서버-온-모듈로 소형화 실현하라

소형 폼팩터가 하이엔드 산업용 컴퓨팅 시장의 대세로 자리 잡았다. 현재 인텔(Intel) 제온(Xeon) 프로세서는 집적도가 높고 견고한 BGA 버전으로 공급되고 있다. 이는 임베디드 컴퓨팅 플랫폼의 새로운 범주인 ‘서버 온 모듈(Server-on-Module)’의 앞길을 터 준 것이다. COM 익스프레스(Express) 표준을 이 새로운 모듈군에 활용하는 것은 매우 의미 있는 일이다.

6세대 인텔(Intel) 코어(Core) 프로세서와 인텔 제온(Xeon) 프로세서는 14나노(nm) 공정으로 제조되고 있으며 소형 폼팩터의 견고한 BGA 멀티칩 모듈에 CPU와 GPU를 통합했다. 인텔 코어 프로세서는 산업 자동화는 물론 의료, 유통 및 게임에 이르는 어떠한 ‘표준’ 하이엔드 애플리케이션에든 적합하다.

인텔 제온 프로세서는 임베디드, 산업용, IoT 서버 플랫폼을 겨냥한 제품이다. 이러한 애플리케이션의 예로는 거치식 CRT, MRT 그리고 4D 초음파 장비를 비롯해 실장 밀도가 높으면서 풋프린트는 최소화한 캐리어급 에지 서버와 산업용 클라우드 서버를 들 수 있다.

이들 프로세서에 통합된 인텔 아이리스 프로(IrisTM Pro) 기술의 탁월한 그래픽 성능은 자율 주행차나 비전 기반 산업용 안전 방벽과 같이 중요한 상황 인지 임무를 수행하는 산업용 애플리케이션에서 효과적일 것이다. 인텔 아이리스 프로 기술은 다중 스트림 및 네트워크 기능 가상화(network functions virtualization, NFV)의 실시간 비디오 트랜스코딩을 지원하는 콘텐트 전달 플랫폼용 캐리어급 애플리케이션에 유용하다.

범용 GPU 기반 애플리케이션들은 병렬 심층 패킷 정보 감시(deep packet inspection, DPI), 콘텐트 암호화 및 복호화, 빅데이터 분석 등의 분야에서 찾아볼 수 있다. 서버 기반 애플리케이션을 위해 이 그래픽 엔진은 분산된 클라이언트 장비에 CAD, 3D 모델링 및 비디오 렌더링을 위해 풍부하고 반응이 뛰어난 3D 성능을 제공한다.

표준 서버 보드로 구현할 수 없는 애플리케이션에 최적

이러한 애플리케이션 중 몇몇은 ATX 및 ATX 변형 제품 같은 산업용 표준 마더보드 기반으로 설계된 19인치 산업용 서버 장비에 적합하다. 하지만 대부분의 새로운 임베디드 서버 애플리케이션들은 보다 공간 제한적이고 고도로 맞춤화된 기능 세트와 보다 긴 수명을 요구한다. 이제는 최소한의 노력으로 필요한 수준의 맞춤화 기능을 수행할 수 있는 컴퓨터 모듈의 서버 제품군을 정의할 때가 됐다.

현 시점에서 누릴 수 있는 커다란 이점은 PCI 산업용 컴퓨터 제조사 그룹(PICMG)이 제공하는 공개 표준 COM 익스프레스 컴퓨터-온-모듈(Computer-on-Module) 규격을 활용할 수 있다는 점이다. 이 규격은 하이엔드 산업용 임베디드 서버 설계에 필요한 모든 것을 제공한다.

보드의 레이어는 험한 산업용 환경에서 높은 수준의 EMC 호환성을 갖도록 설계된다. 2열 SMD 커넥터 2개는 견고하며 수많은 고속 인터페이스를 위해 440개의 핀을 제공한다. 뿐만 아니라 COM 익스프레스는 표준 컴퓨터 기술의 고성능 인터페이스에 최적화돼 있고 특정 애플리케이션에 특화한 캐리어 보드에 안정적으로 연결되기 때문에 최고 수준의 견고성을 자랑한다. 특히 마더보드의 표준 기능 세트가 설계 요건을 충족하지 못하거나 애플리케이션에서 공간적인 제약이 있는 하이엔드 설계일수록 COM 익스프레스에 의지하는 경우가 많다.

탄탄한 에코시스템을 갖춘 COM 익스프레스

이들 새로운 SOC 서버 프로세서가 해당 폼팩터에 적합한지에 대한 질문에 있어 답변은 ‘그렇다’이다. 크기가 125㎜×95㎜인 COM 익스프레스 베이직의 폼팩터는 새로운 세대의 인텔 제논 프로세서에 적합하다.
이 모듈을 가지고 설계할 수 없는 4뱅크의 DDR4 RAM을 엔지니어가 원하지 않는 한 말이다. 오늘날 최대 32GB RAM으로 충분히 감당할 수 있는 모든 것들은 COM 익스프레스로 완벽하게 대응할 수 있다.
임베디드 서버 설계자는 지금 당장 이 폼팩터와 관련한 에코 시스템 전체를 활용할 수 있기 때문에 이는 대단한 이점이다.

여기에 이의를 제기하는 사람도 있을 것이다. 자신들은 새로운 인텔 제논 프로세서의 전체 I/O 기능 세트를 사용하지 못한다고 말이다. 맞는 말이지만 표준이란 것은 모두의 요구를 100% 충족하도록 설계되지 않는다.

예컨대 표준은 비용 절감 차원에서 전체 애플리케이션의 80%에는 적합하지만 나머지 20%의 요구는 충족하지 않는다는 파레토 법칙(Pareto principle)에 따라 설계되는 편이다.

COM 익스프레스 타입6 규격이 정의하는 440개의 핀 수는 80%의 애플리케이션들을 위해 엄청난 수의 인터페이스 세트를 제공한다. 이는 대체적으로 하이엔드 임베디드, 산업용, IoT 에지 서버가 요구하는 것보다 훨씬 더 많을 것이다.

캐리어 등급과 산업용 데이터센터 서버급의 경우 이는 보다 많은 고속 I/O 인터페이스를 제공하는 디스플레이 인터페이스 설정을 바꿀 수 있는 아이디어가 될 수 있었다. 그렇다면 진정한 서버급 COM 익스프레스 모듈을 개발하는데 있어서 이러한 접근법을 똑같이 적용하지 못할 이유가 있을까?

이는 완전한 맞춤형 설계와 비교할 때 매우 매력적인 옵션이 될 수 있을 것이다. COM 익스프레스는 소형 폼팩터로 모든 임베디드 서버의 요구 사항을 완벽하게 충족할 수 있다. 표준 설계로든 인터페이스를 개조한 변형된 설계로든 말이다. 앞으로 우리는 컴퓨터-온-모듈이라는 이 새로운 범주를 보다 자주 만나게 될 것이다. 소형 폼팩터 추세가 하이엔드 산업용 컴퓨팅 시장을 장악하고 있다는 것은 틀림없는 사실이다.

서버-온-모듈의 차별점

서버-온-모듈은 프로세서 자체의 특성이 다르다. 제공하는 인터페이스가 다르고, 소비전력과 성능 수준 또한 다르다. 수명도 7년 이상 늘어났고 강력한 서버급 도구를 이용해 분산 IoT, M2M 및 인더스트리 4.0 애플리케이션을 관리할 수 있다는 점도 강점이다. 따라서 인터넷 연결 기능을 지원하는 다양한 애플리케이션에 안성맞춤이다.

워치독(Watchdog) 타이머 및 전력 손실 제어 기능이 탑재된 통합 보드 관리 컨트롤러와 인텔 vPro 기술 덕분에 이들 모듈은 원격 모니터링, 유지관리는 물론 모든 서버 기술에 있어 필수 사항인 높은 신뢰성을 제공하기 위한 아웃오브밴드(out-of-band) 관리까지 모두 가능하다. 

스마트 네트워크 인프라의 신뢰도를 높이는 COM

시장에서 성공하려면 여러 통신 인터페이스와 기능의 특별한 조합을 통한 차별화가 필요하다. 이러한 새로운 요건에 빠르게 대응하기 위한 디바이스의 핵심이 바로 COM-익스프레스 모듈이라 할 수 있다.

COM-익스프레스는 고객의 특정 캐리어 보드에 장착되는 표준화된 컴퓨터 모듈로 구성된다. 컴퓨터 모듈은 프로세서, 모든 필수 주변기기, 그리고 전원공급장치를 포함한다. 여러 다른 프로세서와 호환이 가능한 COM 종류가 다양하게 있기 때문에 제품의 선택 범위도 넓다. COM 제조사들은 이처럼 애플리케이션에 바로 탑재될 수 있도록 준비되고 미리 구성 설정이 되어 있는 모듈을 전문적으로 개발 및 생산하고 있다.

콩가텍(congatec)은 프로세서 제조업체들과 긴밀히 협력하며 COM 개발, 제조 및 기술지원에 있어서 전문업체로 정평이 나 있다. COM 모듈 자체는 표준화됐지만 성공적으로 구현됐는지 여부는 펌웨어, 소프트웨어, 운영체제 환경 및 디자인인(design-in) 지원과 같은 세세한 부분에 의해 좌우된다.

콩가텍의 모듈은 산업 표준을 준수하며 실시간 운영체제(RTOS) 지원 및 모든 필수 주변기기 드라이버를 포함한다. 따라서 개발자는 핵심 역량에 집중함으로써 개발 시간과 비용을 줄일 수 있다.

COM 개념을 활용하면 개발자는 자사만의 프로세서 기반 보드를 설계하는 것보다 신속하게 신제품을 시장에 선보일 수 있다. 또한 기존 캐리어 보드를 기반으로 최소한의 수정 작업만 더함으로써 차기 제품을 개발할 수도 있다.

콩가텍(congatec), 상용 서버-온-모듈 출시

서버-온-모듈의 플랫폼은 최신 6세대 프로세서인 14나노(nm) 제온 v5 와 인텔 코어 프로세서를 장착하고 있다. 서버-온-모듈은 25~45W의 TDP, 최대 8MB의 스마트 캐시, 최대 32GB 용량의 초고속 2133 DDR4 메모리를 제공한다.

인텔 제온 파생제품들은 추가적으로 ECC 메모리를 제공한다. ECC 메모리를 이용하면 RAM 에서 비트 오류는 자동으로 수정될 수 있는데 이 같은 특성이 애플리케이션의 신뢰성을 대폭 향상시켜 준다.

이러한 특성은 더 높은 데이터 무결성이 요구되는 애플리케이션이나 의료용 이미지 분야처럼 방사선에 노출되는 애플리케이션에 적합하다. 24시간 일주일 내내 에너지 효율적인 동작이 필요한 애플리케이션을 위해 새로운 모듈은 기존의 S3 모드 대신 디스커넥티드 스탠바이(disconnected standby) 모드를 지원한다.

디스커넥티드 스탠바이 모드를 활용하면 절전형 슬립 모드에서 불과 0.5초 이하의 짧은 시간에 풀 가동 성능으로 전환이 가능해, 시스템은 활용성과 반응성에 영향을 주지 않으면서 슬립 모드로 더 자주 들어갈 수 있다.

인텔 아이리스 프로 P580을 탑재한 통합형 9세대 인텔 HD 그래픽은 병렬 처리 성능을 최대 72개 실행 장치까지 확장할 수 있다. 즉 24개 실행 장치를 통해 강력한 성능을 제공하는 것으로 평가받는 P530 그래픽보다 병렬식 처리 성능이 3배 이상 확장된 것이다.

이론적인 피크 성능이 1㎓ 클럭 속도에서 1 TFLOP(1.152 1012 floating point operations per second)를 초과하기 때문에 인텔 아이리스 프로 P580은 현재 상용화된 제품 가운데 가장 강력한 고집적 x86그래픽이다.

매우 콤팩트한 서버-온-모듈을 기반으로 애플리케이션을 개발하는 엔지니어들은 예전 같으면 전용 그래픽 장치가 필요했겠지만 이제는 그럴 필요가 없는 새로운 수준의 병렬 프로세서를 활용할 수 있게 됐다.

최신 버전 외에도 모든 9세대 인텔 HD 그래픽은 다이렉트X 12(DirectX 12)를 지원한다. 이로써 HDMI 1.4, DVI 또는 DP 1.2를 통해 최대 3개의 독립적인 4K (3840×2160) 디스플레이에서 훨씬 더 빠른 윈도10 기반 3D 그래픽 처리가 가능하다.

레거시 애플리케이션의 경우 듀얼 채널 LVDS 출력과 VGA(옵션)도 이용할 수 있다. HEVC, VP8, VP9, VDENC의 디코딩은 물론이고 이제는 인코딩을 위한 하드웨어도 지원되기 때문에 세계 최초로 HD 영상을 에너지 효율적으로 양방향 스트리밍하는 것도 가능해졌다.

PCI 익스프레스 젠 3.0 그래픽스(Express Gen 3.0 Graphics; PEG)뿐 아니라, I/O 인터페이스로 8개의 PCI 익스프레스 젠 3.0 레인, 4개의 USB 3.0, 8개의 USB 2.0, LPC, I²C를 선택할 수 있다. 비휘발성 대용량 저장장치는 RAID 0, 1, 5, 10을 포함한 4개의 SATA 3.0으로 연결될 수 있다.

윈도10을 포함해 리눅스와 마이크로소프트 윈도우 같은 모든 주요 운영체제를 지원한다. 이 제품은 쿨링 솔루션, 캐리어 보드, 스타터 키트 같이 디자인을 더 수월하게 해 줄 수 있는 방대한 부가 세트도 제공한다.

글 : 이완준(Steve LEE) 이엔엠테크놀로지대표/ 콩가텍(congatec 한국 대리점
자료제공 : 콩가텍(www.congatec.com)