KAIST, 메모리 확장 플랫폼 'DirectCXL' 개발
메모리 확장성·데이터 처리 속도 ↑

DirectCXL 플랫폼의 개요 및 CXL1.0/1.1과 CXL2.0의 차이. [사진=KAIST]
DirectCXL 플랫폼의 개요 및 CXL1.0/1.1과 CXL2.0의 차이. [사진=KAIST]
KAIST(총장 이광형)는 정명수 전기및전자공학부 교수 연구팀이 대용량 메모리 장치, 프로세스를 포함한 컴퓨트 익스프레스 링크(CXL) 2.0 기반 차세대 메모리 확장 플랫폼 '다이렉트CXL(이하 DirectCXL)'을 프로토타입 제작, 단대단(End-to-End) 시연에 성공했다고 1일 밝혔다.

오늘날 빅데이터 분석, 그래프 분석, 인메모리 데이터베이스 등 대규모 데이터에 기반한 응용 처리가 증가함에 따라, 데이터 센터에서는 이를 더 빠르고 효율적으로 처리하기 위해 시스템 메모리 확장에 노력을 가하는 추세다. 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 기반 응용을 처리하기에 충분치 않았다.

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

최근 컴퓨트 익스프레스 링크(Compute Express Link, 이하 CXL) 프로토콜의 등장으로 많은 메모리 고객사와 제조사가 이러한 문제를 해결할 가능성을 확인하고 있다. CXL은 PCI 익스프레스(PCIe) 인터페이스 기반의 CPU-장치(Device) 간 연결을 위한 프로토콜로, 이를 기반으로 한 장치 연결은 기존보다 높은 성능과 확장성을 지원하는 것이 특징이다.

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 지역 메모리 확장 장치, 시제품 개발 및 연구를 진행하고 있는 실정이었다. 

이에 정명수 교수 연구팀은 프로토타입 CXL 2.0 기반 메모리 확장 플랫폼 'DirectCXL'을 개발해 높은 수준의 메모리 확장성을 제공, 빠른 속도로 대규모 데이터 처리를 가능하게 했다. 이를 위해 연구팀은 ▲CXL 메모리 장치 ▲CXL 프로세서 (CPU) ▲CXL 네트워크 스위치 ▲CXL 소프트웨어 모듈을 개발해 플랫폼을 구성했다.

연구팀은 자체 제작한 메모리 확장 플랫폼 'DirectCXL'의 성능을 검증하기 위해 CXL 동작이 가능한 다수의 자체 개발 호스트 컴퓨터가 CXL 네트워크 스위치를 통해 연결된 다수 CXL 메모리 장치들을 제어하는 환경을 구성했다. 이후 구성된 플랫폼을 통해 CXL 메모리 장치의 성능을 기존 RDMA 기반 메모리 확장 솔루션과 비교했다. 그 결과, 기존 RDMA 기반 메모리 확장 솔루션 대비 8.3배의 성능 향상을 보였으며, 많은 메모리 접근을 요구하는 그래프 응용 처리 및 인 메모리 데이터베이스 응용 처리에서도 각각 2.3배, 2배의 성능 향상을 보였다. 

정명수 교수는 "세계 최초로 개발된 CXL 2.0 기반 단대단 프로토타입 플랫폼을 활용해 CXL이 적용된 새로운 운영체제(OS)는 물론, 시스템 소프트웨어와 솔루션 시제품 고도화를 통해 향후 CXL을 활용한 시스템 구축에 초석을 제공할 것이다"라고 말했다.

한편, 이번 연구는 미국 칼즈배드에서 지난해 열린 시스템 분야 학술대회 '유즈 닉스 연례 회의(USENIX Annual Technical Conference, 2022)'에 발표됐다.
 

DirectCXL과 기존 RDMA 기반 메모리 확장 플랫폼의 지연시간 및 응용 실행시간 비교 그래프. [사진=KAIST]
DirectCXL과 기존 RDMA 기반 메모리 확장 플랫폼의 지연시간 및 응용 실행시간 비교 그래프. [사진=KAIST]
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