KAIST, SSD보다 더 빠른 차세대 NVMe 컨트롤러 ‘OpenExpress’ 개발 성공
  • 김관모 기자
  • 승인 2020.08.04 13:00
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정명수 교수, 차세대 메모리에 적용 가능한 컨트롤러 개발… 대학과 연구소 등에 무상 공개

[인더스트리뉴스 김관모 기자] 데이터(DB)의 초고속·대용량 처리에 적합한 정보저장장치인 기존의 ‘비휘발성 메모리 익스프레스(on Volatile Memory express, 이하 NVMe) 컨트롤러’를 차세대 메모리 개발에 적합하도록 차세대 NVMe 컨트롤러 관련 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

차세대 NVMe 컨트롤러 'OpenExpress' 로고 [사진=KAIST]
차세대 NVMe 컨트롤러 'OpenExpress' 로고 [사진=KAIST]

KAIST(총장 신성철)는 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀(컴퓨터 아키텍처 및 메모리 시스템 연구실)은 SSD(Solid State Drive)의 데이터 병렬 입출력 처리를 순수 하드웨어로 구현해 초당 입출력 처리 능력 등 각종 기능적 측면에서 성능을 대폭 향상시킨 차세대 NVMe 컨트롤러 ‘OpenExpress’를 개발하는 데 성공했다고 8월 4일 밝혔다.

빠른 입출력 장치에 특화된 NVMe 인터페이스 기술은 하드디스크(HDD)용으로 설계된 기존의 SATA(Serial ATA) 규격이 SSD에서 제대로 성능을 발휘하지 못하자 이를 대체하기 위해 개발됐다. NVMe는 SSD 성능을 최대한 활용할 수 있도록 개발된 초고속 데이터 전송규격으로 자리를 잡았으며 현재 다양한 플래시 기반 저장장치에 적용되고 있다. NVMe는 또 학계와 산업계에서 차세대 메모리를 기반으로 한 시스템 장치 구성을 위해 계속 연구되고 있다.

OpenExpress의 주요 하드웨어 IP 코어 [사진=KAIST]
OpenExpress의 주요 하드웨어 IP 코어 [사진=KAIST]

전 세계 ICT 분야의 주요 기업들은 NVMe를 사용하는 데 필요한 하드웨어 NVMe 컨트롤러 관련 지식 재산권(이하 IP) 확보를 위해 막대한 비용을 투자해 독자적인 개발에 나서고 있다. 하지만 해당 IP는 외부에 공개가 되지 않아 대학이나 연구소 등에서 이를 연구목적으로 사용하기에는 어려움이 많다. 미국 실리콘밸리에 있는 소수의 벤처기업이 자체적으로 개발한 IP를 일부 제공하지만 한 달에 약 4,000만원의 이용료를 내야 한다. 또 IP 수정을 위한 단일 사용 소스 코드를 받기 위해서는 복사본 당 약 1억원을 지급해야 하는 등 막대한 비용지출이 필요하다.

이러한 문제해결을 위해 정명수 교수 연구팀은 자유롭게 수정이 가능한 하드웨어 NVMe 컨트롤러 IP인 OpenExpress를 개발하고 이를 국내·외 대학과 연구소에 무상으로 공개했다. 이 공개용 컨트롤러는 수십 개 이상의 하드웨어 기본 IP들과 여러 핵심 NVMe IP 코어로 구성돼 있다. 정 교수팀은 실제 성능평가를 위해 OpenExpress를 이용한 NVMe 하드웨어 컨트롤러를 프로토타입(시제품)으로 제작하고, OpenExpress에서 제공되는 모든 로직은 높은 주파수에서 동작하도록 설계했다.

OpenExpress를 장착한 시제품 및 평면도 [사진=KAIST]
OpenExpress를 장착한 시제품 및 평면도 [사진=KAIST]
OpenExpress 및 상변화 메모리를 적용한 Optane SSD의 성능 비교 그래프 [사진=KAIST]
OpenExpress 및 상변화 메모리를 적용한 Optane SSD의 성능 비교 그래프 [사진=KAIST]

OpenExpress를 이용해 개발한 FPGA 스토리지 카드 시제품은 최대 7GB/s의 대역폭을 지원한다. 따라서 초고속 차세대 메모리 등의 연구에 적합하며, 다양한 스토리지 서버 작업 부하를 비교한 테스트에서도 인텔의 새로운 고성능 저장장치인 옵테인 SSD(Optane SSD)보다 76% 높은 대역폭과 68% 낮은 입출력 지연시간을 보였다. 사용자의 필요에 따라 실리콘 장치 합성을 하게 되면 훨씬 더 높은 성능을 도출할 수 있을 것으로 예상된다.

KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수
KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수

정 교수팀이 개발한 이 컨트롤러는 비영리를 목적으로 하는 대학 및 연구소들이라면 OpenExpress 공개 소스 규약 내에서 자유로운 사용과 함께 수정사용도 가능해서 차세대 메모리를 수용하는 NVMe의 컨트롤러와 소프트웨어 스택에 관한 연구에 적합하다.

정명수 교수는 “이번 연구성과를 공개했기 때문에 기존 SSD 기술을 이끄는 몇몇 세계 최고 기업들만이 갖고 있던 컨트롤러를 대학과 연구소에서도 이젠 무상 사용이 가능하다”며, “초고속 차세대 메모리 등 저장장치 시스템의 연구를 위한 초석을 다졌다는 점에서 의미가 있다”고 강조했다.

정 교수의 관련 논문(논문명: ‘OpenExpress: Fully Hardware Automated Open Research Framework for Future Fast NVMe Devices’)은 지난 7월 18일 열린 시스템 분야 최우수 학술대회인 ‘The USENIX Annual Technical Conference(ATC), 2020’에서 발표됐는데 아시아권 단일저자가 작성한 논문이 USENIX ATC 학술대회에 채택된 것은 해당 학술대회가 시작된 1993년 이후 27년 만에 처음이다.

한편 이번 연구는 차세대 메모리 개발 및 공급업체인 ‘멤레이(MemRay)’의 지원을 받아 진행됐다.

 

 

 



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