이제 SSD 개발자들은 성능 병목문제를 해소하고 대량의 데이터를 더 빠른 속도로 액세스하는데 필요한 고성능 호스트 제어 인터페이스 표준, 엔터프라이즈 플래시 컨트롤러, 지원 프레임워크, 툴을 이용할 수 있게 됐다.

글 | 캄 에시기(Kam Eshghi)
엔터프라이즈 컴퓨팅 사업부
Integrated Device Technology(IDT)

PCIe(PCI Express) SSD(Solid State Drive)는 엔터프라이즈 애플리케이션에서 기존의 하드 디스크 드라이브(HDD)나 스토리지 인터페이스를 이용한 SSD보다 월등한 성능 상의 이점을 제공한다. PCIe SSD는 플래시의 성능을 극대화함으로써 데이터 마이닝, 온라인 트랜잭션 프로세싱(OLTP), 금융 거래 프로세싱과 같은 I/O 집중적인 엔터프라이즈 애플리케이션의 처리 속도를 높여준다. 프로세서와 스토리지 서브시스템 사이의 성능 간극이 나날이 커지면서 고성능 PCIe SSD에 대한 요구가 급증하고 있다. 그러나 최근까지도 호스트 제어 인터페이스 표준이 정립되지 않았기 때문에 PCIe SSD는 폭넓게 채택될 수 없었다. 기존의 솔루션은 OEM의 검증 절차를 복잡하게 하는 독자적인 소프트웨어 드라이버를 필요로 했기 때문에, 이 점이 PCIe SSD가 널리 채택되는 데 있어서 걸림돌이 됐다. 그러나 이제는 PCIe SSD를 위해 확장 가능한 호스트 컨트롤러 인터페이스 표준으로서 NVM Express(NVMe)가 등장했고, 이를 지원하는 강력한 에코시스템과 NVMe 프로그머블 플래시 컨트롤러 칩과 같은 전용 디바이스 제품이 출시되면서 엔터프라이즈 컴퓨팅 애플리케이션에서 PCIe SSD의 잠재력을 극대화할 수 있게 됐다.

디바이스의 프로그램 가능성은 SSD 업계의 NVMe PCIe SSD로의 전환을 돕고 자체적인 펌웨어를 이용해서 자사 제품을 차별화할 수 있게 할 것이다. 한편, 서버 및 스토리지 OEM들은 현저히 향상된 성능, 간소화 되고 신속해진 검증 프로세스를 통해 혜택을 누릴 것이다.

엔터프라이즈 분야에서의 PCIe
PCI Express는 SSD 기반 엔터프라이즈 스토리지를 비롯한 다양한 애플리케이션에서 선호되는 인터페이스 표준이 됐다. PCIe의 성능과 확장성, 효과적인 전력관리라는 요인들이 디자이너와 시스템 설계자의 주목을 끌고 있는 것이다.
PCIe는 확장가능 포트 폭으로 초당 높은 수준의 입력/출력 연산을 수행할 수 있는 스루풋(throughput)을 제공한다(PCIe x4 Gen3의 경우 4 GBps). PCIe는 CPU로 직접 연결될 수 있기 때문에 호스트 버스 어댑터(HBA)가 필요하지 않고, 따라서 지연시간을 줄이며 시스템 비용과 전력소비 또한 낮출 수 있다. 하지만 여전히 엔터프라이즈 애플리케이션에서의 PCIe SSD의 도입은 비교적 미미한 수준이다. SSD 스토리지가 제공하는 근본적인 성능 상의 이점은 시장 잠재력이 매우 크다는 사실을 보여준다.
여러 가지 이점을 제공하는 NVMe 호스트 제어 인터페이스 표준의 출현은 엔터프라이즈 분야에서 PCIe SSD의 잠재력을 극대화할 것으로 전망되며 시장의 빠른 성장에 기여할 것이다. 이를 알려주는 지표로, 가트너(Gartner)는 PCIe 엔터프라이즈 SSD 시장이 2012년에서 2015년 사이 4배로 성장해 약 350만 유닛에 이를 것으로 전망하고 있다.

NVMe가 가져올 유연성, 확장성 및 성능 혜택
NVMe는 PCI Express SSD 기반의 엔터프라이즈 및 클라이언트 시스템을 위해 설계된 간소화된 레지스터 인터페이스와 명령 세트에 최적화된 고성능의 확장가능 호스트 컨트롤러 인터페이스이다. NVMe는 보안 및 단-대-단(end-to-end) 데이터 보호를 지원하고 지연시간을 낮추며 빠른 성능을 제공하기 위해 설계됐다. 이 표준은 엔터프라이즈 및 클라이언트 플랫폼을 위한 유연한 아키텍처를 제공한다. NVMe 1.0은 2011년 3월에 발표됐다. 이 호스트 제어 인터페이스 표준은 80개 이상의 업체로 이뤄진 업계 컨소시엄이 정의하고 개발한 것으로, 이 과정에서 해당 업체들은 상당한 수준의 기술 전문성을 쌓는 데 기여했다. 이 NVMe 프로모터들은 IDT를 포함해 델(Dell), EMC, 넷앱(Netapp), 시스코(Cisco), 오라클(Oracle), 인텔(Intel), STEC, 삼성(Samsung), 마이크론(Micron), 샌디스크(Sandisk), 마벨(Marvell), LSI 등 주요 업계 리더로 구성된다.

엔터프라이즈 분야에서의 NVM Express
엔터프라이즈 분야에서 NVMe는 데이터 센터와 같은 최신 고성능 컴퓨팅 환경에 필요한 성능을 제공한다. 대규모 병렬 구조를 가능하게 하는 이 표준은 최적화된 레지스터 인터페이스와 높은 수준의 확장성을 제공하므로, 현 시점의 스토리지 요구사항뿐만 아니라 향후 달라질 요구사항 또한 손쉽게 충족할 수 있다. 성능 지향적으로 설계된 NVMe는 클라우드, 인터넷 포털 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅 환경의 요구를 충족할 수 있다. NVMe는 캐싱(caching)이나 다중 드라이브에서 다음과 같은 이점을 제공한다:

- 멀티 코어 동작으로 중요한 데이터에 빠르게 접근 가능
- IO당 더 적은 클록 수로 동작하는 최적화된 레지스터 인터페이스와 명령 세트
- 현재와 미래의 NVM 성능 요구를 충족할 여력이 있는 뛰어난 확장성
- 단-대-단(end-to-end) 데이터 보호 및 트러스티드 컴퓨팅 그룹(Trusted Computing Group) 등의 표준 보안 프로토콜 지원
- 2012년 하반기 제품 출시와 함께 형성된 폭넓은 에코시스템의 지원

NVMe는 자사의 스토리지 솔루션으로 경쟁 우위를 달성하고자 하는 엔터프라이즈 고객을 위하여 고성능 애플리케이션에 최적화된 차세대 스토리지 인터페이스라 할 수 있다.

지원 디바이스 및 강력한 에코시스템
NVMe가 시스템 디자이너에게 “위험성 높은” 구현이라 인식되지 않고, 오히려 빠른 속도로 정착되고 있다. 신뢰할 수 있는 유수의 업체로 구성된 강력한 컨소시엄이 개발 및 지지하는 이 표준은 엄격한 심사와 평가를 통과한 후에 발표됐다. 또한 신뢰도 높은 고성능 NVMe 솔루션을 빠르고 편리하게 구현하는 견고한 에코시스템이 이미 형성됐다. 이러한 지원 디바이스로서 IDT는 PCIe Gen 3을 지원하는 단일칩 NVMe 엔터프라이즈 플래시 메모리 컨트롤러 제품을 출시했다. 이 16채널 또는 32채널 IC 제품은 IDT의 축적된 스위칭 노하우를 활용하고 있으며, SSD 업체들이 고-스루풋 저-지연시간의 디자인으로 전환할 수 있도록 해준다. IDT, 인텔, LSI는 표준 기반 NVMe 소프트웨어 드라이버를 개발했으며 르크로이(LeCroy)와 애질런트(Agilent) 같은 테스트 계측 장비 업체는 NVMe 프로토콜 분석기를 제공하고 있다.

2011년 12월 발표된 엔터프라이즈 2.5인치 SSD 폼팩터 규격 등을 비롯해 이러한 에코시스템은 SSD 개발자들을 지원하고 프레임워크를 제공한다. 이 규격은 업계에서 폭넓게 지지를 받고 있으며 높은 가용성과 사용자 편의성을 제공하려는 목적 하에 커넥터 규격과 핫 플러그 기능(hot pluggability) 등의 문제에도 초점을 맞추고 있다. 또한 표준 오픈소스(open source) NVMe 적합성 스위트와 UNH(University of New Hampshire)에서 최근에 설립한 NVMe 호환성 랩(NVMe Inter-operability Lab)은 적합성과 호환성을 보증하는 작업을 돕고 있다.

NVMe 활용 모델
NVMe PCIe SSD는 다양한 모델에 활용할 수 있다. 이러한 활용 모델들은 이 호스트 컨트롤러 인터페이스 표준이 제공하는 실제 이점을 보여준다:

중앙집중적 스토리지 시스템의 고성능 스토리지 - 계층적 엔터프라이즈 스토리지 시스템에서 고성능 계층에 PCIe SSD 어레이를 사용함으로써 전반적인 스토리지 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 이를 위해서는 시스템 연결에 사용되는 스위치와 PCIe 플래시 컨트롤러 사이의 매끄러운 상호운용이 중요하다. IDT의 새로운 16채널 또는 32채널 디바이스와 같은 호환 플래시 메모리 컨트롤러를 통해 NVMe를 사용하면 성능 병목문제를 해소하고, 경우에 따라서는 지연시간을 50% 이상 크게 낮출 수 있다.

서버 직접 연결 캐시 - PCIe SSD 기반의 단일 호스트 서버 플래시 캐싱은 읽기 집중적 워크로드에 최적화되어 엔터프라이즈 스토리지 애플리케이션에서의 지연시간을 크게 낮추고 스루풋을 현저히 향상시킬 수 있다.
특정 환경 내 다수의 서버에 서버 직접 연결 캐시를 설치해서 확장성이 탁월한 I/O 프로세싱 모델을 완성할 수 있다. 어떤 데이터가 가장 빈번하게 사용되는지 지속적이고 자동으로 판단 가능하며, 서버 기반 PCIe 카드로 이 데이터를 캐싱함으로써 읽기 집중적인 애플리케이션의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 서버 직접 연결 캐시 솔루션은 네트워크 스토리지 액세스에 필요한 오버헤드(overhead)를 피할 수 있기 때문에 통상적으로 응답시간을 수 밀리 초에서 수 마이크로 초로 단축할 수 있다.
NVMe의 도입은 효과적인 시스템으로의 통합을 가능하게 하고 성능의 잠재력을 최상의 수준까지 끌어올린다. 다시 한 번 강조하자면, NVMe는 표준 소프트웨어 드라이버를 이용해 스루풋을 극대화하고 지연시간을 최소화 한다.

서버 고성능 드라이브 - 이 애플리케이션은 표준화된 2.5인치 형식의 프런트 로딩 PCIe SSD를 이용한다. 이러한 접근법은 기존 드라이브와 동일한 수준의 사용편의성을 제공하고, 통합을 쉽게 하며 확장성을 향상시킨다. NVMe 인터페이스는 핫-스왑 가능(hot-swappable) SSD가 PCIe 호스트 버스로 직접 연결될 수 있도록 하며 성능을 극대화하고 표준화된 엔터프라이즈 등급의 기능을 제공한다. PCIe는 SSD, CPU, 시스템 메모리를 직접 연결할 수 있도록 한다.

요약
강력한 에코시스템의 구축과 다양한 전용 디바이스 제품 출시에 힘입어 NVMe 기반의 확장 가능한 호스트 제어 인터페이스 표준은 엔터프라이즈 애플리케이션에서 PCIe SSD의 잠재력을 극대화할 수 있는 성능을 제공한다. 기존의 독자적 PCIe SSD를 사용하면 고성능 엔터프라이즈 스토리지에 대한 급증하는 요구를 부분적으로만 충족할 수 있었다. 그럼에도 NVMe와 IDT의 플래시 컨트롤러 같은 호환 디바이스 제품의 확대에 앞서, 독자적 드라이버는 PCIe SSD가 폭넓게 도입되는 데 큰 걸림돌이었다. 이제 SSD 개발자들은 성능 병목문제를 해소하고 대량의 데이터를 더 빠른 속도로 액세스하는데 필요한 고성능 호스트 제어 인터페이스 표준, 엔터프라이즈 플래시 컨트롤러, 지원 프레임워크, 툴을 이용할 수 있게 됐다.  ES