파네시아, 세계 최초 CXL 2.0 단대단 프로토타입 공개

파네시아는 CXL 2.0(Compute Express Link 2.0) 기반 차세대 메모리 확장 플랫폼 DirectCXL을 개발하였습니다. 파네시아는 또한 세계 최초로 운영체제가 실장된 단대단(End-to-end) CXL 2.0 프레임워크를 제작하여 공개하였습니다. 해당 기술은 올해 7월 미국 칼스배드(Carlsbad)에서 열리는 USENIX ATC 학회에서 발표될 예정입니다.

기존 메모리 확장 방식

오늘날 빅데이터 분석, 그래프 분석, 인메모리 데이터베이스 등 대규모 데이터에 기반한 응용처리가 증가함에 따라, 데이터센터에서는 이를 더 빠르고 효율적으로 처리하기 위해 시스템의 메모리 확장에 많은 투자를 하고 있습니다.

그러나 우리가 흔히 알고 있는 메모리 확장 방식인 더블 데이터 대역폭(DDR) 인터페이스를 통한 메모리 확장은 추가할 수 있는 메모리 개수의 제한이 있어, 대규모 데이터 기반의 응용을 처리하기에 충분하지 않습니다. 따라서 데이터센터에서는 CPU와 메모리로 이루어진 메모리 노드들을 따로 구성하고, 응용을 수행하는 호스트의 메모리가 부족하면 네트워크로 연결된 메모리 노드를 자신의 메모리 공간으로 사용하는 원격 데이터 전송 기술(RDMA) 기반의 메모리 확장을 사용합니다.

기존 메모리 확장 방식의 문제점

여러 메모리 노드를 사용하는 RDMA 기반의 메모리 확장을 통해 데이터센터는 시스템의 메모리 크기를 늘릴 수 있었지만, 여전히 해결해야 할 문제들이 남아있습니다. 우선 RDMA 기반 메모리 확장 시스템에서는 노드 간 데이터 이동 시 불필요한 데이터 복사, 소프트웨어의 개입 그리고 프로토콜 전환으로 인한 지연을 발생시켜 성능 저하가 발생합니다. 또한 시스템의 메모리 확장 시 메모리만을 추가할 수 있는 것이 아닌, 메모리와 메모리를 제어할 CPU가 하나의 메모리 노드를 이루어 시스템에 추가되어야 했기 때문에, 추가적인 비용 소모가 발생합니다.

CXL 기반 메모리 확장 방식

최근 CXL 프로토콜의 등장으로 많은 메모리 고객사와 제조사가 이러한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 확인하고 있습니다. CXL은 PCIe 인터페이스 기반의 CPU-장치 간 연결을 위한 프로토콜로, 이를 기반으로 한 장치 연결은 기존보다 높은 성능과 확장성을 지원하는 것이 특징입니다.

국내외 유수 기업들이 모여 CXL 인터페이스 표준 규약을 제안하는 CXL 컨소시엄은 지난 2019년 CXL 1.0/1.1을 처음 제안하였고, 이후 CXL 2.0을 발표하며 CXL 1.0/1.1에서 하나의 포트당 하나의 지역 장치만을 연결할 수 있었던 확장성 문제를 스위치 네트워크를 통해 개선, 하나의 포트를 여러 포트로 확장할 수 있도록 했습니다. 따라서 CXL 1.0/1.1과 달리 CXL 2.0에서는 확장된 포트에 다수의 원격 장치를 연결하는 것이 가능해 더 높은 확장성을 지원할 수 있게 되었습니다.

그러나 CXL 2.0의 높은 확장성에도 불구하고, 아직 CXL 연구의 방향성을 제시해줄 수 있는 시제품 개발 및 연구들이 진행되지 않아, 메모리 업계와 학계에서는 여전히 CXL1.0/1.1을 기반으로 로컬 메모리 확장, 시제품 개발 및 연구를 진행하고 있는 실정입니다. 따라서 새로운 CXL 2.0을 통한 메모리 확장 연구의 방향성과 초석을 제시할 필요성이 커졌습니다.

DirectCXL: 세계 최초 CXL 2.0 단대단 프로토타입

파네시아가 전 세계 최초로 프로토타입한 CXL 2.0 기반 메모리 확장 플랫폼 ‘DirectCXL’은 높은 수준의 메모리 확장성을 제공하며, 빠른 속도로 대규모 데이터 처리를 가능케 합니다. 이를 위해 파네시아는 메모리를 확장해 줄 장치인 'CXL 메모리 장치'와 호스트 'CXL 프로세서 (CPU)', 여러 호스트를 다수의 CXL 메모리 장치에 연결해주는 'CXL 네트워크 스위치' 그리고 메모리 확장 플랫폼 전반을 제어할 'CXL 소프트웨어 모듈'을 개발하여 플랫폼을 구성하였습니다.

구성된 DirectCXL 플랫폼을 사용한 시스템에서는 확장된 메모리 공간에 직접 접근하여 데이터를 CPU의 캐시로 가져와 불필요한 메모리 복사와 소프트웨어의 개입이 없으며, PCIe 인터페이스만을 사용하여 프로토콜 전환을 없애 지연시간을 최대한 줄였습니다. 또한 추가적인 CPU가 필요 없는 CXL 메모리 장치를 CXL 스위치에 연결하는 것만으로 메모리 확장이 가능해 효율적인 시스템의 구성이 가능합니다. 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 센터향 응용을 실행하고 시연한 것은 이번 사례가 처음입니다.

파네시아는 자체 제작한 메모리 확장 플랫폼 DirectCXL의 성능을 검증하기 위해 4개의 호스트 컴퓨터가 CXL 네트워크 스위치를 통해 연결된 다수 CXL 메모리 장치들을 제어하는 환경을 구성하였습니다. 이후 구성된 플랫폼을 통해 CXL 메모리 장치의 성능을 기존 RDMA 기반 메모리 확장 솔루션과 비교하였습니다. 파네시아가 제안한 DirectCXL은 확장된 메모리에 대한 접근 시간 검증에서 기존 RDMA 기반의 메모리 확장 솔루션 대비 8.3배의 성능 향상을 보였으며, 많은 메모리 접근을 요구하는 그래프 응용처리 및 인 메모리 데이터베이스 응용처리에서도 각각 2.3배, 2배의 성능 향상을 이루어 냈습니다.

파네시아는 "이번에 개발된 DirectCXL은 기존 RDMA기반 메모리 확장 솔루션보다 훨씬 적은 비용으로도 뛰어난 성능과 높은 확장성을 제공하는 만큼 데이터센터나 고성능 컴퓨팅 시스템에서의 수요가 클 것으로 기대한다. 세계 최초로 개발된 CXL 2.0 기반의 단대단 프토타입 플랫폼을 활용하여 CXL이 적용된 새로운 운영체제(OS)는 물론 시제품 고도화를 통해 향후 CXL을 활용한 시스템 구축에 초석을 제공할 것이다ˮ라고 밝혔습니다.

해당 연구 내용은 다수의 기사를 통해 소개되었습니다. 관련 내용은 아래의 링크를 통해 확인할 수 있습니다.

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