았습니다.
- 읽기 및 쓰기 작업은 상위 스토리지 스택의 파일 시스템 수준에서 수행됩니다.
- 명령은 Disk.sys 드라이버로 전달됩니다.
- Disk.sys는 일반 스토리지 명령을 SCSI 명령으로 변환합니다.
- Storport는 SCSI 명령을 수신하여 해당 Miniport 드라이버(예: SATA 드라이브용 StorAHCI.sys)로 전송합니다.
- 해당 미니포트 드라이버는 저장 장치와 직접 통신하여 이를 적절한 저장 장치 명령 형식으로 다시 변환합니다.
저장 장치의 데이터 파티션을 식별하는 데 사용되는 LUN(논리 장치 번호)과 같은 다른 SCSI 규칙은 NVMe 네임스페이스와 같은 새로운 개념이 꽤 오래전부터 존재했음에도 불구하고 Windows 스토리지 스택으로 계승되었습니다(Hands, Worley, & Lakhveer Kaur, nd).
새로운 표준
Microsoft의 Windows Server 2025용 최신 스토리지 아키텍처는 Storport에 새로운 기능을 제공하고 Disk.sys를 NVMeDisk.sys로 대체하여 확장 가능하고 미래 지향적인 고성능 프레임워크를 제공합니다.
- 읽기 및 쓰기 작업은 상위 스토리지 스택의 파일 시스템 수준에서 수행됩니다.
- 명령은 NVMeDisk.sys에서 Storport 내의 새로운 StorMQ 코드로 직접 전달됩니다.
- StorMQ는 각 읽기 및 쓰기 작업에 대해 적절한 NVMe(또는 다른 스토리지 유형) 명령을 생성하여 하드웨어에 직접 전송합니다.
(2025년 9월 16일 스콧 리의 SNIA 개발자 컨퍼런스 발표 자료에서 발췌)
Windows Server 2025의 드라이브 작업에 대한 이 새로운 표준은 변환 계층을 제거하고 NVMe, RAID 및 HBA 장치의 스토리지 명령 큐와 완벽하게 통합됩니다. Windows 스토리지 시스템을 간소화함으로써 불필요한 스토리지 명령 변환을 제거하여 CPU 리소스 사용량을 줄이고 논리 프로세서 활용도를 향상시키는 등의 추가적인 이점도 제공합니다. 새로운 아키텍처는 NVMe 네임스페이스 및 플러그 앤 플레이 지원과 같은 다른 NVMe 사양을 채택합니다. 이를 통해 공급업체 또는 장치 유형별 스토리지 Miniport 드라이버를 생성하고 Windows에 "플러그인"하여 새로운 유형의 스토리지 장치와의 호환성 및 성능을 향상시킬 수 있습니다(Lee, SNIA SDC 2025 – Windows의 스토리지 멀티 큐, 2025).
테스트할 준비 되셨나요?
2025년 9월 16일 SNIA 개발자 컨퍼런스에서 스콧 리는 마이크로소프트가 RAID 카드 및 HBA와 같은 장치용 새 드라이버를 개발하기 위해 벤더들과 긴밀히 협력하고 있다고 발표했습니다. 이는 StorMQ 개선 사항이 곧 출시되거나 이미 많은 스토리지 장치에서 활성화되었을 가능성을 시사합니다. 이 기능은 작년 12월에 정식 출시되었지만, 새로운 스토리지 스택은 레지스트리 키를 추가해야 하는 선택적 활성화 방식입니다. 활성화 방법은 마이크로소프트의 NVMe 네이티브 발표 문서 에서 확인할 수 있습니다.
경고: 레지스트리를 잘못 수정하면 심각한 문제가 발생할 수 있으므로, 반드시 중요하지 않은 서버에서 먼저 테스트하십시오. 이 기능을 활성화한 일부 사용자는 데이터 중복 제거가 활성화된 NVMe 드라이브에서 문제가 발생했다고 보고했습니다. 마이크로소프트에서 공식 수정 패치가 곧 출시될 예정이지만, 이 경우에도 모든 책임은 사용자에게 있습니다!
Windows Server 2025에서 네이티브 NVMe 테스트
Windows Server 2025(OS 빌드 26100.32370)에서 네이티브 NVMe를 평가하기 위한 테스트 플랫폼은 128코어 AMD EPYC 9754 CPU 두 개가 장착된 듀얼 SP5 소켓 서버로 구성되었습니다. 멀티코어 프로세서와 함께 4800 MT/s 속도로 작동하는 768GB의 DDR5 메모리가 탑재되었습니다.
참고: 마이크로소프트의 야시 셰카르에 따르면, 네이티브 NVMe와는 무관한 임시 개선 사항이 이미 Windows Server 2025에 출시되었으며, 이로 인해 네이티브가 아닌 스토리지 스택의 성능이 추가적으로 향상되어 결과 간의 차이가 줄어들었을 수 있습니다.
새로운 스토리지 스택의 잠재력을 평가하기 위해 JBOD 구성으로 PCIe 4.0을 지원하는 30.72TB Solidigm P5316 NVMe SSD 15개를 사용했습니다. 중요한 점은 Solidigm P5316의 간접 단위 크기가 64KB라는 것입니다. 이는 4KB 테스트와 같은 작은 크기의 쓰기 결과가 예상보다 저조할 수 있음을 의미합니다. 이러한 큰 간접 단위를 고려하여, 다양한 블록 크기에 걸쳐 전반적인 속도를 비교하기 위해 4KB 랜덤 읽기 및 쓰기, 64KB 랜덤 및 순차 쓰기, 그리고 128KB 순차 쓰기 테스트를 포함하는 FIO 벤치마크를 실행했습니다. 또한 Microsoft가 주장하는 효율성 향상 효과를 검증하기 위해 테스트 중 CPU 사용량도 모니터링했습니다.
Highlights
- 4K 및 64K 랜덤 읽기 대역폭과 IOPS가 대폭 향상되었습니다.
- 4K 및 64K 랜덤 읽기 지연 시간 감소
- 다양한 블록 크기에 걸쳐 순차 읽기 및 쓰기 작업 시 CPU 사용량이 크게 감소했습니다.
| 메트릭 | 랜덤 4K | 랜덤 64K | 순차 64K | 순차 128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 비원어민 | 출신 | 비원어민 | 출신 | 비원어민 | 출신 | 비원어민 | 출신 | |
| 읽기 | ||||||||
| 대역폭(GiB/s) | 6.1 | 10.058 | 74.291 | 91.165 | 35.596 | 35.623 | 86.791 | 92.562 |
| IOPS | 1,598,959 | 2,636,516 | 1,217,176 | 1,493,637 | 583,192 | 583,638 | 710,978 | 758,252 |
| 평균 대기 시간(밀리초) | 0.169 | 0.104 | 0.239 | 0.207 | 0.809 | 0.812 | 0.613 | 0.608 |
| 총 CPU 사용률(%) | 72.67 | 74.22 | 68.44 | 65.11 | 44.89 | 37.11 | 61.56 | 49.56 |
| 메트릭 | 랜덤 4K | 랜덤 64K | 순차 64K | 순차 128K | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 비원어민 | 출신 | 비원어민 | 출신 | 비원어민 | 출신 | 비원어민 | 출신 | |
| 쓰다 | ||||||||
| 대역폭(GiB/s) | 1.803 | 1.756 | 7.654 | 7.655 | 44.67 | 50.087 | 50.477 | 50.079 |
| IOPS | 472,725 | 460,383 | 125,391 | 125,406 | 731,859 | 820,603 | 413,495 | 410,232 |
| 평균 대기 시간(밀리초) | 0.992 | 1.028 | 3.814 | 3.816 | 0.399 | 0.558 | 1.022 | 1.149 |
| 총 CPU 사용률(%) | 26.00 | 20.67 | 12.22 | 9.33 | 70.44 | 57.78 | 58.44 | 47.33 |
결과 분석
랜덤 4K 및 64K 읽기 벤치마크부터 시작하여, 네이티브 스토리지 스택과 비네이티브 스토리지 스택 간에 읽기 속도가 현저히 향상되었음을 확인했습니다. 랜덤 4K 읽기 테스트에서는 네이티브 스토리지 스택과 비네이티브 스토리지 스택 간에 각각 약 4GiB/s의 속도 차이를 보였고, 랜덤 64K 읽기에서는 약 16.9GiB/s의 속도 향상을 나타냈습니다. 또한 순차 128K 읽기 작업에서도 상당한 속도 향상을 확인했으며, 테스트 결과 대역폭이 약 5.8GiB/s 증가한 것으로 나타났습니다.
흥미롭게도, 무작위 쓰기 또는 순차 쓰기 대역폭 테스트에서 뚜렷한 성능 향상은 관찰되지 않았으며, 유일하게 눈에 띄는 차이는 64K 순차 쓰기에서 약 5.4GiB/s 증가한 것이었습니다. 대부분의 결과는 100MiB/s 이내의 차이를 보였는데, 이는 새로운 스토리지 스택의 성능이 향상되지 않은 경우에도 기존 스토리지 스택과 최소한 비슷한 수준임을 시사합니다.
일반적으로 처리량은 지연 시간과 상관관계가 있으므로, 4K 및 64K 테스트 모두에서 평균 무작위 읽기 지연 시간이 크게 감소하는 것을 확인했습니다. 비네이티브 무작위 읽기 4K의 경우 0.169밀리초에서 0.104밀리초로 38.46% 감소했습니다. 무작위 64K 읽기 테스트에서는 약 13.39% 감소했습니다. 순차 읽기 작업에서는 지연 시간에 큰 변화가 없었지만, 무작위 쓰기 및 순차 쓰기 작업에서는 처리량이 비슷하거나 더 높았음에도 불구하고 전반적으로 지연 시간이 증가했습니다.
FIO 테스트에서 나타난 또 다른 흥미로운 추세는 무작위 읽기 속도 향상 외에도 64K 및 128K 순차 읽기 및 쓰기 작업에서 전체 CPU 사용량이 크게 감소했다는 점입니다. 순차 쓰기 테스트에서 가장 두드러진 차이가 나타났는데, 64K의 경우 CPU 사용량이 평균 12.66% 감소했고, 128K의 경우에도 거의 비슷한 11.11% 감소를 보였습니다. 순차 128K 읽기 테스트에서도 12%의 사용량 감소가 관찰되었지만, 순차 64K 읽기에서는 7.78% 감소에 그쳤습니다. 한 가지 고려해야 할 점은 CPU 속도가 충분히 빠르다면 두 스택 모두 스토리지 장치의 최대 성능을 발휘할 수 있는 경우가 있을 수 있다는 것입니다. 이 경우 처리량은 증가하지 않더라도 CPU 리소스 사용량은 감소할 수 있습니다.
테이크 아웃
새로운 스토리지 스택을 활성화한 후 대부분의 결과가 실행 간 변동 범위 내에 있었지만, Microsoft의 주장, 특히 읽기 대역폭 증가 및 지연 시간 감소, 그리고 전반적인 CPU 사용량 감소를 확인할 수 있었습니다. 이는 수십 년 된 Windows Server 스토리지 스택에 대한 상당히 근본적인 변화이므로, Microsoft는 우선 Windows Server vNext에서 네이티브 NVMe를 기본적으로 활성화할 예정입니다. 다행히 Windows Server 2025에서는 레지스트리 편집이나 그룹 정책을 통해 이 기능을 활성화할 수 있으므로, 서버 관리자는 (배포 위험을 인지한 후) 지금 바로 새로운 스택의 이점을 누릴 수 있습니다.
저희는 Windows Server 플랫폼에서 NVMe가 기본적으로 활성화되는 것을 기대하며, NVMe SSD, RAID 카드 및 HBA 제조업체들이 Microsoft의 개선 사항을 한 단계 더 발전시킬 수 있도록 적극적으로 참여해 주기를 바랍니다!
참고자료
Hands, J., Worley, D., & Lakhveer Kaur. (날짜 미상). NVMe 네임스페이스. 2025년 12월 30일 NVM Express에서 검색: https://nvmexpress.org/resource/nvme-namespaces/
Lee, S. (2025년 9월 15일). SNIA SDC 2025 – Windows 기반 스토리지 멀티큐. 미국 캘리포니아주 샌토마스: 스토리지 네트워킹 산업 협회. 2025년 12월 29일 https://www.youtube.com/watch?v=dR-DWrmCba0&t 에서 검색됨
Lee, S. (2025년 9월 16일). Windows용 스토리지 멀티 큐: 고성능 스토리지 하드웨어를 위한 새로운 스택. 2025년 12월 29일 SNIA 개발자 컨퍼런스에서 검색: https://www.snia.org/sites/default/files/2025-10/SNIA-SDC25-Lee-Storage-Multi-Queue-On-Windows.pdf
Shekar, Y. (2025년 12월 15일). Windows Server 2025의 네이티브 NVMe 발표: 스토리지 성능의 새로운 시대를 열다. (Microsoft) 2025년 12월 29일, Windows Server 뉴스 및 모범 사례에서 가져옴: https://techcommunity.microsoft.com/blog/windowsservernewsandbestpractices/announcing-native-nvme-in-windows-server-2025-ushering-in-a-new-era-of-storage-p/4477353
스토리지 네트워킹 산업 협회(SNIA). (날짜 미상). SCSI란 무엇인가? 2025년 12월 30일, 스토리지 네트워킹 산업 협회 웹사이트( https://www.snia.org/education/what-is-scsi) 에서 검색함.
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