국내 연구진, 슈퍼컴용 비휘발성메모리 대폭 개선…"인텔 대비 전력효율·성능 2배"

정명수 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀

NVDIMM·SSD결합한 '메모리-오버-스토리지'

"인텔기술 대비 전력소비45%↓·성능110%↑"

6월 국제컴퓨터구조심포지엄 학회 논문발표

슈퍼컴퓨터와 데이터센터 서버의 에너지효율과 처리속도를 기존 대비 두 배씩 높여 주는 데이터 보존형 대용량 메모리 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구진은 기존 D램 메모리 규격과 고속 플래시메모리 저장장치 기술을 재사용해, 동일 저장공간에서 인텔의 비휘발성메모리 솔루션 '인텔 옵테인(Optane)' 대비 고성능을 달성했다고 강조해 주목된다. 국내외 데이터센터 산업계에서 시범도입과 실용화 단계 등을 거쳐 기술력 우위의 효과를 입증할 수 있을지가 향후 숙제다.

16일 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 컴퓨터 아키텍처 및 운영체제 연구실의 정명수 교수 연구팀이 비휘발성메모리와 초저지연SSD를 한 메모리 공간에 통합한 '메모리오버스토리지(MoS)' 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 스토리지 기술을 재사용해 인텔 옵테인 대비 메모리슬롯당 4배 이상인 테라바이트(TB) 수준의 저장용량을 제공하면서 D램 수준의 데이터처리 속도를 지원한다고 강조했다.

산업계에서 D램에 플래시메모리와 슈퍼캐패시터(배터리)를 더해 전력공급이 끊어져도 데이터를 기억할 수 있는 'NVDIMM' 등 고성능 비휘발성메모리 기술의 중요성이 높아지고 있다. 정전으로부터 데이터손실을 보호해야 하는 데이터센터, 슈퍼컴퓨터 등 고성능컴퓨터(HPC)에 필요하기 때문이다. 이런 기술은 속도가 느린 SSD나 하드디스크(HDD) 저장장치에 접근하는 횟수를 줄이고 전력공급이 끊어지기 전 상태의 메모리를 되살릴 수 있어 유용하다.

그러나 NVDIMM 등 기술을 사용시 애플리케이션 수정과 소프트웨어 오버헤드에 따른 성능저하 부담이 있다. 운영체제 도움 없이 중앙처리장치(CPU)가 직접 메모리에 접근할 수 있지만 D램을 그대로 활용하고 배터리 용량을 무한히 늘릴 수 없어 결국 대용량 데이터 처리에 한계가 생긴다. 인텔의 옵테인메모리와 '인텔 메모리드라이브 기술'과 같은 대안은 운영체제에 의존성이 있어 NVDIMM 대비 읽기·쓰기 속도가 절반으로 떨어진다.
 

정명수 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀이 제안하는 메모리-오버-스토리지(MoS) 기술 개념도. [사진=KAIST 제공]

연구진 설명에 따르면, 연구진이 제안한 MoS 기술은 NVDIMM을 캐시메모리로 활용하면서 초저지연SSD를 주 데이터 저장공간으로 활용한다. 캐시메모리는 자주 쓰이는 데이터를 상대적으로 빠른 메모리에 둠으로써 느린 메모리의 성능 제약을 극복해 주는 기법을 뜻한다. 이는 SSD의 대용량 저장공간을 사용자에게 메모리로 쓸 수 있게 해줌과 동시에 NVDIMM을 단독으로 사용할 때와 유사한 성능을 얻게 해준다. 이런 MoS는 기존 기술의 제약 없이 HPC같은 시스템을 지원한다.

연구진 측은 또 MoS 기술은 소프트웨어 기반 메모리드라이브나 인텔 옵테인과 같은 '영구적 메모리(Persistent Memory)' 기술 대비 45% 절감된 에너지 소모량으로 110% 향상된 데이터 읽기·쓰기 속도를 지원한다고 강조했다. 절반 수준의 전력만 사용하면서 두배 이상 빠른 성능을 낸다는 얘기다. 이로써 정전에 따른 시스템 장애에 민감한 데이터센터, 슈퍼컴퓨터 등의 대용량데이터 처리 시스템을 위한 기존·미래 영구적 메모리 기술을 대체할 수 있다고 연구진은 덧붙였다.

정 교수는 "미래 영구 메모리 기술은 일부 해외 유수 기업이 주도하고 있지만 이번 연구성과를 기반으로 국내 기술과 기존 스토리지·메모리 기술을 통해 관련시장 우위를 선점할 가능성을 열었다는 점에 의미가 있다"고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진(중견연계) 사업, KAIST 정착연구사업 등의 지원을 받았다. 올해 6월 '국제컴퓨터구조학회(ISCA·International Symposium on Computer Architecture) 2021'에서 관련 논문으로 발표될 예정이다. 해당 논문 제목은 '하드웨어자동화 메모리오버스토리지 솔루션을 활용한 스토리지급 메모리의 개선(Revamping Storage Class Memory With Hardware Automated Memory-Over-Storage Solution)'이다.

MoS 기술은 시스템 사용자의 모든 메모리 요청을 처리할 수 있는 메인보드나 CPU 내부의 메모리컨트롤러허브(MCH)에 적용되는 방식으로 구현된다. 사용자의 메모리 요청은 우선 NVDIMM 캐시메모리에서 처리되고, 캐시메모리에 없는 데이터를 초저지연 SSD에서 읽어 온다. MoS 기술은 MCH 내부에서 하드웨어로 SSD 입출력을 직접 처리해, 초저지연 SSD 접근시 발생하는 운영체제 입출력 오버헤드를 덜었다.

MoS 기술이 이론적으로 인텔의 옵테인메모리를 대체할 수 있는 효율과 성능을 갖고 있다더라도 이를 실제 산업환경에서 실용화하는 것은 별개 문제다. MoS 기술의 실용화를 위해선 이 기술을 지원하는 MCH를 탑재한 CPU나 메인보드 하드웨어가 충분히 보급돼 규모의 경제를 실현할 수 있어야 할 것으로 보인다. 인텔의 경우 한국에서 네이버클라우드·NHN 등 데이터센터 운영 기업과 수년전부터 파트너십을 맺고 옵테인메모리를 산업계에 보급하기 위해 애쓰고 있다.
 

[사진=게티이미지뱅크]