DDR3 DRAM과 비 휘발성 메모리를 함께 탑재한 DIMM (Dual-Inline Memory Module)이 제품화된 건비교적 최근의 일입니다. 약 5년 전인 2010년 8월 11일에 기술 벤처기업인 AgigA Tech가 DDR3 DRAM DIMM 슬롯에 장착할 수 있는 비 휘발성 DIMM 제품인 AGIGARAM DDR3 NVDIMM를 발표했습니다. 이듬해인 2011년 10월 18일에는 기술 벤처기업인 Viking Techonogy이 DDR3 DRAM DIMM 슬롯에 장착하는 DIMM 제품인 ArxCis-NV를 발표했습니다.

 

두 회사의 DIMM 제품은 DRAM과 NAND 플래시 메모리를 모두 탑재 한 것입니다. DIMM의 전원이 차단됐을 경우, DRAM의 데이터를 NAND 플래시 메모리에 자동으로 전송하는 기능과, 전원이 돌아왔을 때 NAND 플래시 메모리의 데이터를 DRAM에 되돌리는 기능을 갖춥니다. 즉 백업 기능이 있는 DRAM DIMM인 것입니다. 겨이게 쓰인 DDR 메모리 컨트롤러는 일반 DDR3 DRAM DIMM처럼 보이기에 OS나 애플리케이션 등의 소프트웨어를 수정할 필요가 없습니다.

 

 

DDR3 DRAM DIMM 슬롯에 장착할 수있는 비 휘발성 DIMM 제품 AGIGARAM DDR3 NVDIMM. 저장 용량은 2GB / 4GB / 8GB가 있습니다. 

 

2012년 11월 14일에는 대규모 반도체 메모리 업체인 마이크론과 AgigA Tech가 비 휘발성 DIMM의 개발 및 제조에 협력한다고 발표했습니다 . 두 회사가 개발하는 것은 DRAM 및 NAND 플래시 메모리를 함께 탑재한 DIMM으로 제품 컨셉은 앞서 등장한 AGIGARAM나 ArxCis-NV와 같습니다.

 

움직임이 더욱 활발해진 것은 2014년 부터입니다. 2014년 1월 20일에 주요 낸드 플래시 회사인 샌디스크와 그 자회사인 SMART Storage Systems는 공동으로 400GB의 대용량 비 휘발성 DIMM인 ULLtraDIMM을 상품화했다고 발표했습니다. ULLtraDIMM은 NAND 플래시 메모리와 컨트롤러 로직을 탑재하고 있으며, DDR3 DRAM DIMM 슬롯에 장착해 사용합니다. 그러나 DRAM은 없으며 시스템 메모리 버스에 연결된 SSD가 됩니다. 즉 DIMM 슬롯에 장착하는 SSD라는 새로운 형태의 비 휘발성 DIMM이 등장한 것입니다.

 

 

2013년 8월에 미국 캘리포니아 주 실리콘 밸리에서 개최된 플래시 메모리 관련 이벤트인  Flash Memory Summit(FMS) 2013의 전시장. SMART Storage Systems의 부스에선 2014년 1월의 공식 발표보다 한 발 앞서 ULLtraDIMM을 공개했습니다.

 

2014년 8월 6일에는 AgigA Tech가 DDR4 DRAM DIMM 슬롯에 장착하는 비 휘발성 DIMM인 AGIGARAM DDR4 NVDIMM을 개발해 샘플 출하를 시작했다고 발표했고, 계속해서 10월 21일에는 반도체 메모리 업체인 SK 하이닉스가 DDR4 DRAM DIMM 슬롯에 장착 가능한 16GB의 비 휘발성 DIMM을 개발했다고 발표했습니다 . 또한  2015년 8월의 Flash Memory Summit(FMS에선 Viking Techonogy가 비 휘발성 DIMM인 ArxCis-NV의 DDR4 DIMM 타입 제품을 전시회에 출품했습니다. 모두 DDR4 DRAM 및 NAND 플래시 메모리 컨트롤러 로직을 탑재 한 DIMM입니다.

 

 

Flash Memory Summit(FMS) 2015 전시장에 Viking Techonogy가 출품한 DDR4 DIMM 방식의 비 휘발성 DIMM인 ArxCis-NV. 오른쪽이 ArxCis-NV의 DIMM 버전, 왼쪽은 백업 전원인 슈퍼 캐패시터를 탑재한 PCIe 보드.

  

 

표준화 작업이 비 휘발성 DIMM의 보급을 촉진

 

DRAM 용 DIMM의 크기와 핀 배치는 반도체 산업 협회인 JEDEC에서 표준 규격을 정합니다. 핀을 보면 DDR3 DRAM DIMM은 240핀, DDR4 DRAM의 DIMM은 288핀입니다. 이 표준을 준수하는 DIMM을 모듈 업체가 판매합니다. 사용자에 해당되는 서버 개발 기업이나 PC 개발 기업을 비롯한 여러 모듈 업체에서 DIMM을 시스템에 넣습니다. 공급 업체가 많을수록 부품 조달은 안정적일 겁니다. 표준 제정과 여러 제조사를 통해 DIMM을 비롯한 여러 부품의 보급을 촉진합니다.

 

그러나 DDR3 DIMM과 DDR4 DIMM 등의 규격은 지금까지 비 휘발성 메모리의 탑재를 고려하지 않았습니다. 그래서작년에는 비 휘발성 DIMM의 표준화 작업이 시작된 것으로 보입니다. 여기에 참여한 것은 주로 JEDEC과 스토리지 업계의 단체인 SNIA(Storage Networking Industry Association)입니다. 올해 5월 26일에는 JEDEC이 DDR4 메모리 DIMM 슬롯에 장착하는 비 휘발성 DIMM인 NVDIMM의 표준 규격을 책정했다고 발표했습니다 . JEDEC 스펙을 올 하반기에 공개한다고 발표했는데 아직가진 나오지 않았습니다.

 

그러나 작년부터 지금까지 JEDEC와 SNIA 등의 단체와 NVDIMM의 규격 책정에 참여한 업체가 NVDIMM의 스펙을 공개하기 시작했습니다. 여기에선 지금까지 발표된 자료를 토대로 NVDIMM 규격의 개요를 소개하고자 합니다.

 

 

NVDIMM 표준을 책정하고있는 작업 그룹

 

 

DRAM DIMM 규격의 추가 사양으로 책정

 

우선 전제 조건은 DRAM DIMM 규격의 존재입니다. JEDEC의 발표 자료에 따르면 NVDIMM 표준은 DDR4 DRAM DIMM 규격의 추가 사양으로 책정했습니다. 그러나 SNIA의 공표 문서에서는 DDR4 메모리 뿐만 아니라 DDR3 메모리도 NVDIMM 규격 대상에 포함하고 있습니다.

 

다음 규격의 대상이 되는 메모리는 비 휘발성 메모리 전반입니다. NAND 플래시 메모리뿐만 아니라 3DXPoint 메모리나 자기 메모리, 상 변화 메모리, 저항 변화 메모리 등도 포함됩니다.

 

그리고 표준 사양은 하나가 아닙니다. 적어도 3 종류의 규격이 존재합니다. NVDIMM-N 규격과 NVDIMM-F, NVDIMM-P 규격입니다. NVDIMM-N과 NVDIMM-F'는 스펙 개발이 끝났습니다. NVDIMM-P는 스펙이 제안되고 검토 중이라 볼 수 있습니다.

 

 

NVDIMM 규격 최소 3 가지

 

NAND 플래시 메모리를 DIMM에 넣는 분위기에 대해 글을 올린 적이 있지요. NAND 플래시를 탑재한 DIMM은 크게 두 종류로 나눌 수 있습니다.

 

하나는 DRAM 및 NAND 플래시 메모리를 함께 탑재한 DIMM 입니다. 일반적으로는 DRAM DIMM으로 사용하며 전원이 차단됐을 때 백업 용 메모리로 NAND 플래시 메모리를 씁니다. 이 개념을 이어받은 것이 NVDIMM-N 규격입니다.

 

다른 하나는 NAND 플래시만 탑재한 DIMM입니다. DRAM보다 훨씬 큰 저장 용량을 탑재하는 SSD로 사용합니다. 이 컨셉에 해당되는 것이 NVDIMM-F 규격입니다.

 

그리고 NVDIMM-P 규격의 DIMM은 DRAM과 비 휘발성 메모리 모두를 탑재, DRAM보다 훨씬 큰 용량의 비 휘발성 메모리를 포함한 모듈입니다.

 

 

비 휘발성 DIMM 메모리 구성과 대응되는 표준

 

 

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 차이

 

 

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 개요

 

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P는 간단히 말해서 NVDIMM-N 메모리, NVDIMM-F가 스토리지, NVDIMM-P가 메모리와 스토리지의 하이브리드입니다.

 

NVDIMM-N은 똑같은 용량의 DRAM과 비 휘발성 메모리를  함께 넣은 DIMM입니다. DRAM을 기억 매체로 하는 시스템 메모리(주 기억 장치)이며, CPU(OS)에서 액세스 할 수 있는 건 DRAM 뿐입니다. 비 휘발성 메모리는 CPU(OS)에선 여기에 액세스 할 수 없습니다. 비 휘발성 메모리는 DIMM의 내부에서 백업 메모리의 역할을 합니다. NVDIMM-N은 호스트 쪽에서 봤을 때 DRAM DIMM과 거의 다르지 않습니다.

 

NVDIMM-F는 비 휘발성 메모리를 탑재 한 DIMM입니다. DRAM은 탑재하지 않으며 비 휘발성 메모리를 저장 매체로하는 스토리지입니다. CPU나 OS는 이를 스토리지로 취급하며 스토리지 내부의 비 휘발성 메모리에 액세스 할 수 있습니다. 그러나 액세스 지연 시간(레이턴시)는 NVDIMM-N에 비하면 훨씬 깁니다. 그리고 NVDIMM-F의 용량은 NVDIMM-N보다 훨씬 클 것으로 예상됩니다. DRAM DIMM에서는 불가능한 큰 저장 용량을 확보하지만 DRAM DIMM에 비해 액세스가 느립니다.

 

NVDIMM-P는 DRAM과 비 휘발성 메모리를 함께 탑재한 DIMM입니다. NVDIMM-N과 다른 점은 비 휘발성 메모리의 저장 용량이 DRAM의 기억 용량보다 훨씬 큰 DIMM라는 것입니다. 그리고 NVDIMM-P는 두 가지의 동작 모드를 갖추고 있습니다. 하나는 NVDIMM-N와 같은 동작 모드입니다. DRAM 시스템 메모리(주 기억 장치)로서 비 휘발성 메모리 백업 메모리로 사용합니다. 다른 하나는 NVDIMM-F와 같은 동작 모드로서 비 휘발성 메모리를 저장 매체로하는 스토리지로 동작합니다. 이 때 DRAM은 저장용 버퍼 메모리로 이용할 수 있습니다.

 

 

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 개요

  

NVDIMM-N 필수 백업 전원

 

NVDIMM-N에 대해 좀 더 자세히 봅시다. 우선 NVDIMM-N의 백업 작업입니다. 어떤 원인으로 DIMM의 전원이 차단되면 NVDIMM-N은 자동으로 DRAM의 데이터를 비 휘발성 메모리에 전송합니다. 이때 백​​업 전원으로 슈퍼 캐패시터를 쓰지요. 8GB 급의 용량이라면 보통 몇십 초 안에 데이터 전송이 끝납니다. 또 DDR3 타입의 최대 용량은 8GB, DDR4 타입의 최대 용량은 16GB가 됩니다.

 

데이터 전송이 끝나면 NVDIMM-N은 자동으로 전원을 차단합니다. 그리고 DIMM에 공급되는 전원의 복귀를 기다립니다. 전원 공급이 재개되면 비 휘발성 메모리의 데이터를 DRAM에 되돌립니다. 재기록에 필요한 시간은 전송에 필요한 시간의 절반 정도입니다. 그리고 슈퍼 캐패시터를 충전하는데 여기에 걸리는 시간은 몇 분 정도로 짧습니다.

 

 

NVDIMM-N의 내부 블럭 동작

JEDEC의 발표 자료에 따르면 백업 작업을 고려한 핀 배치 변경이 DDR4 DIMM의 표준 사양에 추가됐다고 합니다. 먼저 1번 핀과 145번 핀이 12V의 전원 공급 핀이 됩니다. 12V 전원 핀의 역할은 슈퍼 캐패시터의 충전 또는 백업 전원 공급(호스트 측에서 비상 전원을 공급)입니다. 슈퍼 캐패시터가 없는 NVDIMM-N은 시스템이 비상 전원을 공급하는 구조를 갖추고 있습니다. 비상 전원은 DRAM의 데이터를 비 휘발성 메모리에 전송할 때 작동합니다.

 

그리고 230번 핀이 세이브 신호(SAVE_n)핀이 됩니다. 데이터 전송 작업의 시작 시간을 알리는 신호 핀입니다. 세이브 신호(SAVE_n) 핀이라서 데이터 전송 작업을 신속하게 시작합니다.

 

 

DDR4 DIMM에 NVDIMM-N 용 핀을 추가

 

 

12V 전원 핀의 개요

 

 

세이브 신호 (SAVE_n) 핀의 개요

 

 

SSD를 메모리 버스에 넣는 NVDIMM-F

 

NVDIMM-F를 좀 더 자세히 봅시다. NVDIMM-N에 비하면 NVDIMM-F는 발표된 자료가 훨씬 적습니다. 따라서 설명이 다소 단편적일 수밖에 없는 점 양해해 주세요.

 

NVDIMM-F는 SSD를 DDR4 메모리 버스에 넣기 위한 규격입니다. DIMM에 넣는 메모리는 비 휘발성 메모리 뿐이며 DRAM DIMM보다 저장 용량이 큽니다. DDR3 메모리 버스에 대용량 NAND 플래시 메모리 DIMM을 넣은 제품인 ULLtraDIMM의 DDR4 메모리 버전이라 할 수 있습니다.

 

NVDIMM-F는 저장 용량을 명기하고 않았습니다. ULLtraDIMM이 최대 400GB니 적어도 512GB~1TB의 저장 용량은 상정하는 듯 합니다. 이 같은 큰 용량을 작은 DIMM 슬롯에 넣을 수 있는 반도체 메모리는 현재로선 NAND 플래시 메모리 밖에 없습니다.

 

이 결과 NVDIMM-F는 비 휘발성 메모리라고 해도 실질적으로는 NAND 플래시 메모리를 상정한 규격이 됩니다. NAND 플래시 메모리를 상정하고 있기에 SSD를 DDR 버스에 넣는 규격이 있다고도 간주할 수 있습니다. NAND 플래시 메모리는 바이트 단위로 액세스할 수 없기 때문입니다. 4KB은 블럭 단위의 접근이 됩니다.

 

따라서 NVDIMM-F의 액세스 단위는 캐시 라인이 아닌 블럭 단위입니다. 지연 시간은 마이크로 초 정도로 NVDIMM-N에 비하면 훨씬 깁니다. 이 부분은 표준이라기 보다는 NAND 플래시 메모리를 탑재하는지에 따라 성능이 차이난다고 할 수 있습니다.

 

 

NVDIMM-F의 내부 블럭

 

 

일반적인 스토리지(왼쪽), NVDIMM-N(중앙), NVDIMM-F (오른쪽)의 차이

  

 

제품 개발 후 뒤따르는 NVDIMM 규격

 

표준에는 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 제품화 이전에 미리 기술 스펙과 제품 스펙을 잡아두는 것. 다른 하나는 이미 제품이 나왔고 제품 스펙을 맞춰 새로 보급을 늘리려는 것입니다. NVDIMM 표준은 분명 후자에 속합니다. 이미 NVDIMM 규격의 범위를 넘어선 제품이 시장에 등장하려 하고 있습니다.

 

하나는 Diablo Technologies가 개발한 Memory1입니다. DDR4 DIMM에 NAND 플래시 메모리를 넣어, CPU 쪽에서는 DRAM과 마찬가지로 시스템 메모리(캐시 라인에서 액세스가 가능)처럼 쓰도록 고안한 비 휘발성 DIMM입니다. 저장 용량은 256GB로 DRAM DIMM의 16GB/32GB보다 훨씬 큽니다.

 

다른 하나는 인텔과 마이크론이 공동 개발한 비 휘발성 메모리인 3DXPoint를 DIMM에 탑재해 제품화하는 움직임입니다. 2015년 8월에 개최 된 인텔 개발자 포럼 IDF 2015에선 3DXPoint 메모리를 탑재한 DDR4 DIMM을 개발해 나갈 것임을 밝혔습니다. 3DXPoint 메모리는 바이트 단위의 갱신이 가능하기에 NVDIMM-F 같은 비 휘발성 메모리 DIMM이나 NVDIMM-N 같은 캐시 라인 단위의 액세스가 가능합니다.

 

 

3DXPoint 메모리를 탑재한 DDR4 DIMM의 개요

 

이렇게 종류가 늘어나니 더 새로운 표준인 NVDIMM-X 같은 게 필요한 것처럼 보입니다. 그렇다고 규격의 수가 너무 늘어나면 표준화할 의미가 없다고 보일 수도 있겠지요. 그 정도로 NAND 플래시 메모리와 비 휘발성 메모리 응용 제품은 바쁜 움직임을 보이고 있다 할 수 있습니다.