NVDIMM, 비휘발성 메모리를 DIMM에 장착하는 표준 규격

DDR3 DRAM과 비휘발성 메모리를 혼재한 DIMM(Dual-Inline Memory Module)이 제품화 된 것은 비교적 최근의 일이다. 약 5년전 2010년 8월 11일 기술 벤처 AgigA Tech가 DDR3 DRAM의 DIMM 슬롯에 장착할 수 있는 비휘발성 DIMM 제품 "AGIGARAM DDR3 NVDIMM"을 발표했다. 이듬해인 2011년 10월 18일에는 기술 벤처 Viking Techonogy가 DDR3 DRAM의 DIMM 슬롯에 장착한 DIMM 제품 "ArxCis-NV"를 발표했다.

두 회사의 DIMM 제품은 모두 DRAM과 NAND플래시 메모리의 양쪽을 탑재한 것. DIMM의 전원이 차단되었을 때 DRAM의 데이터를 NAND플래시 메모리에 자동으로 전송하는 기능과 전원이 부활했을때 NAND플래시 메모리의 데이터를 DRAM에 쓰는 기능을 갖춘다. 이른바 "백업 기능을 갖춘 DRAM DIMM"이다. DDR 메모리 컨트롤러는 일반적인 DDR3 DRAM DIMM과 같이 보여 OS나 어플리케이션 등의 소프트웨어를 수정할 필요는 없다.

 

2012년 11월 14일에는 대형 반도체 메모리 제조 업체 Micron Technology와 AgigA Tech이 비휘발성 DIMM의 개발과 제조에 제휴한다고 발표했다. 개발한 것은 DRAM과 NAND플래시 메모리를 혼재한 DIMM의 제품 개념

DDR3 DRAM의 DIMM슬롯에 장착할 수 있는 비휘발성 DIMM 제품 "AGIGARAM DDR3 NVDIMM". 기억 용량 2GB/4GB/8GB 제품을 준비하고 있다

움직임이 다양하고 활발해진 것은 지난해(2014년)부터다. 지난해 1월 20일 NAND 플래시 대형 벤더인 SanDisk와 자회사 SMART Storage Systems은 공동으로 400GB의 지극히 큰 기억 용량의 비휘발성 DIMM "ULLtraDIMM"을 제품화했다고 발표했다. "ULLtraDIMM"은 NAND플래시 메모리와 컨트롤러 로직을 탑재하고 있으며 DDR3 DRAM DIMM의 슬롯에 장착한다. 다만 DRAM은 넣지 않고 있다. 시스템에서 메모리 버스에 접속된 SSD로 보인다. "DIMM슬롯에 올린 SSD"라는 새로운 형태의 비휘발성 DIMM이 등장한 셈이다.

 

2013년 8월 미국 캘리포니아 실리콘 밸리에서 열린 플래시 메모리 업계 이벤트 "Flash Memory Summit(FMS)2013"의 회장. SMART Storage Systems의 부스에서 2014년 1월 정식 발표보다 한발 빨리 "ULLtraDIMM"이 공개되었다

2014년 8월 6일에는 AgigA Tech가 DDR4 DRAM의 DIMM슬롯에 장착된 휘발성 DIMM "AGIGARAM DDR4 NVDIMM"을 개발해 샘플 출하를 시작했다고 발표했고 곧이어 그 해 10월 21일에는 메모리 반도체 업체인 SK 하이닉스가 DDR4 DRAM의 DIMM슬롯에 장착 가능한 16GB 비휘발성 DIMM을 개발했다고 발표했다. 또 올해(2015년)8월 "Flash Memory Summit(FMS)"에서는 Viking Techonogy가 비휘발성 DIMM "ArxCis-NV"의 DDR4 DIMM 타입품을 전시회에 출품했다. 모두 DDR4 DRAM과 NAND플래시 메모리, 컨트롤러, 로직 등을 탑재한 DIMM이다.

      

"Flash Memory Summit(FMS)2015"의 전시장에 Viking Techonogy가 출품한 DDR4 DIMM타입의 비휘발성 DIMM"ArxCis-NV". 오른쪽 앞이 "ArxCis-NV"의 DIMM카드. 좌측 안쪽은 백업 전원용 슈퍼 캐패시터 탑재 PCIe 보드

DRAM용 DIMM의 외형 치수와 핀 배치 등은 반도체 업계 단체 JEDEC에 의해 표준 규격이 규정되어 있다. 예를 들면 핀수는 DDR3 DRAM의 DIMM은 240핀 DDR4 DRAM의 DIMM은 288핀이다. 이 표준 규격에 의거한 DIMM을 모듈 벤더는 판매한다. 사용자인 서버 개발 기업이나 PC개발 기업들은 복수의 모듈 벤더로부터 DIMM을 조달하고 시스템에 넣을 수 있다. 조달처가 복수인 것은 안정된 부품 조달에 빼놓을 수 없다. 표준 규격과 멀티 벤더 두 순환이 DIMM을 비롯한 부품 보급을 촉진한다.

 

다만 DDR3 DIMM이나 DDR4 DIMM 등의 규격 사양은 그 동안 비휘발성 메모리의 탑재를 고려하지 않았다. 거기서 늦어도 지난해에는 비휘발성 DIMM의 표준화 작업이 시작됐다고 본다. 작업에 종사한 것은 주로 JEDEC과 스토리지의 업계 단체 SNIA(Storage Networking Industry Association)다. 올해 5월 26일에는 JEDEC이 DDR4메모리의 DIMM슬롯에 장착된 휘발성 DIMM "NVDIMM"의 표준 규격을 책정했다고 발표했다. JEDEC은 사양을 올해 후반에 발표한다고 밝혔으나 9월 15일 현재의 시점에서 사양서는 공표되지 않은 것 같다.

다만 지난해부터 올해까지 JEDEC과 SNIA등의 업계 단체나 NVDIMM 규격 책정에 관여한 벤더는 "NVDIMM"의 사양을 확인하기 시작했다. 거기서 우리는 그 동안의 공개 자료를 근거로 NVDIMM 규격의 개요를 소개한다.

 

NVDIMM의 표준 규격을 책정하고 있는 작업 그룹

우선 전제가 되는 것은 DRAM DIMM 규격의 존재다. JEDEC의 공개 자료에 따르면 NVDIMM의 표준 규격은 DDR4 DRAM DIMM 규격의 추가 사양으로 책정했다. 다만 SNIA의 공개 자료에서는 DDR4 메모리 뿐 아니라 DDR3 메모리도 NVDIMM 규격의 대상으로 포함하고 있다.

 

다음 규격의 대상으로 하는 메모리는 비휘발성 메모리 전반이다. NAND플래시 메모리만 아니라 3DXPoint 메모리나 자기 메모리, 상변화 메모리, 저항 변화 메모리 등도 포함된다.

 

그리고 표준 사양은 1가지가 아니다. 적어도 3종류의 규격이 존재한다. "NVDIMM-N" 규격과 "NVDIMM-F" 규격, "NVDIMM-P" 규격이다. "NVDIMM-N"과 "NVDIMM-F"는 사양의 책정이 완료되고 있다. "NVDIMM-P"는 사양이 제안되어 검토되고 있다고 본다.

본 칼럼의 전회는 NAND 플래시 메모리를 DIMM에 올리는 움직임을 해설했다. 그 중에서 NAND 플래시 장착 DIMM은 크게 나누면 2종류의 제품이 있다고 밝혔다.

 

하나는 DRAM과 NAND플래시 메모리를 혼재한 DIMM이다. 보통 DRAM DIMM로 사용하고 전원이 차단되었을 때의 백업용 메모리로 NAND플래시 메모리를 사용한다. 이 컨셉을 승계한 것이 "NVDIMM-N" 규격이다.

다른 하나는 메모리로는 NAND플래시만 탑재한 DIMM이다. DRAM보다 훨씬 큰 기억 용량을 탑재 가능한 SSD로 사용. 이 컨셉을 계승한 것이 "NVDIMM-F"규격이다.

그리고 "NVDIMM-P" 규격의 DIMM은 DRAM과 비휘발성 메모리 양쪽을 탑재하고 DRAM보다 훨씬 큰 기억 용량의 비휘발성 메모리를 저장한 모듈이다.

 

비휘발성 DIMM메모리 구성과 대응하는 표준 규격

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 차이

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P는 쉽게 말하면 NVDIMM-N 메모리, NVDIMM-F가 스토리지, NVDIMM-P가 메모리와 스토리지의 하이브리드다.

 

NVDIMM-N은 DRAM과 비휘발성 메모리를 같은 기억 용량으로 혼재한 DIMM이다. DRAM을 기억 매체로 시스템 메모리(주기억)이며 CPU측(및 OS측)으로 보이고 접속이 가능한 것은 DRAM 뿐이다. 비휘발성 메모리는 CPU측(및 OS측)에서는 보이지 않고 접속도 할 수 없다. 비휘발성 메모리는 DIMM 내부에서 백업 메모리로 기능할 뿐이다. NVDIMM-N은 호스트 측에서 겉보기는 DRAM DIMM이나 다름없다.

 

NVDIMM-F는 비휘발성 메모리를 탑재한 DIMM이다. DRAM은 탑재하지 않는다. 비휘발성 메모리를 기억 매체로한 스토리지. CPU측 및 OS측에서는 스토리지로서 보이며 스토리지 내부의 비휘발성 메모리에 액세스 할 수 있다. 다만 접속 지연 시간(레이턴시)는 NVDIMM-N에 비하면 훨씬 길다. 그리고 NVDIMM-F의 기억 용량은 NVDIMM-N보다 훨씬 큰 것을 상정하고 있다. DRAM DIMM에서는 얻을 수 없는 큰 기억 용량을 갖고 있지만 DRAM DIMM에 비하면 접속이 느리다.

 

NVDIMM-P는 DRAM과 비휘발성 메모리를 혼재한 DIMM이다. NVDIMM-N과 다른 것은 비휘발성 메모리의 기억 용량이 DRAM의 기억 용량보다 훨씬 큰 DIMM을 상정하고 있는 것이다. 그리고 NVDIMM-P는 2가지 동작 모드를 갖춘다. 하나는 NVDIMM-N과 같은 동작 모드다. DRAM을 시스템 메모리(주기억)으로서 이용하여 비휘발성 메모리를 백업 메모리로 사용, 다른 하나는 NVDIMM-F와 같은 동작 모드다. 비휘발성 메모리를 기억 매체로 스토리지로서 동작한다. 이때 DRAM은 스토리지용 버퍼 메모리로 이용이 가능하다.

 

NVDIMM-N과 NVDIMM-F, NVDIMM-P의 개요

NVDIMM-N에 대해서 좀 더 자세히 설명한다. 처음에는 NVDIMM-N의 백업 동작이다.

어떤 원인으로 DIMM의 전원이 차단되면 NVDIMM-N이 자동적으로 DRAM의 데이터를 비휘발성 메모리로 전송한다. 이때 백업 전원으로 사용되는 것은 슈퍼 캐패시터(대용량 콘덴서)다. 8GB 반의 기억 용량의 경우 통상 수십초에서 데이터 전송이 완료된다. 또한 DDR3타입의 최대 용량은 8GB, DDR4 타입의 최대 용량은 16GB다.

 

데이터 전송이 완료되면 NVDIMM-N은 자동적으로 자신의 전원을 차단한다. 그리고 DIMM에 공급되는 전원 복귀을 기다리다 전원이 복귀하면 비휘발성 메모리의 데이터를 DRAM으로 재기록한다. 쓰기 반환에 필요한 시간은 전송에 필요한 시간의 절반이며 슈퍼 캐패시터를 충전한다. 슈퍼 커패시터의 충전이 완료될 때까지 시간은 몇분으로 짧다.

 

NVDIMM-N 내부 블록과 동작

JEDEC의 공개 자료에 따르면 백업 작동을 고려한 핀 배치 변경이 DDR4 DIMM 규격 사양에 추가됐다. 우선 가장 팽팽한 145번핀이 12V전원 공급 핀이다. 12V전원 핀의 역할은 슈퍼 캐패시터의 충전, 혹은 백업 전원 공급(호스트 측에서 비상용 전원을 공급하는)이다. 슈퍼 캐패시터를 갖지 않는 NVDIMM-N은 시스템이 비상용 전원을 공급하는 시스템을 장비한다. 비상용 전원이 하는 것은 DRAM의 데이터를 비휘발성 메모리에 전송 기간("세이브 기간")뿐이다.

 

그리고 230번핀이 세이브 신호(SAVE_n)핀이다. 데이터의 전송 작업 개시 타이밍을 알리는 신호 핀이다. 세이브 신호(SAVE_n)핀이 있으므로 데이터의 전송 작업을 빨리 시작한다.

 

DDR4 DIMM에 NVDIMM-N용 핀 배치를 추가

12V전원 핀의 개요

세이브 신호(SAVE_n) 핀 개요

이어 NVDIMM-F를 좀 더 자세히 설명한다. NVDIMM-N에 비하면 NVDIMM-F는 공표된 자료가 훨씬 적다. 이 때문에 설명이 다소 단편적임을 미리 양해해주기 바란다.

 

NVDIMM-F는 SSD를 DDR4 메모리 버스에 올리기 위한 규격이다. DIMM에 올리는 메모리는 비휘발성 메모리지만 DRAM DIMM보다 기억 용량은 많이 크다. DDR3메모리 버스에 대용량 NAND플래시 메모리의 DIMM을 올린 제품 "ULLtraDIMM"의 DDR4메모리 버전이기도 하다.

NVDIMM-F는 기억 용량을 명기하지 않은 "ULLtraDIMM"이 최대 400GB인 만큼 적어도 512GB~1TB의 기억 용량은 상정한 것으로 보인다. 이런 큰 용량을 작은 DIMM카드에 가득 담을 수 있는 반도체 메모리는 현재 NAND플래시 메모리뿐이다.

 

이 결과 NVDIMM-F는 비휘발성 메모리이긴 하지만 실질적으로는 NAND플래시 메모리를 상정한 규격이다. NAND플래시 메모리를 상정하고 있으므로 SSD를 DDR버스에 올린 규격이 되고 있다고 볼수 있다.

이 때문에 NVDIMM-F 접속 단위는 캐시 라인이 아닌 블록 단위다. 지연 시간은 마이크로초로 NVDIMM-N에 비하면 훨씬 길다. 이것은 규격이기보다는 NAND플래시 메모리를 탑재하고 있는 것으로 성능의 차이라고 할 수 있다.

 

NVDIMM-F의 내부 블록

일반적인 스토리지(왼쪽)과 NVDIMM-N(가운데), NVDIMM-F(오른쪽)의 차이

표준 규격은 대략 2가지가 있다. 하나는 장래의 제품화를 위해 미리 기술 사양이나 제품 사양을 공통화하는 것. 다른 하나는 이미 제품이 존재하고 있으며 제품의 사양을 공통화함으로써 새로운 보급을 꾀하려는 것. NVDIMM의 표준 규격은 분명히 후자다. 이미 NVDIMM규격의 범위를 넘어선 제품이 시장에 등장했다.

 

첫번째는 Diablo Technologies가 개발한 "Memory1"이다. DDR4 DIMM에 NAND플래시 메모리를 올리면서 CPU측에서는 DRAM과 같은 시스템 메모리(캐시 라인의 접근이 가능)에 보이는 방안을 담은 비휘발성 DIMM이다. 기억 용량은 256GB로 DRAM DIMM의 16GB/32GB보다 훨씬 크다.

 

다른 하나는 인텔과 Micron Technology가 공동 개발한 비휘발성 메모리 "3DXPoint"를 DIMM에 탑재하고 제품화하는 움직임이다. 2015년 8월에 개최된 인텔의 개발자용 포럼 "IDF2015"에서 3DXPoint 기억 장치를 탑재한 DDR4 DIMM을 개발하겠다고 밝혔다. 3DXPoint 메모리는 바이트 단위의 변경이 가능하므로 NVDIMM-F와 같은 올 비휘발성 메모리의 DIMM이면서도 NVDIMM-N과 같은 캐시 라인 단위의 접속이 가능하게 된다.

 

3DXPoint기억 장치를 탑재한 DDR4 DIMM의 개요

이렇게 되면 다시 새로운 규격 "NVDIMM-X"가 필요하게 될 것 같다. 그렇다고 지나치게 규격이 늘어나면 표준화의 뜻을 이루지 못할 수도 있다. 그만큼 NAND플래시 메모리와 비휘발성 메모리의 응용 제품은 지금 움직임이 활발하다.

출처 - http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/20150917_721621.html