KAIST(총장 신성철)는 SSD보다 더 빠른 차세대 저장장치를 만드는 기술을 세계 처음으로 개발했다고 4일 밝혔다.

KAIST에 따르면, 전기 및 전자공학부 정명수 교수 연구팀(컴퓨터 아키텍처 및 메모리 시스템 연구실)은 SSD의 데이터 병렬 입출력 처리를 순수 하드웨어로 구현한 차세대 NVMe 컨트롤러 '오픈익스프레스(OpenExpress)'를 개발하는 데 성공했다.

SSD(Solid State Drive)는 자기디스크를 이용하는 데이터 저장장치인 하드디스크(HDD)와 달리 반도체를 이용해 데이터를 저장하는 장치로 빠른 속도로 데이터 읽기와 쓰기가 가능하다. 발열과 소음이 적고 소형화 및 경량화할 수 있는 장점이 있지만 비싼 가격이 단점이다.

NVMe(Non Volatile Memory express)는 비휘발성 메모리 익스프레스로, PCI 익스프레스(PCIe) 인터페이스를 기반으로 한 저장장치를 위한 통신 규격(프로토콜)이다. SATA 인터페이스 대비 최대 6배 이상의 속도를 낼 수 있어 초고속, 대용량 데이터 처리에 적합하다.

정명수 KAIST 전기 및 전자공학부 교수.

KAIST는 "기존 NVMe 컨트롤러를 차세대 메모리 개발에 적합하도록 초당 입출력 처리 능력 등 각종 기능적 측면에서 성능을 대폭 향상시킨 차세대 NVMe 컨트롤러 관련 기술을 세계 최초로 개발한 것"이라고 설명했다.

기술을 개발한 정명수 KAIST 교수는 "이번 연구성과를 공개, 기존 SSD 기술을 이끄는 몇몇 세계 최고 기업들만이 갖고 있던 컨트롤러를 대학과 연구소에서도 이젠 무상 사용이 가능하다"면서 "초고속 차세대 메모리 등 저장장치 시스템 연구를 위한 초석을 다졌다는 점에서 의미가 있다"고 강조했다.

정 교수 관련 논문(논문명: OpenExpress: Fully Hardware Automated Open Research FRAMEwork for Future Fast NVMe Devices)은 지난달 18일 열린 시스템 분야 최우수 학술대회인 'The USENIX Annual Technical Conference (ATC), 2020'에서 발표됐는데, 아시아권 단일 저자가 작성한 논문이 'USENIX ATC 학술대회'에 채택된 것은 이 학술대회가 시작된 1993년 이래 27년 만에 처음이라고 KAIST는 밝혔다.

정 교수는 "빠른 입출력 장치에 특화된 NVMe 인터페이스 기술은 하드디스크(HDD)용으로 설계된 기존 SATA(Serial ATA) 규격이 SSD에서 제대로 성능을 발휘하지 못해 이를 대체하기 위해 개발했다"고 설명했다.

OpenExpress를 장착한 시제품 및 평면도.
OpenExpress 및 상변화 메모리를 적용한 Optane SSD의 성능 비교 그래프.
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.

전 세계 ICT 분야의 주요 기업들은 NVMe를 사용하는 데 필요한 하드웨어 NVMe 컨트롤러 관련 지식 재산권(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 4천만 원의 이용료를 내야 한다. 또 IP 수정을 위한 단일 사용 소스 코드를 받기 위해서는 복사본 당 약 1억 원을 지급해야 하는 등 막대한 비용지출이 필요하다.

이러한 문제해결을 위해 정명수 교수 연구팀은 자유롭게 수정이 가능한 하드웨어 NVMe 컨트롤러 지식 재산권(IP)인 'OpenExpress'를 개발하고 이를 무상으로 공개했다.

공개용 컨트롤러는 수십 개 이상 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 제공하는 모든 로직은 높은 주파수에서 동작하도록 설계했다.

'OpenExpress'를 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 보였다고 KAIST는 밝혔다.

정 교수팀이 개발한 이 컨트롤러는 비영리를 목적으로 하는 대학 및 연구소들이라면 'OpenExpress' 공개 소스 규약 내에서 자유로운 사용과 함께 수정 사용도 가능하다.

한편 이번 연구는 차세대 메모리 개발 및 공급업체인 멤레이(MemRay) 지원을 받아 진행됐고 연구의 자세한 내용은 웹사이트 '케임랩닷오알지(camelab.org)'에서 확인할 수 있다.

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