Intel과 Micron Technology는 작년 7월 28일 공동개발을 발표한 혁신적인 대용량 비 휘발성 메모리인 3D Xpoint Technology는 실리콘 다이의 성능은 NAND 플래시 메모리보다 1000배 빠르고 1000배나 긴 수명을 가지고 있으며, DRAM보다는 10배의 저장밀도를 가진다고 선전되고 있었습니다.
▲작년 7월 28일 첫 발표당시의 강연 슬라이드. 이때 당시에는 성능 비교가 추상적으로 되어있습니다.
▲IDF 2016의 강연 슬라이드. 쓰기 사이클 기억 밀도의 차이는 DRAM과 비교임을 하단의 주석에 명기되어 있습니다.
시제품의 실리콘 다이의 저장용량은 128Gbit로 굉장한 용량이였습니다. 2015년 7월 발표시점에서는 NAND 플래시 최대 저장 용량과 거의 동일하고, DRAM의 용량을 훨씬 뛰어 넘습니다. 과거에는 여기까지 대용량화한 차세대 대용량 비 휘발성 메모리에는 존재하지 않습니다.
주기억과 스토리지의 격차를 해소하기 채우기 위한 이상적인 메모리
컴퓨터 시스템에서 메모리 계층에서 항상 문제가 되는 것이 메모리와 스토리지의 속도 차이 ( 레이턴스 or 대기 시간의 차이 ) 입니다. 캐쉬 메모리 층의 대기 시간을 1 이라고 한다면, 주기억 층에서의 대기 시간은 10배가 됩니다. 이것은 주로 캐쉬 메모리의 하드웨어 기술인 SRAM과 주기억의 하드웨어 기술인 DRAM의 액세스 시간의 차이에 의해서 발생합니다. 다만 1 계층 내려가는 것에 의해서 대기 시간이 10배가 된다는 것은, 저장 용량을 10배 ~ 100배나 증가하게 양립 시키면, 메모리 서브 시스템의 성능이 높게 유지됩니다. 이것은 아주 좋은 밸런스라고 말할 수 있습니다.
하지만 주기억 층과 그 아래 층, 즉 스토리지인 SSD 층 사이에는 매우 큰 성능의 차이가 존재하고 있습니다. 대략 1만배나 되는 지연시간을 가지고 있는 것 입니다. 주기억의 바로 아래에 오는 메모리 계층의 지연 시간은 10배 ~ 100배가 바람직합니다. SSD에 비하면 1000분의 1 ~ 100분의 1의 수치입니다.
SSD의 기억소자는 당연하게도 NAND 플래쉬 메모리 입니다. 이 NAND 플래쉬 메모리 대기시간을 1000분의 1로 줄여, 주기억층의 바로 아래층에 어울리는 성능을 어필한 것이 바로 3D Xpoint기술이라고 말합니다.
3D Xpoint 기반 SSD의 시작과 평가
Intel과 Micron은 각각 3D XPoint기술을 기반으로한 SSD 브랜드를 런칭하면서, SSD의 성능을 평가한 결과를 발표하기 시작했습니다. Intel은 지난해 7월 발표시점에서 SSD 브랜드인 Optane을 발표하였고, Micron은 올해 8월 플래시 메모리 서밋 ( FMS )에서 QuantX를 발표하고 시제품의 SSD를 선보였습니다.
현재의 3D Xpoint 기반의 SSD는 지난해 7월 인텔이 발표한 정도의 성능을 얻을 수 없었습니다. SSD의 가장 빠른 인터페이스인 NVMe ( PCIe기반의 SSD전용 인터페이스 )를 사용하는 NAND메모리와 비교하면 3D Xpoint SSD의 지연시간은 10분의 1로 입출력속도 ( IOPS )가 10배의 성능을 가진것을 확인 할 수 있었습니다. 즉 지연시간이 DRAM과 주기억의 사이에는 아직 1000배정도의 차이가 있습니다.
▲3D Xpoint로 얻을 수 있는 성능. 대략 7.7배에서 10배의 속도를 가지고 있습니다.
▲기존 NVMe 인터페이스 SSD인 P3700와 3D Xpoint 기반의 Optane의 지연 시간 차이과 IOPS비교
▲NVMe 인터페이스 SSD와 Optane의 응용 프로그램의 지연시간을 비교. NVMe NAND SSD는 약 90μs의 지연이 있었으며, Optane의 경우에는 10μs로 단축되었습니다.
▲Micron의 QunatX의 성능에 대한 슬라이드에서는 IOPS는 NAND플래시의 10배 빠르며, 반응속도 역시 10배 이며, 설치면적의 경우에는 DRAM에 비하여 4분의 1크기밖에 되지 않는다고 발표하였습니다.
▲레이턴시 ( 지연 시간 )의 실측데이터. QuantX는 NAND 플래시 기반의 SSD에 비해 읽기와 쓰기 모두 대기시간이 약 10분의 1로 감소한 것을 확인할 수 있었습니다.
응용 프로그램에서의 성능 향상은 3~4배에 그쳐
IDF2016에서 Optane이 응용 프로그램에서의 성능향상을 평가한 결과 또한 발표하였었는데, 정리하면 성능 향상은 3~4배에 머물렀습니다. 비교 평가에 사용된 응용 프로그램은 컴퓨터 그래픽에 의한 애니메이션 생성 소프트웨어인 Houdini, PC용 벤치마크 소프트웨어 PCMark Vantage v1.2.0, 데이터베이스를 위한 벤치 마크 소프트웨어, Aerospike Cerification Tool, 데이터베이스를 위한 벤치 마크 소프트웨어 RocksdB 입니다.
▲응용 프로그램에 있어서의 성능 향상은 4배에 그쳤습니다.
▲ 애니메이션 생성 소프트웨어인 Houdini의 랜더링을 분석한 결과. Optane이 SSD에 비해서 명확하게 감소하고 있는 것을 확인할 수 있습니다.
▲PC용 벤치마크 프로그램인 PCMark Vatange V1.2.0의 평가 결과. Optane에 의한 점수가 2배에서 4배가까이 높습니다.
▲데이터 베이스를 위한 벤치 마크 소프트웨어인 Aerospike Certification Tool에 의한 평가. Optane을 사용할경우 4배에서 15배까지 빨랐습니다.
▲데이터 베이스를 위한 벤치 마크 소프트웨어 RocksdB에 의한 평가 결과. 처리량의 경우에는 3배나 많았으며, 지연시간 역시 10배나 빨랐습니다.
3D Xpoin기술 기반의 SSD의 성능은 향상될 여지가 있다.
지금까지 봐 온 것 처럼 3D Xpoint 기반의 SSD인 Optane과 QuantX의 성능은 측정에서는 10배정도 향상되었으며, 응용 프로그램의 측정에서는 3배라는 수준에 이르고 있습니다. 지난해 7월 1000배라는 수치에 비하면 상당한 냉정한 수치입니다. 그 이유를 몇가지 생각해 보자면
- 메모리 칩의 성능이 당초 발표보다 현저히 낮다.
- 컨트롤러의 성능 ( 혹은 완성도 ) 가 낮다.
- 소프트웨어의 성능 ( 혹은 완성도 ) 가 낮다.
- 측정조건이 3D Xpoint 기반 SSD의 성능을 끌어낼 수 없다
첫번째는 실리콘 다이의 구체적인 성능이 발표되지 않았기 때문에 확인하기 어렵습니다.
시판품들의 컨트롤러는 ASIC인 반면, 시제품에는 FPGA인 제품들이 많습니다. 시제품의 QunatX의 경우에도 FPGA기반임을 FMS Micron 쇼룸에서 확인할 수 있었습니다. FPGA가 ASIC의 성능을 뛰어 넘는것이 힘들다는 것을 고려한다면 시판품의 경우에는 좀 더 높은 성능 향상을 기대할 수 있을거라 생각됩니다. 뿐만 아니라 컨트롤러가 알고리즘이 입증된 NAND플래시 메모리에 비해 3D Xpoint 기술에 최적화 되어있지 않는 가능성역시 적지 않습니다.
컨트롤러인 FPGA는 CPU코어를 내장한 제품으로 생각되는데, 여기에서는 소프트웨어 ( 펌웨어 )를 필요로 합니다. 여기에서 최적화가 부족하였을 수도 있습니다.
NAND 플래시 메모리의 SSD는 QD ( 큐의 깊이, Que Depth ) 가 깊어지면 쓰기 속도가현저하게 느려지는 경향이 있습니다. 이에 비해서 3D Xpoint SSD는 쓰기 동작이 있어도 지연은 별로 증가하지 않고 IOPS 저하 역시 크게 없습니다. QD가 16정도의 깊이가 되면 대기 시간은 1000배 이상 차이가 발생할 수 있습니다.
▲P3700를 읽기 70 %, 쓰기 30 %에서 작동 시켰을 때의 QD (큐 깊이)에 의한 대기 시간 및 IOPS의 변화. QD를 늘리면 IOPS는 서서히 상승하지만, 대기 시간이 크게 증가합니다.
▲Optane과 P3700의 대기 시간 및 IOPS를 비교 결과. Optane는 QD를 깊게하더라도 IOPS는 순조롭게 상승하지만, 대기 시간이 전혀 증가하지 않는 것을 알 수 있습니다.
지금까지 봐 온것처럼 Optane과 QuantX에는 아직까지 개선의 여지가 충분이 있고, 성능 평가 방법 또한 재고의 여지가 있습니다. 미완성 컨트롤러에서 프로그램 성능이 3 ~ 4배의 성능 향상이 있다는 것이 오히려 대단한 일이라고 할 수 있습니다. 현재 3D Xpoint 기반의 SSD의 평가를 내리기에는 너무 나도 빠르다고 생각되며, 당분간은 모습을 지켜봐야 할 것입니다.
아니 정확히 뻥은 아니고 제성능이 안나온다는 거지만..
양산 발표해서 금방 상용화될줄 알았는데 갈 길이 머네요