7 배 정도 빠른 3D XPoint SSD의 데모

인텔 지난주 샌프란시스코에서 개최한 기술 컨퍼런스 Intel Developer Forum(IDF) 기조 연설에서 새로운 메모리 기술 3D XPoint를 대대적으로 발표했습니다. 이번 IDF에서는 스카이레이크 CPU에 대해서는 거의 언급하지 않고 3D XPoint 메모리를 강조했습니다.

 

또한 3D XPoint 메모리 기반 칩을 사용한 SSD의 데모를 공개했습니다. 현재 NAND 플래시 메모리보다 7배 빠르다는 걸 어필했는데요. 정확하게 말하면 '겨우 7배 밖에 빠르지 않은' 데모입니다. 겨우라고 한 이유는 인텔과 마이크론이 3D XPoint 메모리 셀 자체의 성능을 NAND의 1,000 배라고 주장했기 때문입니다.

 

 

 
3D XPoint 메모리를 기반으로 한 기술을 Optane Technology라고 명명

 

 

NAND의 1000배에 달하는 성능, SSD로 구현하자 7배 이상의 성능 차이를 보임

 

 

인텔은 3D XPoint 메모리를 다양한 폼팩터의 SSD로 도입

 

물론 1000배에서 7배로 줄어든 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 먼저 PCI-E 대역폭의 제약 때문에 성능에 한계가 있습니다. 또 여기서 측정한 것은 I/O 액세스 성능의 IOPS지 메모리의 진정한 랜덤 액세스 성능은 아입니다. NAND와 3D XPoint 메모리는 접근성의 크기가 전혀 다릅니다. 3D XPoint 메모리는 워드 단위로 세분화돼 랜덤 액세스는 NAND에 대해 압도적으로 강하지만 그 특징은 활용되지 않았습니다.

 

 

NVMe SSD에 3D XPoint를 사용했을 경우의 장점

또한 NAND SSD가 속도를 높이기 위해 캐시를 사용한다는 것도 영향을 줍니다. 3D XPoint SSD는 3D XPoint 메모리를 저장 소자로 사용하며, 3D XPoint 캐시와 NAND 스토리지의 결합 솔루션은 없다고 하네요. 3D XPoint 메모리 SSD는 캐시를 필요로 하지 않아 보다 간단하게 구성할 수 있습니다.

 

이러한 요소 때문에 7배라는 숫자 비교는 큰 의미가 없습니다. 그보다 중요한 것은 3D XPoint 메모리가 성능을 발휘할 수 있는 장소가, I/O의 가장 끝에 연결된 SSD가 아니라는 것입니다.

 

SSD로 쓴다고 가정했을 경우 3D XPoint는 3D NAND를 용량 대 가격으로 이길 수 없기 때문에 3D XPoint의 경쟁력도 낮습니다. 3D XPoint 메모리가 진가​​를 발휘하는 영역은 레이턴시와 대역폭이 뛰어나며 CPU에 보다 가까운 곳, CPU가 메모리 어드레스로 맵핑할 수 있는 위치입니다. 즉 CPU의 DRAM 슬롯에 꽂았을 때 최대한의 성능을 발휘할 수 있게 됩니다.

 

이러한 배경을 보아할 때 3D XPoint를 사용하는 곳은 SATA/PCI-E 슬롯보다 DIMM 메모리 슬롯이 될 가능성이 높습니다. 물론 3D XPoint SSD도 공존합니다. 하지만 비싸도 빠른 SSD를 요구하는 일부 사용자를 위한 것이며, 3D XPoint가 빠르다는 이미지를 사람들에게 알리는 역할을 하는 데 그칠  것으로 보입니다.

 

 

스토리지 클래스 메모리의 첫 성공이 될 수 있는가?

3D XPoint 메모리는 이른바 Storage Class Memory(SCM)의 범주에 들어가는 메모리입니다. NAND보다 고성능이며 DRAM보다 대용량이 특징이지요. DRAM과 NAND 사이에 존재하는 큰 격차를 해소해 줄 메모리 기술입니다. 스토리지 클래스 메모리의 필요성은 몇년 동안 메모리 관련 컨퍼런스에서 자주 나오던 것입니다. 실제로 다수의 메모리 기술이 스토리지 클래스 메모리로 개발돼 왔습니다.

 

 

메모리 / 스토리지 계층에서 3D XPoint가 차지하는 위치

3D XPoint 메모리가 그동안의 새로운 메모리 시도와 다른 점은 처음부터 128Gbit라는 실용 수준의 대용량 다이가 등장했다는 것입니다. 발표를 보면 스토리지 클래스 메모리에 해당되는 스펙을 지닌 것으로 나왔습니다. 그리고 처음부터 인텔이라는 매우 강력한 사용자가 존재한다는 것이지요. 

 

새로운 메모리 기술은 항상 닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐는 문제가 있곤 합니다. 달걀(양산 및 비용 절감)이 먼저냐, 닭 (새로운 메모리를 사용하는 고객층의 확보)가 먼저냐는 고전적인 문제지요. 새로운 메모리가 보급되면 양산을 통해 저렴해집니다. 저렴해지면 고객들이 보다 적극적으로 사용하게 됩니다.

 

그러나 고객이 확보되지 않은 상태에서 양산하기란 어렵습니다. 그럼 제조 원가를 낮추기도 힘들지요. 그런데 3D XPoint 메모리의 경우엔 처음부터 인텔이라는 업계 최대의 고객이 존재합니다. 인텔이 자사의 SSD 제품 및 서버 솔루션에 이를 사용한다면 많은 고객을 기대할 수 있습니다.

 

3D XPoint 메모리는 그러한 요소가 갖추어져 있기에 스토리지 클래스의 새로운 메모리로 성공할 가능성이 높습니다. 물론 인텔/마이크론 그룹이 그런메모리를 외부에 판매할 것인지, 그 경우 어느 정도의 가격일지는 아직 모릅니다. 그러나 인텔 플랫폼만으로도 상당한 양이 되기에, 어느 정도의 보급은 이루어질 수 있을 것 같습니다.

 

 

메모리 업계가 요구하는 궁극적인 새로운 메모리

 

더 CPU에 가까운 DIMM 슬롯에 새로운 메모리를 장착

현재 진행되는 메모리 / 스토리지 계층의 개혁에 있어 중요한 것은 기존의 CPU-DRAM 시스템 메모리 -HDD의 순서로 저장되는 계층을 근본적으로 개선할 수 있다는 것입니다. DRAM과 HDD 사이의 엄청난 대기 시간과 대역폭 및 액세스 성능 격차를 해소해줄 계층을 만듭니다. SSD는 그 첫 걸음이며 앞으론 CPU와 가까운 곳에도 계층 구조를 더합니다.

 

 

마이크론이 IDF에서 보여준 3D XPoint 제품의 포지셔닝

개혁은 새로운 메모리 기술의 개발과 함께 새로운 메모리를 연결하는 계층에서 모두 진행되고 있습니다. 3D XPoint 메모리는 메모리 소자 자체가 플래시 메모리와 다른 새로운 기술입니다. 그리고 앞서 설명한대로 빠른 속도를 지니고 있어 고정된 메모리 역할과 스토리지 계층도 달라집니다. 따라서 인텔은 3D XPoint을 DIMM 폼팩터로 제공합니다.

 

 
인텔의 Bill Liszenske

인텔에서 3D XPoint 메모리를 담당하는 Bill Liszenske는 IDF의 그룹 인터뷰에서 다음과 같이 설명했습니다. "우리는 여러 폼팩터의 SSD와 DIMM으로 3D XPoint를 제공할 것입니다. SSD이 2016년에 먼저 나오고 DIMM은 나중입니다.

 

우리가 만드는 3D XPoint DIMM은 앞으로의 제온 프로세서에서 동작합니다. 그러나 주의할 것은 DIMM으로 등장하는 시기와 이를 지원하는 제온의 세대입니다. 우리는 아직 다음 세대의 제온에 대해 밝힌 것이 없습니다. 또한 어떤 종류의 클라이언트 아키텍처, 클라이언트 용 DIMM으로 3D XPoint를 제공한다고도 말하지 않습니다.

 

3D XPoint DIMM은 표준 DDR4 DIMM 슬롯에 꽂을 수는 있습니다. 허나 프로토콜 등의 자세한 내용은 대답할 수 없습니다. 또한 이 DIMM은 OS와 독립적인 관계라 이것을 쓰기 위해 OS를 변경할 필요는 없습니다."

 

실제로 인텔은 슬라이드를 통해 다음 세대의 제온에서 3D XPoint DIMM을 지원한다고 설명한 바 있습니다. DIMM 슬롯에 현재 NAND가 쓰이기 시작했으니 인텔도 서두를 필요가 있습니다.

 

 

재기록 횟수-쓰기 수명의 제한

DIMM 슬롯은 비 휘발성 메모리에게 있어 새로운 영역입니다. 현재의 시스템은 DRAM 인터페이스와 I/O 시스템 인터페이스 사이에 대역폭과 지연 시간이 크게 차이가 납니다. 이 격차는 기존의 인터페이스가 DRAM과 물리적 드라이브라는 구성을 전제로 한 것이기 때문에 존재하는 것입니다.

 

따라서 그 사이에 들어가는 스토리지 클래스 메모리의 성능을 살리려면 DRAM을 위한 넓은 대역폭과 낮은 지연 시간을 갖는 DRAM 인터페이스를 사용할 수밖에 없습니다. 또한 3D XPoint 같은 워드 단위로 어드레스 액세스가 가능한 메모리는 DIMM 슬롯을 쓰는 것이 적합합니다. 페이지 단위의 큰 크기로 어드레싱하는 NAND와 다르게 3D XPoint 메모리는 DRAM과 같은 워드 기반의 어드레싱이 가능합니다.

 

"NAND는 큰 블럭 단위로 읽기/쓰기 동작하지만, 3D XPoint는 크로스 포인트(메모리 셀을 선택하는 아키텍처)라서 진정한 워드 어드레싱이 가능합니다. DRAM과 많이 가깝지요. 그래서 DRAM 슬롯에 3D XPoint을 넣는 것이 의미가 있습니다 "라고 Liszenske는 설명합니다.

 

그러나 3D XPoint을 포함하여 대부분의 스토리지 클래스 메모리는 DRAM과 동일하게 취급할 수 없습니다. 재기록 횟수-쓰기 수명에 제약이 있기 때문입니다.

 

3D XPoint 메모리가 NAND보다 재기록 횟수가 훨씬 많다고는 하지만, 사실상 재기록 횟수에 제한이 없는 DRAM과 비교하면 제약이 큰 편입니다. 또한 액세스 지연 시간도 DRAM만큼 짧진 않습니다. DIMM 슬롯에 장착한다 한들 DRAM과 같은 제품으로 취급할 순 없습니다.

 

따라서 OS에서 DRAM처럼 사용할 수 있도록 만드려면 어떤 하드웨어 장치가 필요합니다. 이것은 3D XPoint를 지원하는 제온에 내장된 메모리 컨트롤러가 3D XPoint 메모리에 최적화하는 방식으로 제공할 듯 합니다. 물론 장기적으로는 OS에서 지원해 DRAM과 3D XPoint을 연속된 메모리 공간에서 보다 효율적으로 사용할 수 있어야 할 것입니다. 그 전까지는 다른 방법으로 메모리 계층 사이의 간격을 은폐해야 할 필요가 있겠지요.

 

 

DRAM DIMM을 쓰기 캐시로 사용

JEDEC(반도체의 표준화 단체)도 NAND를 대상으로 한 비 휘발성 메모리 DIMM 규격인 NVDIMM을 3종류 책정했습니다. NVDIMM은 DRAM과 NAND를 함께 사용하는 것을 전제로 하고 있으며, 두가지의 물리적인 메모리를 하나의 메모리 공간에 맵핑합니다. NAND의 대용량을 활용할 수 있으면서도, 시스템 전원을 꺼도 메모리에 저장된 내용이 유지되는 것이 중요한 특징입니다.

 

인텔의 3D XPoint DIMM은 JEDEC 규격과 다를 가능성이 높습니다. 3D XPoint DIMM 모듈은 DRAM이 없고 3D XPoint 메모리만을 탑재할 가능성이 높습니다. 그러나 DRAM DIMM을 함께 쓰는 것을 전제로 두고 있기도 합니다. 인텔의 슬라이드를 보면 DRAM의 DIMM을 재기록 캐시로 쓴다고 설명하고 있습니다. 이것은 3D XPoint 메모리의 물리적 메모리를 메모리 공간에 매핑하여 DRAM이 캐시로 작동하는 방식이라고 볼 수 있습니다. 인텔은 이러한 구성의 메모리 관련 특허도 출원한 바 있습니다. 또 스카이레이크의 eDRAM 아키텍처와도 관련이 있지요.

 

 
DRAM DIMM을 재기록 캐시로 쓰는 3D XPoint DIMM 솔루션

어쨌든 3D XPoint을 메모리 슬롯에 넣는 건 3D XPoint의 데이터 센터에 적합한 솔루션에서 핵심 요소가 됩니다. 3D XPoint의 진짜 용도는 SSD가 아닌 DIMM입니다. 덧붙여서 인텔은 SSD 형태의 3D XPoint를 서버와 클라이언트로 제공하지만, DIMM 버전 당분간 서버로만 내놓을 것입니다. DIMM에 대용량 메모리를 넣으려는 수요가 서버에 먼저 있기 때문입니다. 방대한 메모리 데이터베이스 및 시스템 복구 속도 등, 서버에서 대용량 비 휘발성 메모리를 필요로 하는 영역이 있습니다.

 

 

3D XPoint 메모리의 앞으로 응용 프로그램

 

 

3D XPoint 메모리는 우선 대규모 시스템에 도입

물론 장기적으로는 PC보다 더 작은 클라이언트에도 3D XPoint를 쓸 수 있습니다. 3D XPoint 메모리는 크로스 포인트 메모리라서 로직 프로세스와 비교적 궁합이 좋습니다. IoT(The Internet of Things)를 위한 임베디드 MCU에서 현재 SRAM의 워킹 메모리와 현재 임베디드 플래시 스토리지로 나뉘어 있는 것을 3D XPoint 메모리로 대체 하는 것도 가능할지 모릅니다. 그럼 내장 메모리만으로도 MCU에서 안드로이드 같은 다기능 OS를 실행할 수 있게 됩니다. 이렇게 보면 3D XPoint 메모리에서 새로운 메모리가 시작되며 혁신적인 요소가 될 수 있습니다.