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인텔, 1천배 빠른 메모리 기술 공개

2015.07.29

인텔이 완전히 새로운 메모리 기술을 발표했다. 시스템 메모리와 스토리지 메모리의 강점을 모두 흡수한 기술이다. 제품이 직접 소개된 것은 아니고 ‘3D 크로스포인트’라는 이름의 기술이 공개된 것이다.

일단 그 성능이 자극적이다. ‘1천배 빠른 메모리’라는 것이다. 전통적인 메모리에 비해 집적도는 10배가 높고, 낸드플래시에 비해 내구성이 1천배 높아졌고, 데이터 접근 속도도 1천배 빨라졌다. 약간 오해가 있을 수 있는데 1천배는 접근 속도고, 읽기 쓰기 속도에 대해서는 아직 공개되지 않았다.

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이 기술은 기존 낸드플래시 메모리를 개선한 게 아니라 고속 스토리지를 위해 밑그림부터 새로 그린 메모리 기술이다. 기술을 소개하기 위해 한국을 찾은 찰스 브라운 박사는 “저장 장치의 속도 병목을 극복하려는 기술의 돌파구를 찾는 것이 3D 크로스포인트 기술의 목표”라고 설명했다.

찰스 브라운 박사는 이 메모리 기술이 낸드플래시와 D램의 특성을 갖고 있다고 말한다. D램은 속도는 빠르지만 용량에 따른 값이 비싸고, 낸드플래시는 저장 공간을 늘리기는 쉽지만 속도가 상대적으로 떨어진다. 3D 크로스포인트는 응답 속도가 빠르고, 저장 공간을 늘릴 수 있는 비휘발성 메모리 기술이다. 저장장치의 새로운 세대라고 보면 된다.

PC 발목잡던 저장장치, 출발부터 새로 짜

3D 크로스포인트는 수십 나노초(10억분의 1초) 단위로 응답 속도가 빨라진다. 낸드플래시는 마이크로초(100만분의 1초) 단위의 응답 속도를 낸다. 필요한 정보를 찌르면 바로 뱉어낸다고 보면 된다.

데이터 접근이 빨라지게 된 핵심은 3D 크로스포인트 기술이다. 기존 낸드플래시 메모리는 데이터 셀에 접근하려면 같은 줄(페이지)에 있는 모든 셀을 함께 읽고 써야 했다. 게다가 특정 셀의 정보를 지우려면 그 블록에 있는 모든 셀을 지웠다가 다시 쓴다. 이것 자체가 낸드플래시의 데이터 접근 속도를 늦추고, 반복된 기록과 삭제를 통해 수명을 깎아먹는 이유가 된다.

3D 크로스포인트의 핵심은 셀 배치다. 먼저 셀의 위 아래에 금속 와이어를 연결한다. 위와 아래 와이어는 서로 수직으로 배열된다. 그리고 그 교차점마다 기록 셀을 배치한다. 이렇게 배치하면 가로 세로 와이어를 알면 셀에 정확히 접근할 수 있다. 마치 도로명 주소처럼 특정 가로 와이어와 세로 와이어를 찾는 것이다. 각 셀에 직접 접근할 수 있기 때문에 1비트 단위로 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

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이게 당연한 기술로 보이지만 다시 낸드와 비교해 보면 이야기가 조금 다르다. 낸드는 셀 하나에 1비트를 기록하려면 같은 줄(페이지)에 있는 셀을 모두 읽어들여야 한다. 그리고 특정 셀에 넣을 1비트를 배열해서 다시 그 줄을 새로 입력하는 식이다.

각 셀의 기록도 트랜지스터를 거치지 않는다. 아니, 이 3D 크로스포인트에는 트랜지스터가 아예 없다. 캐퍼시터도 없다. 애초 구조 자체가 트랜지스터 없이 데이터를 품고 있는 비휘발성 메모리를 염두에 두고 설계했기 때문이다. 덕분에 구조가 단순해지고, 공간도 많아져서 용량 집적도가 높아진다.

가장 핵심 기술은 크로스포인트 마다 놓이는 각 셀과 셀렉터의 소재다. 인텔과 마이크론은 특수 소재를 개발해서 쓴다고 했는데 어떤 소재를 쓰는지는 철저하게 기밀이다. 당분간은 인텔과 마이크론에서만 이 기술을 쓴 저장 장치를 만들 수 있다.

용량 집적 자유도도 높아

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용량을 끌어 올리는 방법도 여러가지가 있다. 일단 3D로 셀을 쌓을 수 있다. 아파트처럼 면적의 한계를 높이로 풀어내는 것이다. 현재는 2층을 쌓아 다이 당 128Gb의 용량을 만들어낸다. 기존 낸드 플래시처럼 이 칩을 여러 개 묶어서 용량과 속도를 결정하는 구조는 비슷하다.

3D로 쌓는 것 외에도 MLC나 TLC처럼 셀에 2비트, 3비트를 쓰는 경우 각 셀의 정보도 다 긁어내야 한다. 3D 크로스포인트는 특정 셀에 바로 접근할 수 있기 때문에 기본적인 응답 속도를 끌어올릴 수 있다. 각 셀 소자에 전기를 공급해 여러 가지 위상을 갖고록 할 수 있어 MLC나 TLC처럼 여러 개의 비트를 심을 수도 있다.

폼팩터는 완제품에 따라서 결정된다. 일단 인텔이 고려하는 인터페이스는 PCIe다. 통신 프로토콜은 SSD를 위해 새로 설계된 NVMe를 쓴다. HBA를 아예 없애고 CPU가 스토리지에 직접 접속할 수 있는 통신 방법이다. 이 기술은 이미 현재 SSD에도 쓰고 있는데, 인텔은 이 NVMe를 설계할 때 아예 3D크로스포인트의 고속 통신을 염두에 두었다고 한다. 슬롯 형태의 PCIe 뿐 아니라 M.2같은 인터페이스도 쓸 수 있다. 패키징을 어떻게 하느냐에 따라 제품 형태가 달라지는 점은 메모리 저장장치의 특성이기 때문이다.

3D 크로스 포인트 기술_Die 이미지

다만 인텔은 이 저장 장치를 SATA로는 안 만들 계획이다. SATA는 가장 대중적인 스토리지 접속 인터페이스지만 기본적으로 하드디스크를 목적으로 만들었다. 이 때문에 논리 드라이브를 운용하는 HBA 같은 인터페이스가 필요했다. SATA의 속도 한계도 메모리 스토리지와 맞지 않는다.

컴퓨터 어떻게 바꿀까

인텔은 3D 크로스포인트 기술을 개발하는 데 10년이 넘는 시간이 걸렸다고 한다. 애초 목표는 프로세서의 발목을 잡는 느린 스토리지와 그에 따른 병목 현상을 해소하는 데에 있었다. 빠른 저장 장치를 만들고, 저장 장치를 CPU에 더 가까이 두어서 프로세서의 효율을 높이겠다는 것이다.

이번에 발표된 3D크로스포인트는 올 하반기부터 인텔과 마이크론이 각각 상품화한다. 아직 어떤 형태의 저장 장치가 나올지는 밝히지 않았지만 PC보다도 데이터센터에 거는 기대가 더 크다. 특히 인메모리 솔루션 등에서 얻을 효과가 막대하다. 대용량의 데이터베이스를 빠르게 처리하기 위해 스토리지의 내용을 메모리에 올려두고 처리하는 것이 인메모리 솔루션인데, 저장 장치의 반응 속도가 D램과 견줄만큼 빨라진다면 굳이 비싼 D램에 올려서 처리할 필요가 없다. 3D크로스포인트로 만든 저장 장치의 가격이 아직 공개되진 않았지만 찰스 브라운 박사는 “가격으로도 경쟁력이 있을 것”이라고 말했다.

꼭 고성능 기업용으로만 쓰일 건 아니다. 찰스 브라운 박사가 거듭 강조한 부분이 바로 다양성이다. 어떤 기기에 어떻게 쓰일 지에 대해서는 모든 부분에 가능성을 열어두고 있다는 것이 인텔의 입장이다.

인텔의 새 메모리 기술은 그 동안의 컴퓨터 형태를 완전히 바꿔 놓을 수 있다. 전혀 생각지 못한 기기가 나올 가능성도 있다. 그 동안은 하드디스크의 느린 속도 때문에 PC는 메모리에 의존할 수밖에 없었다. SSD가 그 병목 현상을 해결해주고 있긴 하지만 현재 SSD는 프로토콜이나 인터페이스 등 상당부분이 하드디스크 기반 기술에 의존하고 있다. SSD로 읽고 쓰는 속도가 빨라진 것으로도 컴퓨터 환경은 커다란 변화를 겪고 있다. 인텔이 꺼내 든 다음 단계는 D램과 견줄만한 응답 속도다.

allove@bloter.net

프리랜서 IT 컬럼니스트, 기술과 사람이 더 가까워질 수 있는 이야기를 담고 싶습니다. e메일 work.hs.choi@gmail.com