기고 | 차세대 인프라에 스마트 실리콘이 요구되는 이유

편집자 주 : 본 기고문은 벤더 관계자가 작성한 것으로 본지에 의해 일부 편집됐다. 그러나 기고자와 업체의 시각과 견해가 남아 있을 수 있다.

데이터 트래픽 폭증을 감안했을 때, 무어의 법칙만으로는 더 빠른 네트워크 속도에 대한 수요를 쫒아가기 어렵다. 더 스마트한 반도체와 소프트웨어가 필요한 이유다.

모바일과 데이터센터 네트워크의 성능을 높이는 가장 최선의 방법은 범용 프로세서와 스마트 실리콘 가속 엔진을 결합하는 것이다. 스마트 실리콘 가속 엔진은 비트(bits)의 우선순위 책정 방법을 간소화해준다. 또 이를 네트워크 성능과 클라우드 기반 서비스에 최적화되어 이동하게 해주는 역할을 수행할 수 있다.

이와 관련해 가장 근본적인 도전 가운데 하나는 데이터 홍수 갭이다. 다시 설명하면 네트워크 스토리지 용량은 매년 30~50%가 증가하는데, IT 예산 증가율은 5~7%에 머물고 있다. 클라우드 인프라 서비스 도입이 늘어나고 데이터 스토리지에 대한 소비와 생성이 급증하면서 네크워크에서 클라우드를 오가는 데이터의 양 또한 기하급수적으로 증가하고 있는 추세다. 즉 데이터 트래픽이 인프라 용량을 능가하면서, 네트워크 관리자들은 성능을 개선할 수 있는 더 나은 방법을 찾아야 한다는 압박을 받고 있다.

네트워크와 스토리지는 빠르게 성장하는 반면 IT 투자는 이에 미치지 못한다. 이러한 격차는 더욱 확대되고 있다.

클라우드 데이터센터 네트워크 구축에는 기존 기술이 사용되고 있다. 따라서 서버, 스위치, 프로세스 코어, 메모리 등 하드웨어를 더 추가하는 방식으로 성능을 개선할 수 있다. 그러나 이런 방법을 쓰면 하드웨어 비용이 불안정하게 증가하고, 면적이 늘어나고, 냉각과 전력 요건을 고려해야 한다. 또 네트워크 지연 문제를 제대로 해결할 수 없다.

반면 더 스마트한 실리콘을 통해 모바일과 데이터센터 네트워크로 전송되는 데이터 패킷 프로세싱을 개선하는 방식으로 지능적인 네트워크를 구현할 수 있다. 특히 스마트 실리콘은 차세대 네트워크가 데이터의 중요도를 인식하고 이를 조작하며 우선순위를 매긴 다음 경로를 재설정하게 할 수 있다. 이는 전반적인 트래픽 감소와 디지털 정보의 빠른 전달이라는 결과를 낳게 된다.

스마트 네트워크
멀티 코어가 특징인 범용 프로세서는 네트워크 기반 곳곳에서 쓰이고 있다. 이들 프로세서는 스위치와 라우터, 방화벽, 로드 밸런서, WAN 가속기, VPN 게이트웨이를 조정하는 역할을 한다. 그러나 폭증하는 데이터 수요를 감당할 만큼 빠른 것은 아니다. 또 원래 범용 프로세서는 컴퓨터 중심의 서버 계층의 워크로드를 처리하도록 설계되어 있는 제품이기에 현재는 물론 차세대 인프라스트럭처에서 네트워크 중심 워크로드를 최적화해 처리할 수 없다.

하지만 스마트 실리콘은 고성능 패킷 처리 등 실시간 워크로드 출력을 앞당길 수 있고, 동시에 트래픽 수요 변화에 따라 성능을 조정할 수 있다.

이런 스마트 실리콘은 범용 프로세서의 멀티 코어와 함께 여러 네트워킹 가속 엔진을 갖추고 있는 것이 특징이다. 딥 패킷 조사와 분류, 보안 처리, 트래픽 관리에 사용되는 것들이다. 이들 가속 엔진 가운데 일부는 범용 프로세서에 특정 패킷 처리 작업을 완벽하게 덜어내어 스위칭과 라우팅, 기타 네트워킹 기능을 가속화, 전반적인 네트워크 성능을 개선시켜준다.

이 밖에 다른 장점도 있다. 컴퓨터에 집중된 워크로드를 특정 워크로드에 최적화된 가속 엔진에 덜어내면 범용 프로세서보다 와트당 성능이 크게 개선된다.

최적화 기술을 통합해 경쟁 우위를 확보하기 원하는 네트워크 장비 벤더로서는 맞춤화된 스마트 실리콘이 좋은 선택일 수 있다. 예를 들어, 벤더의 장비와 기술을 실리콘으로 통합해 범용 프로세스보다 베이스밴드 처리 최적화, 딥 패킷 인스펙션, 트래픽 관리에서 나은 성능을 제공할 수 있다.  물론 이런 통합을 위해서는 네트워크 장비 벤더와 반도체 벤더 사이의 밀접한 협력이 필요하다.

앞으로의 데이터센터 네트워크는 더 빠르고, 더 평평해져야(flat) 한다. 즉 더 스마트해져야 한다. 대형 가상화 데이터센터에서 극복해야 할 도전 가운데 하나로는 제어 플레인의 확장성을 들 수 있다. 예를 들어, 클라우드 규모의 데이터센터 구현을 위해서는 제어 플레인을 수직적 확장 또는 수평적 확장해야 한다. 과거 수직적 확장 방식에서는 더 강력한 컴퓨트 엔진, 가속 엔진, 또는 둘 모두를 더해 네트워킹 제어 플레인의 성능을 확장했다.

그러나 SDN(software-defined networking) 같은 새로운 수평적 확장 아키텍처에서는 제어 플레인을 데이터 플레인에서 분리한 후 표준 서버에서 실행한다. 수직적 확장과 수평적 확장 아키텍처 모두, 범용 프로세스를 특수 하드웨어 가속엔진과 결합한 지능형 멀티코어 통신 프로세스를 이용해 제어 플레인의 성능을 크게 개선할 수 있다. 패킷 프로세싱과 트래픽 관리 같은 일부 기능은 이런 목적의 통신 프로세서를 장착한 라인카드로 덜어낼 수 있는 경우도 많다.

제어 플레인과 데이터 플레인을 배포하는게 효과가 있는지는 여전히 불확실하다. 그러나 SDN이 원래의 확장성 성능을 전달하기 위해서는 스마트 실리콘이 필요하다.

스마트 스토리지
스토리지의 스마트 실리콘 또한 데이터 폭증에 따른 격차를 막는데 도움이 된다. 스토리지 I/O 초크 포인트는 전통적인 HDD 플래터, 엑츄에이터 암 구조에 토대를 두고 있다. 이런 디스크 미디어는 데이터 전송 속도에 한계가 있다. 메모리(100 나노세컨드)와 티어 1 HDD((10 밀리세컨드) 사이의 I/O 지연 차이를 예로 들 수 있다.

또 (기가바이트로 측정을 하는) 전통적인 캐싱 시스템으로 지원 가능한 메모리에도 제약이 있다. 이는 (테라바이트로 측정을 하는) 디스크 드라이브 용량에서는 아주 작은 부분에 불과하다. 둘 모두 어플라이언스를 캐싱 또는 더 빠른 스핀 속도의 HDD를 추가해 DRAM(Dynamic RAM)의 기가바이트를 늘리는 것 외에는 성능 개선의 여지가 많지 않다.

한편 NAND 플래시 메모리로 구성된 SSD 스토리지는 이런 병목 현상을 연결하고, HDD와 같은 용량이지만 메모리와 유사한 고속 I/O를 구현한다는 장점이 있다. 이 경우, 스마트 실리콘은 정교한 웨어 라벨링, 가비지 컬렉션, 데이터 감소 기법을 통해 플래시 메모리의 내구성을 개선하고 RAID 데이터 보호를 위한 오류 정정 알고리즘을 강화한다. 플래시 메모리는 차트에서 제시된 것 같이 DRAM 캐싱과 HDD의 용량과 지연 차이를 극복하는데 도움이 된다.

플래시 메모리는 캐시 내부의 D램과 고회전 하드디스크 드라이브 사이의 속도 및 지연 간격을 메워줄 수 있다.

PCIe(PCI Express) 버스의 서버에 플래시 캐시 가속 카드를 직접 설치할 경우 SSD 성능이 가장 높다. 이때 플래시 메모리에 '핫 데이터'를 설치하기 위해 내장 또는 호스트 기반의 지능형 캐싱 소프트웨어를 사용할 수 있다. 그러면 2,800 마이크로세컨드의 티어 1 HDD와 비교해 140배나 빠른 20 마이크로세컨드에 데이터를 이용할 수 있게 된다.

일부 카드는 몇 테라바이트에 달하는 솔리드 스테이트 스토리지를 지원한다. 또 새로운 솔루션으로 내부 플래시와 SCSI(SAS) 인터페이스를 이용해 고성능 솔리드 스테이트 스토리지와 RAID HDD 스토리지를 결합하는 방식도 있다. PCIe 기반의 플래시 가속 카드를 이용해 DAS 및 SAN 환경보다 5~10배 빠른 데이터 애플리케이션 수준의 성능 개선을 구현할 수도 있다.

이 모든 솔루션의 중심이 스마트 실리콘이다. 따라서 시스템 벤더들이 데이터 폭증으로 인한 갭을 극복하려면 반도체 벤더들에 대해 이해하고 서로 협력할 필요가 있다.

* Jim Anderson은 LSI 네트워킹 솔루션 그룹의 부사장이자 제너럴 매니저다. ciokr@idg.co.kr