[분석정보] Intel의 새 메모리 3D XPoint가 DIMM으로 투입되는 배경

7배 밖에 빠르지 않은 3D XPoint SSD 데모

 Intel은 지난주 샌프란시스코에서 개최한 기술 컨퍼런스 "Intel Developer Forum (IDF) "서두의 기조 연설에서 새로운 메모리 기술 "3D XPoint"를 대대적으로 언급했다. 이전 기사 에서  올해 (2015년)의 IDF에서는 3D XPoint 메모리가 최대의 초점이 된다고 예측했는데, 실제로 키 노트에서 CPU에 대해서는 거의 언급하지 않고, 3D XPoint 메모리의 대변혁으로 내세웠다.

 여기에 더해 3D XPoint 메모리의 실제 칩을 사용한 SSD의 데모를 공개. 현재의 NAND 플래시 메모리 보다 "7 배"고속임을 어필했다. 아니, 정확히는 "7배 밖에" 고속이 아닌 데모이다. 밖에, 라고 쓴 것은, Intel과 Micron이 3D XPoint 메모리의 메모리 셀 자체의 성능을 NAND의 1,000 배 강조하고 있기 때문이다.

3D XPoint 메모리를 기반으로 하는 기술을 "Optane Technology "로 브랜딩

NAND의 1000배의 성능이, SSD는 7배 정도의 성능 차이로

Intel은 3D XPoint 메모리를 다양한 폼팩터 SSD로 도입

 물론, 1,000배가 7배로 된 것에는 몇 가지 이유가 있다. 먼저 PCI Express 대역폭의 제약이 있어, 성능이 한계에 있다. 또한 측정하는 것은 I / O 액세스 성능인 IOPS로, 메모리로서의 진짜인 랜덤 액세스 성능은 아니다. NAND와 3D XPoint 메모리는 접근성의 입도가 전혀 달라,  3D XPoint 메모리는 워드 단위의 소입도의 랜덤 액세스에서는 NAND에 비해 압도적으로 강하지만, 그 특징은 살려지지 않았다.

NVMe SSD에서의 3D XPoint의 NAND 대한 이점을 설명

 또 NAND SSD가 통상 고속화를 위해 캐시를 사용하고 있는 것도 영향이 있다. 참고로 3D XPoint SSD는 3D XPoint 메모리를 저장 소자로 사용하고 있으며, 3D XPoint의 캐시와 NAND 스토리지의 조합 솔루션은 아니라고 한다. 3D XPoint 메모리의 SSD는 캐시를 필요로 하지 않아, 보다 간단한 구성이 가능할 가능성이 있다.

 이러한 요소가 얽혀있기에, 이 7배라는 숫자 비교는 그다지 의미를 가지지 않는다. 그것보다  중요한 것은 3D XPoint 메모리가 가장 성능을 발휘할 수 있는 장소는, 이제는 I / O의 끝에 매달린 SSD로는 아닌 것이다.

 애초, SSD 영역에서, 3D XPoint는 3D NAND의 비트 / 비용 에는 이길 수 없기 때문에, 3D XPoint의 경쟁력도 낮다. 3D XPoint 메모리가 진가​​를 살리는 것이 가능한 장소는, 대기 시간에서도 대역에서도 보다 CPU에 가까운, CPU가 메모리 공간으로 매핑 가능한 위치이다. 즉, CPU 곁의 DRAM 소켓으로도 변화되어 갈 때가 최대한의 성능을 발휘하게 된다.

 이러한 배경부터, 3D XPoint는 새로운 메모리로서 삼고있는 곳도 SATA / PCI Express의 끝에서, DIMM 소켓으로 바뀌어 갈 가능성이 높다. 물론 3D XPoint SSD도 공존한다. 그러나 그것은 고가에도 빠른 SSD를 요구하는 일부 사용자를 위한 것으로, 3D XPoint가 빠르다는 이미지를 사람들이 받아들이게 하는 역할을 담당할 것으로 보인다.

스토리지 클래스 메모리로서 첫 성공이 될까

 3D XPoint 메모리는 이른바 "스토리지 클래스 메모리 (Storage Class Memory : SCM) "의 카테고리에 들어가는 메모리이다. NAND 보다 고속 고성능으로 DRAM 보다 대용량. DRAM과 NAND 사이에 열린 큰 격차를 메울 메모리 기술이다. 스토리지 클래스 메모리의 필요성은 이 몇년 동안 메모리 관련 컨퍼런스에서는 매번 외쳐졌다. 실제로 다수의 메모리 기술이 스토리지 클래스 메모리로 개발되어 왔다.

메모리 / 스토리지 계층에서 3D XPoint 위치

 3D XPoint 메모리가 지금까지의 새로운 메모리의 시도와 다른 것은, 처음부터 128G-bit라는 실용 수준의 대용량 다이 (반도체 본체)로 등장한 것. 발표를 보는 한, 정말 스토리지 클래스 메모리의 정 가운데를 자른 사양인 것. 그리고 처음부터 Intel 자신 이라는 초강력 사용자가 붙어있는 것.

 새로운 메모리 기술은, 언제나 "치킨 & 에그 문제"에 직면한다. 알 (양산과 비용 절감)이 먼저인가?, 닭 (고객의 사용)이 먼저인가? 라는 고전적인 문제다. 새로운 메모리는 고객에게 침투되어 양산하면 싸게된다. 싸게 되면, 고객이 보다 적극적으로 사용하게 된다. 그러나 고객이 붙지 않는 상태라면, 양산을 궤도에 올리는 것은 어렵다. 그러면 비용을 낮출기도 어려워진다. 그런데 3D XPoint 메모리의 경우는 처음부터 Intel 이라는 업계의 최대 고객이 붙어있다. Intel이 회사의 SSD 제품이나 서버 솔루션을 채용한다면, 그것으로도 상당한 고객을 기대할 수 있다.

 3D XPoint 메모리는, 그러한 요소가 갖추고 있기 때문에, 스토리지 클래스의 새로운 메모리로서 처음으로 성공할 가능성이 높다. 물론, Intel / Micron 그룹이 새로운 메모리를 외판하는가, 외판한다고 하면 어느 정도의 가격인가 라는 대한 의문은 남는다. 그러나 Intel 플랫폼 정도로도 상당한 양이 되기 때문에, 제 1단계의 보급의 계기까지는 돌파 할 수 있을 것 같다.

메모리 업계가 요구하는 궁극의 신 메모리

보다 CPU에 가까운 DIMM 소켓에 새로운 메모리를

 현재 진행되고 있는 메모리 / 스토리지 계층 개혁의 핵심은 기존의 CPU-DRAM 워킹 메모리 -HDD 저장 이라는 얕은 계층을 근본부터 개선하는 것에 있다. DRAM과 HDD 사이의 엄청난 레이턴시와 대역과 접근 성능의 격차를 메우는 계층을 만든다. SSD는 그 첫 걸음이지만, CPU에 가까운 곳에도 계층 구조를 마련한다.

Micron이 IDF에서 보여준 3D XPoint 제품의 위치

 개혁은 새로운 메모리 기술의 개발과, 새로운 메모리를 연결하는 계층의 양측면부터 나아가고 있다. 3D XPoint 메모리는 메모리 소자 자체가, 플래시 메모리와는 다른 완전 새로운 기술이다. 그리고 이미 설명했듯이, 고성능인 까닭에, 3D XPoint 메모리는 끼워지면 메모리 / 스토리지 계층도 달라져 간다. 따라서 Intel은 3D XPoint을 DIMM 폼팩터로도 제공한다.

Intel의 Bill Liszenske 씨

 Intel에서 3D XPoint 메모리를 담당하는 Bill Liszenske 씨는 IDF의 그룹 인터뷰에서 다음과 같이 설명했다. "우리는 여러 폼팩터 SSD와 DIMM에 3D XPoint를 제공한다. SSD가 앞서 내년 (2016년)이 되고 DIMM 그 후다.

 우리가 만든 3D XPoint DIMM은 미래의 Xeon에서 동작한다. 다만 주의할 것은, DIMM의 시기나 대응하는 Xeon 세대에 관해서, 우리는 2016년 으르도 다음 Xeon으로도 말할 수 없다. 또 어떤 종류의 클라이언트 아키텍처 또는 클라이언트 용의 DIMM에 3D XPoint를 제공한다고도 말할 수 없다.

 3D XPoint의 DIMM은 표준적인 DDR4 DIMM 소켓에 끼우는 것이 가능하다. 프로토콜 등의 자세한 내용은 대답 할 수 없다. 또한 이 DIMM은 OS로 부터 독립적이다. 지원을 위해 OS에  변경할 더할 필요는 없다. "

 실제로 Intel은 슬라이드 속에서 다음 Xeon에서 3D XPoint DIMM을 지원한다고 설명했다. DIMM 소켓에는 현재 NAND가 침투를 시작하고 있어 Intel도 서두를 필요가 있다.

재기록 가능 횟수의 제약

　DIMM 소켓은 비 휘발성 메모리에게는 새로운 국경이다. 현재의 시스템은 DRAM 인터페이스와 I / O 계 인터페이스 사이에 큰 대역폭과 지연 시간의 격차가 있다. 이 격차는 기존의 인터페이스가 DRAM과 물리 드라이브라는 구성을 전제로 하는 것이기 때문에 존재한다.

 따라서 성능적으로 그 사이에 들어가는 스토리지 클래스 메모리는, 성능을 살리려면 DRAM을 위한 넓은 대역과 낮은 지연 시간을 갖는 DRAM 인터페이스 측을 이용할 수 밖에 없다. 또  3D XPoint 같은 워드 단위로 어드레싱 할 수 있는 메모리는 DIMM 소켓에 적합하다. 페이지 기반의 큰 입도로만 어드레싱 가능한 NAND와 달리 3D XPoint 메모리는 DRAM과 같은 워드 기반의 소입도의 어드레싱이 가능하다.

 "NAND는 큰 블록으로 읽기 / 쓰기 동작하지만, 3D XPoint는 크로스 포인트 (로 메모리 셀을 선택하는 아키텍처)이므로, 진정 주소 지정 가능이다. 아주 DRAM에 가깝다. 그래서 DRAM 소켓에 3D XPoint을 붙이는 것에 의미가 있다 "고 Liszenske 씨는 설명한다.

 다만 3D XPoint을 포함해서 대부분의 스토리지 클래스 메모리는 DRAM과 동일하게 다룰수는 없다. 재기록 가능 횟수에 제약이 있기 때문이다.

 3D XPoint 메모리도 NAND보다 재기록 횟수가 아득히 많다고는 하나, 사실상 다시쓰기 횟수에 제한이 없는 DRAM과 비교하면 제약이 있다. 또한 접근 지연시간도 DRAM 정도 짧게되지 않는 것도 보인다. DIMM 소켓에 끼우더라도 DRAM과 동일하게 쓰는 것은 어렵다.

 따라서 OS에서 DRAM 처럼 사용할 수 있게 하기 위해서는 어떤 하드웨어 장치가 필요하다. 이것은 3D XPoint 대응 Xeon이 내장하는 메모리 컨트롤러를 3D XPoint 메모리에 최적화 하는 것으로 실현 할 것으로 보인다. 물론 장기적으로는 OS 측에서 대응하는 것으로 DRAM과  3D XPoint를 연속된 메모리 공간으로, 보다 효율적으로 사용하게 될 것이다. 메모리 계층 어웨어 소프트웨어 계층은 미래의 방향이라고 볼 수 있지만, 그것까지는 은폐 할 필요가 있다.

DRAM DIMM을 라이트 백 캐시로 사용

 JEDEC (반도체 표준화 단체)도 NAND를 대상으로 하는 비 휘발성 메모리 DIMM 규격 "NVDIMM"를 3 종류 책정 혹은 책정하려 한다. NVDIMM은 DRAM과 NAND를 혼재하는 것을 전제로하고 있으며, 규격에 의해 어딘가의  물리 메모리를 메모리 공간에 매핑한다. NAND 메모리 용량을 살리는 것이 가능한 이외에, 시스템이 다운된 때에도 메모리 내용이 유지된다는 것이 중요한 포인트다.

 Intel의 3D XPoint DIMM은 JEDEC 규격과는 다를 가능성이 높다. 3D XPoint DIMM은 모듈에 DRAM은 올리지 않고, 3D XPoint 메모리만을 탑재 할 가능성이 높다. 다만 DRAM DIMM을 병용하는 것을 전제로 한다. Intel의 슬라이드에는 DRAM 측의 DIMM이 라이트 백 캐시로서  움직인다 설명되어 있다. 이것은 3D XPoint 메모리의 물리 메모리를 메모리 공간에 매핑하여, DRAM이 그 앞의 캐시로서 일하는 구조라고 볼 수있다. Intel은 이러한 구성의 메모리 관한 특허도 출원했다. 그것은 Skylake의 eDRAM 아키텍처와도 얽혀있다.

DRAM DIMM을 라이트 백 캐시로 하는 3D XPoint DIMM 솔루션

 어쨌든, 3D XPoint를 메모리 소켓에 가져 오는 것은 3D XPoint의 데이터 센터용 솔루션의 열쇠가 될 것이다. 3D XPoint의 본 임무는 SSD가 아닌 DIMM이다. 참고로 Intel은, SSD는 서버와 클라이언트 용으로 제공하지만, DIMM은 당분간 서버용이다. DIMM에 대용량 메모리를 원하는 요구는 우선 서버 측에 있기 때문이다. 방대한 메모리 데이터베이스나 시스템 회복 고속화등, 서버 측에서는 대용량 비 휘발성 메모리를 필요로 하는 영역이 있다.

3D XPoint 메모리의 미래 응용 프로그램

3D XPoint 메모리는 우선 대규모 시스템부터

 물론 장기적으로는 PC, 커녕 오히려 더 작은 클라이언트에도 3D XPoint가 올 수 있다. 3D XPoint 메모리는 크로스 포인트 메모리이기 때문에 로직 공정과 비교적 궁합이 좋다. IoT (The Internet of Things)용의 임베디드 MCU에서, 현재 SRAM의 워킹 메모리와 현재 임베디드 플래시 스토리지를 3D XPoint 메모리로 바꾼다는 것도 생각할지도 모른다. 그러면 임베디드 메모리가 전제의 MCU에서 Android와 같은 리치 OS를 달리는 것도 가능하다. 이렇게 풀어보면  3D XPoint 메모리로 부터 시작하는 새로운 메모리가 혁신적인 요소가 되는 것을 알 수 있다.

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