차세대 메모리에 적용 가능한 컨트롤러 개발해 대학과 연구소 등에 무상으로 공개
KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수, 시스템 분야 최우수 학회
‘USENIX ATC’ 창립 27년 만에 최초 아시아 단일저자 논문 채택

데이터(DB)의 초고속·대용량 처리에 적합한 정보저장장치인 기존의 *NVMe 컨트롤러를 차세대 메모리 개발에 적합하도록 초당 입출력 처리 능력 등 각종 기능적 측면에서 성능을 대폭 향상시킨 차세대 NVMe 컨트롤러 관련 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다. 연구진은 이와 함께 이 기술을 국내·외 대학과 연구소에 무상으로 공개함으로써 관련 연구비용을 대폭 절감할 수 있게 했다.   
☞ NVMe(Non Volatile Memory express): 비휘발성 메모리 익스프레스. 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.    

KAIST(총장 신성철)는 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀(컴퓨터 아키텍처 및 메모리 시스템 연구실)이 *SSD의 데이터 병렬 입출력 처리를 순수 하드웨어로 구현한 차세대 NVMe 컨트롤러 `OpenExpress'를 개발하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.
☞ SSD(Solid State Drive): 자기디스크를 이용하는 데이터 저장장치인 하드디스크(HDD)와는 달리 반도체를 이용해 데이터를 저장하는 장치로서 빠른 속도로 데이터의 읽기와 쓰기가 가능하다. 발열과 소음도 적으며, 소형화‧경량화할 수 있는 장점이 있으나, 비싼 가격이 단점으로 꼽힌다.

정 교수의 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 단일저자가 작성한 논문이 USENIX ATC 학술대회에 채택된 것은 해당 학술대회가 시작된 1993년 이후 27년 만에 처음이다.

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. 

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. 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.

`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 보였다. 사용자의 필요에 따라 실리콘 장치 합성을 하게 되면  훨씬 더 높은 성능을 도출할 수 있을 것으로 예상된다.

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 가능하다ˮ면서 "초고속 차세대 메모리 등 저장장치 시스템의 연구를 위한 초석을 다졌다는 점에서 의미가 있다ˮ고 강조했다.

한편 이번 연구는 차세대 메모리 개발 및 공급업체인 `멤레이(MemRay)'의 지원을 받아 진행됐으며 해당 연구에 대한 자세한 내용은 웹사이트(http://camelab.org)에서 확인할 수 있다.

KAIST 홍보실 제공

그림 1. ‘OpenExpress’ 로고

 그림 2. ‘OpenExpress’를 장착한 시제품 및 평면도

그림 3. ‘OpenExpress’의 주요 하드웨어 IP 코어

그림 4. ‘OpenExpress’ 및 상변화 메모리를 적용한 ‘Optane SSD’의 성능 비교 그래프

1. 연구 내용

`OpenExpress'는 확장 가능한 데이터 처리(Submission), 우수한 입/출력 명령 자료구조(I/O Command Queue), 처리/완료 큐(Submission/Completion Queue) 관리를 지원하면서 동시에 NVMe 요청을 처리하기 위한 하드웨어에 자동화된 연구용 프레임워크이다.
`OpenExpress' 내에는 저장장치를 사용하는데 필요한 내부 자원이 풍부하게 구현되었고, 상업적으로 이용 가능한 Xilinx사의 UltraScale 보드에 프로토타입을 구현하였다.

<‘OpenExpress’ 개략도>
`OpenExpress'는 세 가지 하드웨어 모듈로 구성되어 있으며, 역할은 다음과 같다.
1. Queue Dispatching (큐 배정) : 들어온 입/출력 요청을 해석하는 모듈
2. Data Transferring (데이터 전달) : 호스트와 메모리 사이의 데이터 전달을 수행하는 모듈
3. Completion Handling (완료 처리기) : 데이터 읽기/쓰기 요청 인터럽트와 완료 자료구조를 관리하는 모듈

<‘OpenExpress’ 작동과정>
호스트가 NVMe 명령을 제출 큐에 발행할 경우(1) 명령어는 제출 큐뿐만 아니라 큐 배정 모듈 내부의 제출 큐 도어벨(DoorBell) 영역에도 같이 기록이 된다(2). 이 도어벨 영역은 제출 큐의 마지막 지점을 저장하고 있다. 이러한 도어벨 영역을 둠으로써, OpenExpress는 호스트의 NVMe 큐와 저장장치의 NVMe 큐 사이의 동기화를 맞출 수 있다. 큐 배정 모듈은 도어벨 영역이 갱신되는 부분을 살펴보고 이벤트 신호를 발생시킨다(3). 이벤트 신호는 타겟 데이터의 위치를 담고 있고, 이 데이터를 Fetch Manager에게 달한다. Fetch Manager는 입/출력 요청을 해석하고(4) 물리 영역 페이지 엔진(Physical region page engine)에 요청 정보를 전달한다(5). 이후, 데이터 전달 모듈은 물리 영역 페이지 목록에서 호스트 시스템 메모리를 확인하고 메모리와 사용자 사이에 데이터를 512Byte 단위로 나누어 DMA 엔진을 사용해 전달한다(6). 내부 프로세서에 의한 데이터 처리가 끝나면, 완료 처리기(Completion Handler)는 완료 큐의 시작점이 적혀있는 완료 큐 도어벨 영역에서 해당 완료 명령을 찾아, 호스트 쪽 메모리에 적어준다(7). 이후, 완료 처리기는 입/출력 서비스 완료 인터럽트를 발생시킨다(8). 마지막으로 호스트는 입/출력 서비스를 종료시키고 `OpenExpress'의 완료 큐 도어벨 영역을 동기화시킨다(9). 이 모든 과정은 하드웨어로 구성되었기 때문에, 빠른 속도를 갖는 차세대 메모리를 수용할 수 있다.

2. 기대 효과
차세대 메모리를 사용한 SSD를 데이터 센터, 슈퍼컴퓨터, 그리고 범용 PC 등 여러 컴퓨팅 환경에 적용하기 위해 운영체제와 파일 시스템 등의 최적화가 필요한데, 실제 미래 고성능 차세대 메모리를 장착한 SSD 등의 부재로 인해서 대부분 산업계/학계에서의 연구가 시뮬레이션과 같은 방법들에 의존하고 있다. 기존에 불가능했던 데이터 기반의 인공지능과 같은 다양한 응용의 고성능 시스템 구축, 새로운 운영체제 개발 등을 `OpenExpress'을 이용한 실제 프로토타입을 사용하여 수행할 수 있게 되었다.
또한, SSD 및 비휘발성 메모리를 이끄는 몇몇 세계 최고 기업들만이 가지고 있는 컨트롤러를 여러 대학에서 무료로 사용할 수 있게 되었다. 이에 따라, 저장장치의 시스템 연구가 활발해질 것이며, 차세대 메모리가 적용된 미래 운영체제와 저장장치가 곧 출시될 것으로 기대한다.

정명수 교수 이력사항

□ 인적사항                                       

KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수

○ 소 속 : KAIST 전기 및 전자공학부
 ○ 전 화 : 042-350-7655
 ○ e-mail : mj@camelab.org

□ 학력
 ○ 2010년 펜실베니아 주립대학교 박사 (컴퓨터과학)
 ○ 2009년 조지아 공과대학 석사 (컴퓨터과학)

□ 경력사항
 ○ 2019년~현재 : 카이스트 전기 및 전자공학부 부교수
 ○ 2015년~2019년 : 연세대학교 글로벌융합공학부 조교수
 ○ 2013년~2015년 : 텍사스 주립대 전기 및 전자공학부 조교수
 ○ 2011년~2015년 : 로렌스 버클리 국립연구소 객원 연구원
 ○ 2006년~2009년 : 삼성전자 연구원