인텔이 차세대 메모리 기술을 적용한 인텔 옵테인(Intel Optane) 제품을 올해부터 본격적으로 출시한다.

인텔 옵테인은 인텔과 마이크론(Micron)이 지난 2015년 7월 공동 개발했다고 발표한 차세대 비휘발성 메모리 3D 크로스포인트(3D XPoint)를 적용한 제품을 인텔 브랜드로 바꾼 이름이다. 마이크론에서는 같은 3D 크로스포인트를 사용한 제품을 QuantX라는 브랜드로 내놓는다.

그 동안 SSD(Solid State Drive)에 들어가는 낸드 플래시 기술이 꾸준히 발전하면서 용량도 늘고 속도도 빨라져 인텔 옵테인도 낸드 플래시 SSD 일종으로 여기는 사람들도 있는데 사실은 낸드 플래시와는 다른 차세대 메모리 기술을 응용한 제품임을 표방하고 있다.

빠르고 지워지지 않는 차세대 메모리로 등장

지금까지 PC에 사용된 메모리는 CPU 안에 직접 내장된 캐시 메모리(SRAM)과 메모리 슬롯에 장착하는 D램(DRAM)으로 데이터 처리 속도가 빠른 대신 전원이 꺼지면 데이터가 모두 사라지는 '휘발성 메모리'였다.

이 때문에 메모리보다 속도는 느리더라도 전원이 꺼진 상태에서 데이터를 안전하게 보관하는 HDD, SDD 같은 저장장치(Storage)가 필요한데, 문제는 메모리와 저장장치의 성능 차이가 너무 커서 PC 성능을 제한하는 요소가 된다는 것이다. 또한 낸드 플래시를 사용하는 SSD는 최신 기술을 적용할수록 용량과 속도는 향상되는 반면 물리적인 수명은 급격히 떨어진다.

그래서 IT 업계와 메모리 제조사들은 일찍부터 D램으로 대표되는 휘발성 메모리의 한계를 극복하기 위해 처리 성능은 D램과 비슷하면서 전원이 꺼져도 데이터가 지워지지 않는 차세대 비휘발성 메모리 개발에 노력했다.

강유전체 메모리(FeRAM), 저항 변화 메모리(ReRAM), 상변화 메모리(PRAM), 스핀 주입형 자기 메모리(STT-MRAM) 다양한 형태의 차세대 메모리 기술리 발표됐지만, 반도체 업계가 요구하는 D램보다 낮은 제조 비용, 고용량, 저전력에 낸드 플래시보다 빠른 레이턴시, 개선된 제품 사이클(수명), 장기간의 데이터 보관 등의 목표를 모두 충족시키지 못했다. 대부분 구조가 복잡해지면서 공정 미세화와 고용량 제품 개발에 어려움을 겪고 있다.

메모리와 SSD 사이, 3D 크로스포인트 구조는?

낸드 플래시는 특정 메모리 셀에 액세스하려면 해당 줄에 있는 모든 셀을 함께 읽고 다시 기록하는 페이지 단위로 접근하기 때문에 응답 속도도 느리고 쓰기 속도가 제한된 낸드 수명에도 영향을 미친다. D램은 각각의 메모리 셀마다 트랜지스터가 붙어 직접 접근이 가능하고 응답 속도도 매우 빠르지만 트랜지스터가 차지하는 공간 때문에 용량대비 면적이 커지고 제조 단가도 비싸다.

인텔과 마이크론이 공동 개발한 3D 크로스포인트 아키텍처는 금속 선(metal wire)이 수직으로 교차하는 곳에 메모리 셀을 배치하고 각 셀마다 셀렉터를 두어 트랜지스터 없이도 D램처럼 메모리 셀로 개별 액세스가 가능하다. 낸드 플래시처럼 데이터를 지우고 다시 쓰는 과정이 생략되어 접근 속도도 빠를 뿐더러 쓰기 수명 향상에도 도움이 된다.

성능 면에서 낸드 플래시보다 접근 속도가 1,000배 빠르고 1,000배 내구성이 뛰어나며, D램보다 10배 높은 밀도로 메모리와 저장장치 사이에서 어느 쪽으로도 사용 가능한 '스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory, SCM)'를 요구하는 반도체 업계의 요구를 만족시킨다는 것이 3D 크로스포인트를 개발한 인텔과 마이크론의 설명이다.

3D 낸드와 마찬가지로 메모리 적층 구조를 지원하므로 3차원 고밀도 설계를 통해 D램과 비교해 8~10배 가량 집적도를 향상시켰으며 향후 고용량 제품 개발이 가능하다. 2015년 발표한 128Gbit(16GB) 3D 크로스포인트 칩은 메모리 셀이 2층 구조로 되어 있었는데 용량 대비 제조 단가는 MLC 낸드 플래시보다 3~4배 정도 비싸지만 D램보다는 50% 정도 저렴할 것으로 예상되고 있다.

3D 크로스포인트로 SSD 만든 인텔 옵테인 메모리

PC 인터페이스는 D램과 연결하기 위한 DIMM과 스토리지에 연결하는 I/O 인터페이스가 따로 존재한다. 스토리지 분야에서는 일반적으로 SATA 방식을 쓰지만 최근에는 보다 빠른 속도를 내기 위해 PCIe (PCI Express) 인터페이스를 사용하는 NVMe 규격 제품들이 등장하고 있다. 스토리지용으로 출시되는 인텔 SSD는 별도의 전용 인터페이스를 사용하지 않고 PCIe 기반 NVMe 규격을 사용한다. 인텔이 NVMe를 설계할 당시 3D 크로스포인트 지원까지 고려했기 때문이다.

따라서 인텔 옵테인 기술이 들어간 SSD는 기존 낸드 기반 SSD 제품과 똑같이 PCIe 슬롯에 장착하는 외장형 카드와 M.2 슬롯에 장착 가능한 형태로 출시될 예정이다. 그러나 이미 인터페이스 성능 제한이 있는 SATA 제품은 나오지 않고 비슷한 2.5인치 U.2 인터페이스를 지원한다.

하지만 규격만 맞다고 모든 시스템에서 인텔 옵테인 SSD를 쓸 수 있는 것은 아니다. 인텔 프로세서 및 메인보드에서 인텔 옵테인 SSD를 지원해야 한다. 인텔에서는 PC용 옵테인 SSD(M.2)를 사용하기 위해 인텔 7세대 코어 프로세서와 200 시리즈 메인보드, NVMe 1.1 스펙 지원 PCIe Lanes x2 또는 x4 동작하는 M.2 슬롯, 인텔 고속 스토리지 기술(Intel RST) 15.5 드라이버를 지원하는 시스템 바이오스를 갖춰야 한다고 밝히고 있다.

용량대비 가격 불리, PC에서는 HDD 캐시로?

인텔 옵테인 기술은 D램과 낸드 플래시 사이에 위치한 차세대 메모리를 표방하고 있지만 용량대비 가격 측면에서도 D램과 낸드 사이에 위치한다. D램보다 저렴하지만 응답속도와 수명 등에 제한이 있고, 낸드 플래시보다 빠르지만 이제 2단 적층 128Gb 칩을 만들고 있는 3D 크로스포인트에 비해 64단 적층 구조를 적용한 512Gb V낸드를 양산하는 낸드 플래시 SSD와 가격 경쟁을 하는 것도 어렵다. 특히 PC용으로 처음 출시되는 제품은 윈도우 운영체제를 설치하기도 어려운 16GB와 32GB 용량에 불과하다.

그래서 인텔은 옵테인 SSD 활용법으로 낸드 기반 SSD보다 용량대비 비용이 더 저렴한 HDD를 끌어들여 '옵테인 M.2 모듈 + 대용량 HDD'로 대용량 SSD 효과를 낼 수 있다고 주장한다. 용량은 적지만 SSD보다 반응속도가 높은 옵테인 메모리를 스토리지 캐시 용도로 사용하는 전략이다.

이러한 PC용 옵테인 솔루션은 고성능 SSD를 사용하거나 여러 대의 스토리지 장착이 가능한 일반적인 데스크탑 PC에서는 효용성이 떨어진다. 그 대신 노트북이나 미니 PC, 올인원 PC 등 스토리지 확장이 제한되는 시스템에서 대용량 HDD와 병행해서 쓸 수 있는 적절한 옵션이 될 수 있다.

서버 시장에는 인텔 DIMM 제품도 출시

그 밖에 D램과 SSD 사이의 특징을 가진 3D 크로스포인트는 서버 시장에서 인텔 옵테인 고용량 SSD 외에 메모리 슬롯에 장착하는 DIMM 모듈로도 등장한다. DDR4 DIMM 소켓과 물리적/전기적으로 호환되는 DIMM 방식의 인텔 DIMM 모듈은 D램과 함께 사용하는 용도로 나온다.

D램보다 대용량 구성이 용이한 3D 크로스포인트 특성을 이용해 CPU에서 접근하는 메모리 공간을 늘려주면서 응답속도가 빠른 DDR4 메모리를 캐시처럼 쓰도록 구성한다. IDF에서 선보인 140GB 용량의 PCIe 카드도 PC보다 서버 시장을 겨냥해 출시될 것으로 보인다. 다만 M.2 모듈과 PCIe 카드 외에 메모리 슬롯에 장착하는 DIMM 제품에도 인텔 옵테인 메모리 명칭을 사용할 것인지 아직 알려지지 않았다.

초기 구매 비용 뿐만 아니라 성능과 운영, 향후 유지 보수 비용까지 고려한 TCO(total cost of ownership)를 중요시하는 서버 시장에서는 인텔 DIMM 제품이 OS에서 접근하는 메모리 영역 확장이 가능하고 스토리지 모델도 수명이 길다는 점을 어필할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 CPU에 내장된 메모리 컨트롤러가 3D 크로스포인트에 대응해야 하므로 DIMM 단품 판매가 아닌 인텔 제온 서버 솔루션에 옵션으로 포함될 것으로 예상된다.