비휘발성 메모리(이하 NVDIMM)와 초저지연 SSD(반도체 저장장치)가 하나의 메모리로 통합됐습니다. 소수의 글로벌 기업만이 주도하고 있는 미래 영구 메모리(Persistent Memory)보다 성능과 용량이 대폭 향상된 메모리 기술을 국내 연구진이 개발한 겁니다.
- 비휘발성 메모리(NVDIMM; Non-Volatile DIMM)
기존 D램(DRAM)에 플래시 메모리와 슈퍼 커패시터를 추가해 정전 때에도 데이터를 유지할 수 있는 메모리
- 초저지연 SSD(Ultra Low Latency SSD)
기존 SSD를 개선해, 매우 낮은 지연시간을 갖는 SSD.
- 영구 메모리(Persistent Memory)
데이터의 보존성을 가지는 메모리.
KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀(컴퓨터 아키텍처 및 운영체제 연구실)이 비휘발성 메모리와 초저지연 SSD를 하나의 메모리 공간으로 통합하는 메모리-오버-스토리지(Memory-over-Storage, 이하 MoS) 기술을 개발했습니다.
비활성 메모리와 초저지연 SSD를 결합한 대용량 영구 메모리
정 교수팀이 새롭게 개발한 이 기술은 기존 스토리지 기술을 재사용하는 데 인텔 옵테인 대비, 메모리 슬롯당 4배 이상인 테라바이트(TB=1,024GB) 수준의 저장 용량을 제공하면서도 휘발성 메모리(D램)과 유사한 사용자 수준의 데이터 처리 속도를 낼 수 있습니다.
기존 NVDIMM은 운영체제의 도움 없이 CPU가 직접 비휘발성 메모리에 접근할 수 있습니다. 반면 NVDIMM은 D램을 그대로 활용하고 배터리 크기를 무한히 키울 수 없기 때문에 대용량 데이터를 처리할 수 없다는 게 문제입니다. 이를 해결하기 위한 대안으로는 인텔의 옵테인 메모리(Intel Optane DC PMM)와 메모리 드라이브 기술(Intel Memory Drive Technology) 등이 있습니다. 그러나 이러한 기술들은 비휘발성 메모리에 접근할 때마다 운영체제의 도움이 필요해 NVDIMM에 비해 50% 수준으로 읽기/쓰기 속도가 떨어집니다.
정 교수팀이 제안한 MoS 기술은 초저지연 SSD를 주 메모리로 활용하고, NVDIMM을 캐시메모리로 활용합니다. 이 결과, SSD 대용량의 저장 공간을 사용자에게 메모리로 사용하게 해줌과 동시에 NVDIMM 단독 사용 시와 유사한 성능을 얻게 함으로써 미래 영구 메모리 기술들이 가지는 한계점을 전면 개선했습니다.
- 캐시
자주 사용되는 데이터에 빨리 접근할 수 있도록 느린 메모리에 저장된 데이터를 빠른 메모리에 복사해 두는 기법입니다.
MoS 기술은 메인보드나 CPU 내부에 있는 메모리 컨트롤러 허브(이하 MCH)에 적용돼 사용자의 모든 메모리 요청을 처리합니다. 사용자 요청은 일반적으로 NVDIMM 캐시 메모리에서 처리되지만 NVDIMM에 저장되지 않은 데이터의 경우 초저지연 SSD에서 데이터를 읽어와야 합니다. 기존 기술들은 운영체제가 이러한 SSD 읽기를 처리하는 반면, 개발된 MoS 기술은 MCH 내부에서 하드웨어가 SSD 입출력을 직접 처리함으로써 초저지연 SSD에 접근 시 발생하는 운영체제(OS)의 입출력 오버헤드(추가로 요구되는 시간)를 완화하는 한편 SSD의 큰 용량을 일반 메모리처럼 사용할 수 있게 해줍니다.
- 메모리 컨트롤러 허브
일반적으로 노스 브릿지(North Bridge)로 알려져 있으며, CPU가 메모리(DRAM)나 그래픽 처리장치(GPU)와 같은 고대역폭 장치에 접근할 수 있도록 도와주는 하드웨어입니다.
정 교수가 이번에 개발한 MoS 기술은 소프트웨어 기반 메모리 드라이브나 옵테인 영구 메모리 기술 대비 45% 절감된 에너지 소모량으로 110%의 데이터 읽기/쓰기 속도 향상을 달성했습니다. 결과적으로 대용량의 메모리가 필요하고 정전으로 인한 시스템 장애에 민감한 데이터 센터, 슈퍼컴퓨터 등에 사용되는 기존 메모리/미래 영구 메모리를 대체할 수 있을 것으로 기대됩니다.
정명수 교수는 "미래 영구 메모리 기술은 일부 해외 유수 기업이 주도하고 있지만, 이번 연구성과를 기반으로 국내 기술과 기존 스토리 및 메모리 기술을 통해 관련 시장에서 우위를 선점할 수 있는 가능성을 열었다는 점에서 의미가 있다"고 강조했습니다.
한편 이번 연구는 올해 6월에 열릴 컴퓨터 구조 분야 최우수 학술대회인 이스카, 'International Symposium on Computer Architecture (ISCA), 2021'에 관련 논문으로 발표될 예정입니다.
##참고자료##
Jie Zhang, Miryeong Kwon, Donghyun Gouk, Sungjoon Koh, Nam Sung Kim, Mahmut Kandemir, Myoungsoo Jung, "Revamping Storage Class Memory With Hardware Automated Memory-Over-Storage Solution"
