데이터센터 메모리 접근 8.3배 빨라졌다

KAIST, 세계 최초 '다이렉트 CXL' 시연 성공
프로토타입 제작… 메모리 자유롭게 확장 가능
그래프 등 응용처리 시간 최소 2배 이상 빨라져
데이터센터·고성능컴퓨팅 시스템에 활용 가능

한국과학기술원(KAIST) 정명수 교수팀이 CXL 2.0을 기반으로 프로토타입의 '다이렉트 CXL'을 만들었다. 다이렉트 CXL은 분리된 메모리 장치로부터 직접 데이터를 읽고 쓸 수 있는 고성능 메모리 확장 플랫폼이다. KAIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 정명수 교수팀이 '컴퓨트 익스프레스 링크(CXL) 2.0' 기반의 차세대 메모리 확장 다이렉트 플랫폼(다이렉트 CXL)을 세계 최초로 개발했다. 다이렉트 CXL은 메모리를 자유롭게 확장하면서도 직접 접근 가능한 고성능의 차세대 인터페이스다.

또한 정명수 교수팀은 '다이렉트 CXL'을 프로토타입으로 제작해 운영체제(OS)가 실장된 단대단(End-to-End) 시연에도 성공했다.

연구진이 제작한 다이렉트 CXL를 기존 원격 직접 메모리 액세스(RDMA) 기반 메모리 확장 솔루션과 비교한 결과, 확장된 메모리에 대한 접근 시간이 8.3배 향상됐다. 또한 많은 메모리 접근을 요구하는 그래프 응용처리에서는 2.3배, 인 메모리 데이터베이스 응용처리에서도 2배 성능이 향상됐다.

정명수 교수는 1일 "다이렉트 CXL은 기존 RDMA기반 메모리 확장 솔루션보다 훨씬 적은 비용으로도 뛰어난 성능과 높은 확장성을 제공해 데이터센터나 고성능 컴퓨팅 시스템에서의 수요가 클 것"이라고 말했다. 또한 "세계 최초로 개발된 CXL 2.0 기반의 단대단 프로토타입 플랫폼을 활용해 CXL이 적용된 새로운 OS는 물론 시스템 소프트웨어, 솔루션 시제품 고도화를 통해 향후 CXL을 활용한 시스템 구축에 초석을 제공할 것"이라고 덧붙였다.

연구진이 만든 CXL 2.0 기반 메모리 확장 플랫폼 '다이렉트 CXL'은 세계 최초의 프로토타입이다. 이는 높은 수준의 메모리 확장성을 제공하며, 빠른 속도로 대규모 데이터 처리를 가능케 한다.

이를 위해 연구진은 메모리를 확장해 줄 장치인 'CXL 메모리 장치'와 호스트 'CXL CPU', 여러 호스트를 다수의 CXL 메모리 장치에 연결해주는 'CXL 네트워크 스위치' 그리고 메모리 확장 플랫폼 전반을 제어할 리눅스 운영체제 기반의 'CXL 소프트웨어 모듈'을 개발해 플랫폼을 구성했다.

이 시스템에서는 확장된 메모리 공간에 직접 접근해 데이터를 CPU의 캐시로 가져와 불필요한 메모리 복사와 소프트웨어의 개입이 없다. 또 PCIe 인터페이스만을 사용해 프로토콜 전환을 없애 지연시간을 최대한 줄였다. 이와함께 추가적인 CPU가 필요 없는 CXL 메모리 장치를 CXL 스위치에 연결하는 것만으로 메모리 확장이 가능해 효율적인 시스템의 구성이 가능하다.

국내외 소수 대기업에서 메모리 장치 일부 단품에 대한 구성을 보여준 준 사례는 있지만, CXL 2.0 기반, CPU부터 CXL 스위치, 메모리 장치가 장착된 시스템에서 운영체제를 동작시키고 데이터 센터와 응용을 실행하고 시연한 것은 정명수 교수 연구팀이 처음이다.

다이렉트 CXL 플랫폼의 개요 및 CXL1.0,1.1과 CXL2.0의 차이. KAIST 제공

한편, 현재 사용되는 메모리 확장 방식은 더블 데이터 대역폭(DDR) 인터페이스를 통한 메모리 확장이다. 이는 추가할 수 있는 메모리 개수에 제한이 있어, 대규모 데이터 기반의 응용을 처리하기에 충분치 않다. 따라서 데이터 센터에서는 CPU와 메모리로 이뤄진 메모리 노드들을 따로 구성한다. 또 응용을 수행하는 호스트의 메모리가 부족하면 네트워크로 연결된 메모리 노드를 자신의 메모리 공간으로 사용하는 RDMA 기반의 메모리 확장을 사용한다.

이때 노드 간 데이터 이동 시 불필요한 데이터 복사, 소프트웨어의 개입, 프로토콜 전환으로 인한 지연으로 성능 저하가 발생한다. 또 시스템의 메모리를 확장할때에는 메모리와 메모리를 제어할 CPU가 하나의 메모리 노드를 이루기 때문에 추가 비용이 든다.

국내외 유수 기업들이 모여 CXL 인터페이스 표준 규약을 제안하는 CXL 컨소시엄은 지난 2019년 CXL 1.0/1.1을 처음 제안했다.

이후 CXL 2.0을 발표하며 CXL 1.0/1.1에서 하나의 포트당 하나의 지역 메모리 장치만을 연결할 수 있었던 확장성 문제를 스위치 네트워크로 개선해 하나의 포트를 여러 포트로 확장할 수 있도록 했다.

그러나 CXL 2.0의 높은 확장성에도 불구하고, 아직 CXL 연구의 방향성을 제시해줄 시제품 개발은 아직이다.

메모리 업계와 학계에서는 여전히 CXL1.0/1.1을 기반으로 지역 메모리 확장 장치, 시제품 개발 및 연구를 진행하고 있는 실정이다.

[e-mail] 김만기 기자