메모리와 스토리지 간 계층구조 격차 해소
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메모리와 스토리지 간 계층구조 격차 해소
  • 선연수 기자
  • 승인 2019.12.13 16:00
  • 댓글 0
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[테크월드=선연수 기자] 

 

지난 9월 개최된 ‘인텔 메모리&스토리지 데이(Intel Memory&Storage Day 2019)’ 행사에서 인텔은 기존 메모리-스토리지 계층 구조에서 발생하는 격차의 원인을 규명하고, 문제를 해결하기 위해 인텔 옵테인 기술과 3D 낸드(NAND) 기술을 사용해 폭발적으로 늘어나는 데이터에 대응할 수 있는 궁극적으로 새로운 계층 구조를 완성시키는 방법에 대해 소개했다. 이번 기고를 통해 이런 계층 구조와 시간이 갈수록 격차가 커지는 성능과 용량 문제를 줄이는 방안에 대해 집중하고자 한다.

 

데이터 증가에 따른 계층 구조의 격차

데이터가 증가하면서, 계층 간의 격차를 메우기 위한 새로운 기술의 필요성은 점점 높아져왔다. 낸드 SSD가 처음 등장했을 때는 이 격차가 해소될 것으로 보였으나, 더 많은 데이터를 저장하게 되면서 레이턴시는 더욱 길어지기 시작했다. 반면 CPU는 성능 면에서 지속적으로 발전해, 결국 계층구조 상에서 낸드 SSD와 CPU 간 격차가 점점 커지게 된다. 현재 데이터 규모가 3년마다 2배씩 증가하고 있는 데이터센터에서는 이 현상이 더욱 심각하게 다가오고 있다.

 

[그림 1] 메모리-스토리지 계층구조 격차

[그림 1]은 메모리와 스토리지의 계층구조를 나타낸다. CPU가 제일 상위에 위치하며, 상단의 레이어일수록 더 자주 활용되는 데이터를 보유해 프로세서가 더 빠르게 접근할 수 있다. ‘90%의 시간 동안 10%의 데이터에 접속한다’라는 90/10 규칙에 의해, 하위 레이어는 상위 레이어보다 10배 이상 큰 용량을 가지더라도 성능은 10분의 1 정도만 발휘한다. 시스템은 더 자주 활용되는 데이터를 상단으로, 덜 활용되는 데이터를 하위 레이어로 보낸다.

메모리와 스토리지 사이에 격차가 발생하는 이유는 데이터가 증가할수록 늘어나는 연산 기능에 대한 필요성, 그리고 기존 메모리 기술 트렌드의 부조화에서 온다. 데이터는 3년마다 2배씩 증가하지만, DRAM의 다이(die)당 용량은 4년마다 2배로 증가한다. 이런 부조화는 레이턴시로 인해 프로세서와 가까운 DRAM에 사용자가 원하는 만큼의 데이터를 모두 저장할 수 없음을 의미하며, DRAM 바로 아래 레이어에서의 메모리 용량 격차를 일으킨다.

 

[그림 2] 연도별 읽기 레이턴시 출처: 인텔 meta-analysis based on multiple ISSCC, IEDM, IMW papers

낸드는 2년에 2배씩 용량을 늘리고 있으나 레이턴시가 여전히 존재해[그림 2], CPU가 빨라질수록 낸드 SSD에 있는 데이터에 대한 접근성은 점점 떨어지게 된다. 이로 인해 DRAM과 낸드 SSD 간 스토리지 성능 격차도 발생한다.

 

[그림 3] 연도별 쓰기 대역폭 출처: 인텔 meta-analysis based on multiple ISSCC, IEDM, IMW papers

더 복잡한 문제는 메모리 기술이 처리량 측면보다, 용량 측면에서 더 빠르게 증가하고 있는 점이다. 이는 용량별 대역폭이 점차 감소하고[그림 3], 특정 레이어의 빅 데이터에 접근하는데 필요한 시간이 늘어나는 것을 의미한다. 이는 격차를 더욱 심화시킬 것이다.

 

계층구조 통합 솔루션

격차를 해결하기 위해서는 DRAM보다는 다소 낮은 성능이지만, 비교적 저렴한 비용으로 대용량을 제공하는 신기술이 필요하다. 새로운 메모리는 스토리지로서의 기능을 수행해야 하기에, 전력이 끊겨도 저장된 데이터를 잃어서는 안 된다. 인텔은 이를 위해 인텔 3D 크로스포인트 미디어(Intel 3D XPoint Media) 메모리 솔루션을 소개했으며, 이는 인텔 옵테인 SSD와 인텔 옵테인 DC 퍼시스턴트 메모리에 탑재돼 있다.

 

[그림 4] 인텔의 통합 계층구조

인텔 옵테인 SSD는 10마이크로초(10µs) 이하의 레이턴시로, 낸드 SSD의 10분의 1수준을 달성하며, 데이터를 낸드 SSD보다 빠르게 회수한다. 이는 인텔 옵테인 SSD가 격차를 메워, 계층구조 상에서 CPU와 더 가까운 곳에 스토리지를 배치할 수 있음을 의미한다.

인텔 옵테인 메모리는 인텔 옵테인 DC 퍼시스턴트 메모리(Intel Optane Persistent Memory)를 통해 로드/저장 명령어에 따라 직접 접근할 수 있다. 따라, OS의 개입을 필요로 하지 않으며, 단일 캐시라인으로 접속할 수 있다. 또한, 데이터는 수백 나노초(ns) 이내에 접속할 수 있다. 퍼시스턴트 메모리로 인텔 옵테인 미디어는 계층 구조의 또 다른 격차를 줄인다[그림 4]. 이를 통해 2년마다 용량이 2배씩 증가하는 낸드가 현재 HDD에 저장된 데이터 일부를 저장할 수 있게 됨으로써, 데이터를 프로세서에 더욱 가깝게 이동시킬 수 있다.

이 기술들은 특히 CPU와 데이터가 너무 멀리 위치해 어려움을 겪는 데이터센터에 적합한 솔루션이다. 메모리 기술과 시스템 기술의 개선은 마치 SSD가 처음 등장했을 때처럼 거대한 변화를 이끌고 있으며, 인텔은 지속적인 혁신을 통해 데이터센터가 제 기능을 할 수 있도록 계층구조의 격차를 줄여나가고 있다.

 

글: 인텔 비휘발성 메모리 솔루션 그룹 펠로우 프랭크 헤이디(Frank Hady)

자료제공: 인텔

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2019년 12월 호에 게재된 기사입니다.


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