KAIST, 차세대 SSD 콘트롤러 개발…오픈소스로 공개

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀이 차세대 SSD(Solid State Drive) 콘트롤러를 자체 개발하고, 이 기술을 대학 및 연구소의 비영리 연구용으로 무상 공개한다고 4일 밝혔다.

SSD 콘트롤러는 플래시 메모리에 정보를 입·출력, 관리하는 역할을 하는 SSD의 핵심부품이다. 삼성전자, 인텔 등 SSD 제조업체들은 콘트롤러를 자체 개발해 사용하고 외부에 제공하지 않는다. 실리콘밸리의 일부 기업이 콘트롤러 IP(설계도, 소스코드 등)를 판매하고 있으나 1인 사용 한정의 소스코드 1카피당 1억원을 호가하는 것으로 알려져 있어 대학 연구실에서 사용하기 어렵다.

정명수 교수 연구팀(컴퓨터 아키텍처 및 메모리 시스템 연구실)은 현재 SSD(Solid State Drive)와 같은 비휘발성 메모리의 초고속·대용량 정보처리를 위해 사용되고 있는 통신규격인 NVMe(Non Volatile Memory express)보다 초당 입출력 처리 능력 등을 대폭 향상시킨 차세대 NVMe 콘트롤러 `오픈 익스프레스(OpenExpress)'를 개발했다.

연구진은 또한 이 기술을 국내·외 대학과 연구소에 비영리 연구목적으로 무상 공개함으로써 초고속 차세대 메모리 등 저장장치 시스템 연구자들이 오픈소스 규약 내에서 자유롭게 수정, 사용할 수 있게 했다.

NVMe(비휘발성 메모리 익스프레스)는 PCI 익스프레스(PCIe) 인터페이스 기반의 저장장치를 위한 통신 규격(프로토콜)이다. 컴퓨터의 PCIe 슬롯에 꽂아 쓰는 주변기기가 CPU와 정보를 주고받는 프로토콜이라는 뜻이다. 하드디스크(HDD)용으로 설계된 SATA규격이 SSD의 속도를 받쳐주지 못하자 플래시 메모리에 특화된 통신규격으로 개발, 발전됐다. 지금은 NVMe가 초고속 데이터 전송규격의 표준으로 자리를 잡았으며 다양한 플래시 메모리 기반 저장장치에 적용되고 있다.

NVMe는 또한 학계와 산업계에서 차세대 메모리를 기반으로 한 시스템 장치 구성을 위해 지속적으로 연구되고 있다. 차세대 메모리를 사용한 SSD를 데이터센터, 슈퍼컴퓨터, PC 등 여러 컴퓨팅 환경에 적용하기 위해서는 운영체제와 파일 시스템 등을 최적화하기 위한 연구가 필요하다. 하지만 실제로 차세대 메모리를 장착한 SSD가 없기 때문에 대부분의 연구자들은 시뮬레이션 같은 방법에 의존하고 있다.

KAIST 연구진이 개발, 공개한 `오픈익스프레스'는 이러한 상황에서 SSD의 콘트롤러 부분을 오픈소스 프레임워크로 제공함으로써 기존에 불가능했던 다양한 응용 시스템 구축, 차세대 메모리가 적용된 새로운 운영체제 개발 등을 실제 프로토타입을 바탕으로 수행할 수 있게 됐다.

'오픈익스프레스'는 큐 배정, 데이터 전달, 완료처리기 등 크게 세 가지 하드웨어 모듈로 구성돼 있으며 저장장치를 사용하는데 필요한 내부 자원이 풍부하게 구현돼 있다.

연구팀은 실제 성능평가를 위해 상용 보드에 구현한 FPGA 스토리지 카드 시제품이 최대 7GB/s의 대역폭(속도)을 지원했으며, 다양한 스토리지 서버 작업 부하를 비교한 테스트에서도 인텔의 새로운 고성능 저장장치인 옵테인 SSD보다 76% 높은 대역폭과 68% 낮은 입출력 지연시간을 보였다고 밝혔다.

정명수 교수는 "4년전 차세대 메모리 연구를 위해 SSD 콘트롤러 구입을 알아보다가 실리콘밸리 기업의 비싼 사용료를 감당할 수 없어서 직접 개발하기 시작했다"고 연구배경을 전했다. 정 교수는 "이제 SSD 기술을 이끄는 몇몇 세계 최고 기업들만이 갖고 있던 콘트롤러를 대학과 연구소에서도 무료로 사용할 수 있다"면서 "초고속 차세대 메모리 등 저장장치 시스템의 연구를 위한 초석을 다졌다는 점에서 의미가 있다"고 강조했다.

정명수 교수는 이에 관한 논문(OpenExpress: Fully Hardware Automated Open Research Framework for Future Fast NVMe Devices)을 지난달 18일 열린 시스템 분야 최우수 학술대회인 `The USENIX Annual Technical Conference (ATC), 2020'에서 발표했다. 아시아권 단일저자가 작성한 논문이 채택된 것은 이 학술대회가 시작된 1993년 이후 처음이라고 한다.

한편 이번 연구는 차세대 메모리 개발 및 공급업체인 멤레이(대표 정영종)의 지원으로 이루어졌으며 해당 연구에 대한 자세한 내용은 정명수 교수의 홈페이지(camelab.org)에서 확인할 수 있다.