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데이터 센터의 혁신, 인터넷 고성장을 가속화하다

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글/잭 섄들(Jack Shandle), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

전자공학은 지금까지 줄곧 가상주기라는 개념과 함께해왔다. 1980년대 Microsoft 등의 소프트웨어 회사들은 대용량 디스크 드라이브를 통해 더 많은 스토리지를 필요로 하는 더 강력한 애플리케이션을 만들 수 있었다. 이로 인해 만들어진 더욱 더 강력한 애플리케이션은 훨씬 더 많은 스토리지를 필요로 하게 되었다.
Intel과 같은 제조사들이 마이크로프로세서에 점점 더 많은 프로세싱을 집어넣으면서, 그래픽과 비디오와 같은 계산 집약적 애플리케이션들이 프로세싱 공간을 채우는 것처럼 보였다. 물론 인터넷의 발달로 인하여 이전의 다른 모든 가상주기들이 작아 보이게 되었다.
데이터 센터가, 특히 최근에 들어서는 클라우드 컴퓨팅이 데이터 센터 내의 모든 단계에서 하드웨어 기술의 혁신을 주도하고 수익을 창출하고 있다는 사실은 놀라운 일이 아니다. 클라우드 컴퓨팅의 도래로 처리 속도, 데이터 검색 속도, 대용량 스토리지, 기계 간 통신 속도 등은 그 어느 때보다도 중요해졌다.
‘클라우드 컴퓨팅’이란 인터넷 뒤편에서 복잡한 컴퓨팅과 통신 아키텍처를 구성하는 형태 없는 ‘구름’을 뜻한다. 클라우드 컴퓨팅은 1990년대 몇몇 벤더가 원격 네트워크 서비스에 의존하는 PC를 극도로 단순화한 ‘씬 클라이언트(thin-client)’를 내세우며 잘못된 출발을 하게 되었는데, 아쉽게도 임무를 수행하기에 인프라 속도가 너무 느렸다. 하지만 오늘날에는 네트워크 통신과 처리 속도가 빨라지면서 접근 방식이 바뀌었다.
기존 데이터 센터의 경우 통상적으로 서버, 컴퓨팅 리소스, 애플리케이션 및 스토리지를 물리적으로 어느 정도 같은 위치에 둔 반면, 클라우드 컴퓨팅은 병렬화와 중복이 가장 중요한 가상 머신에 새로운 컴퓨팅 패러다임을 도입했다.

“데이터 센터 시장에서 하드웨어 혁신을 기대해볼 수 있는 곳은 서버쪽이다.”

단일 애플리케이션의 서로 다른 스레드는 전 세계 여러 컴퓨터에서 실행되어 수많은 NAS(네트워크 결합 스토리지) 위치에서 정보를 검색하고, 지리적으로 다양한 서버 리소스와 통신 채널을 공유할 수 있다.
크게 봤을 때는 장거리 광섬유 통신이 널리 보급되면서 클라우드 컴퓨팅이 가능해졌다.
그러나 서브시스템-서브시스템 상호연결 및 칩-칩 인터페이스 등 엔지니어를 수십 년 동안 괴롭혔던 고질적인 병목현상들은 여전히 남아 있다.

데이터가 기술이 되다

데이터 센터 시장에서 하드웨어 혁신을 기대해볼 수 있는 곳은 서버쪽이다. 하드웨어 성능 조정은 상당한 시장 이점을 제공할 수 있기에 머지않아 새롭고 더욱 강력한 서버 제품군이 출시될 것이다.
데이터 센터가 새롭게 개설될 때마다 방대한 양의 서버가 배치되기 때문에 신제품군을 통해 얻을 수 있는 혜택은 매우 크다. 또한 새로운 스토리지 및 통신 기술도 가상주기에 기여하는 바가 어느 정도 있다.

[그림 1] 해당 블록 다이어그램은 일반적인 서버 마더보드 아키텍처를 보여준다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

“마이크로프로세서에서 ‘효율적’이라는 단어가 ‘칩당 더 많은 MIP’가 아닌 ‘와트당 더 많은 MIP’를 의미하게 되었다.”

데이터 센터의 핵심 기술은 서버라고 할 수 있지만, 에너지 소비, 통신, 그리고 에어컨과 같이 겉보기에는 평범해 보이는 기술들도 금전적으로 보면 전체 시장 규모에 상당히 기여한다. 데이터 센터 한 개가 소비할 수 있는 전력은 10MW 이상이다. 미국의 어니스트 올랜도 로렌스 버클리 국립연구소(Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory) 데이터 센터에서 발행한 에너지 사용 보고서에 따르면, 미국의 데이터 센터들이 소비하는 전력 소비량은 미국 전체 전력 소비량 중 약 2%를 차지한다.
이 비율은 개인과 기업이 더 많은 데이터, 특히 더 많은 영상 콘텐츠를 소비하기에 더욱 증가할 것으로 예측된다. 데이터 센터 냉각 시장 - 성장, 동향 및 예측(Data Centre Cooling Market - Growth, Trends, and Forecast, 2019-2024) 보고서에 의하면 데이터 센터의 에너지 소비량은 연 12%의 비율로 계속 증가할 것으로 예상된다.
속도, 고밀도 스토리지, 에너지 효율성에 대한 지속적인 수요로 서버 마더보드 설계가 오늘날 전자공학에서 가장 어려운 과제로 떠오르고 있다. 그림 1의 블록 다이어그램이 일반적인 서버 마더보드의 주요 구성요소를 보여준다.
마이크로프로세서는 서버 설계의 핵심이며, 일반적으로 마더보드 비용과 에너지 소비량의 많은 부분을 차지한다. 설계의 핵심은 더 적은 것으로 더 많은 양을 처리하는 것이 관건이다. 지금까지 이어져오는 설계의 당면 과제는 보다 효율적인 멀티프로세싱과 멀티 스레딩을 어떻게 구현하느냐인 것이다. 마이크로프로세서에서 ‘효율적’이라는 단어가 ‘칩당 더 많은 MIP’가 아닌 ‘와트당 더 많은 MIP’를 의미하게 되었다.
멀티프로세싱을 구현하는 가장 일반적인 기술은 여러 개의 임베디드 프로세서 코어로 칩을 설계하는 것이다. 이는 서버가 둘 이상의 코드 스트림을 동시에 실행할 수 있는 소프트웨어 멀티스레딩을 가능하게 한다. 만약 이 기술이 없었다면 클라우드 컴퓨팅은 현실화되지 않았을 것이다. 또한 멀티스레딩은 에너지 소비 측면에 있어서도 유리하다.

메모리 및 인터커넥트

여느 컴퓨팅 시스템과 마찬가지로 프로세서, 메모리 및 기타 I/O 사이의 병목 현상을 견딜 수 있는 혁신 스펙트럼이 존재한다. 예를 들어, 완전 버퍼링된 DIMM(FBDIMM)은 대기 시간을 줄여 읽기/쓰기 액세스 시간을 단축한다.
FBDIMM 메모리 아키텍처는 여러 개의 병렬 인터커넥트를 하나의 직렬 인터커넥트로 대체한다. 해당 아키텍처는 메모리 컨트롤러와 메모리 모듈 사이의 고급 메모리 버퍼(AMB)를 포함한다. 컨트롤러는 메모리 모듈(그림 1의 DIMM)에 직접 쓰기를 하는 대신, AMB와 접속해 신호를 버퍼링하고 재전송함으로써 신호 저하를 보상한다. 또한 AMB는 프로세서나 시스템의 메모리 컨트롤러에 추가적인 오버헤드를 부과하지 않으면서 오류 수정을 실행한다.
그림 1에서 주황색 블록은 인터페이스 표준을 나타낸다. PCI-Express, HyperTransport, Serial ATA, SAS 및 USB는 고속 인터페이스다. 인터페이스 선택은 서버 마더보드의 특정 사용 시나리오에 따라 달라진다. 선택된 인터페이스는 서버의 서브시스템 처리능력에 맞춰 데이터를 빠르게 전달할 수 있어야 한다.
리드라이버 칩을 사용한 신호 컨디셔닝은 프로세서가 더욱 많은 데이터를 처리할 수 있도록 도와준다. 더 빠른 신호 주파수는 신뢰할 수 있는 고성능 시스템을 설계하기 위한 신호폭을 더 적게 허용하기 때문에, 리피터 IC로도 알려진 리드라이버는 인터페이스 장치와 CPU 간 연결을 중재한다.
리드라이버는 신호를 재생하여 등가화, 프리엠파시스 및 기타 신호 컨디셔닝 기술을 사용하여 신호 품질을 향상시킨다. 한 개의 리드라이버는 송신기에서 발생한 채널 손실을 조정 및 수정하고 수신기에서 신호 무결성을 복원할 수 있다. 그 결과 낮은 비트오류율로 안정적인 통신을 제공하는 데 필요한 폭이 생성되는데, 이는 수신기에서 ‘눈 모양(eye pattern)’과 같이 나타난다.

스토리지

쉽게 이용할 수 있는 데이터가 없거나 데이터의 양이 충분하지 않다면 클라우드의 활용 가치는 높지 않을 것이다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위해 스토리지의 세계화와 가상화를 향한 진화가 진행 중이다. 하드웨어 관점에서, 이는 SAN(스토리지 전용 네트워크)과 NAS(네트워크 결합 스토리지)의 지속적인 통합을 의미한다. 두 기술 모두 다양한 상황에서 작동하지만, 가장 큰 차이점은 프로토콜에 있다. NAS는 TCP/IP와 HTTP를 사용하는 반면 SAN은 FibreChannel을 통해 캡슐화된 SCSI를 사용한다.
하드웨어의 관점에서, 둘 다 필요한 만큼의 중복성과 성능에 따라 서로 다른 레벨의 드라이브 간에 데이터를 분배하는 스토리지 기술인 RAID(복수 배열 독립 디스크)를 사용한다. 데이터 센터급 서버용 컨트롤러 칩은 RAID 호환되어야 하며, 미국 외 지역으로의 출하를 위해 수출 라이센스를 요구하기에 충분히 ‘첨단(advanced)’ 기술인 것으로 간주된다.
둘의 차이에도 불구하고 SAN과 NAS는 파일 레벨 프로토콜(NAS)과 블록 레벨 프로토콜(SAN)을 모두 제공하는 하이브리드 시스템으로 결합될 수 있다. 물리적 스토리지에서 논리적 스토리지를 추상화하는 스토리지 가상화 추세로 SAN과 NAS의 구분에 대한 중요성이 점점 낮아지고 있다.

결론

클라우드 컴퓨팅이 보급됨에 따라, 하나의 물리적 공간에 모든 중요 구성요소를 배치한 기존의 데이터 센터는 중복성과 고속 통신이 그 어느 때보다 중요해진 차세대 데이터 센터로 진화하고 있다. 실리콘 포토닉스는 향후 서브시스템 간 광속 데이터 전송을 보장할 것이라고는 해도, 오늘날의 설계 엔지니어는 서버, 스토리지, 통신 및 컴퓨팅 기술의 모든 측면을 최적화해두어야 한다.
멀티스레드 컴퓨팅 아키텍처를 구현하는 멀티코어 프로세서의 발전이 계속되고 있다. 신호 무결성 문제에 대한 해결 방안 모색은 리드라이버와 같은 기술의 숙원 과제다. 클라우드 컴퓨팅이 용량과 아키텍처 모두에 있어서 스토리지 기술에 상당한 변화를 일으킨 셈이다.