​KAIST, 전원 없이도 메모리 유지하는 비휘발성 컴퓨터 개발

전원 중단해도 데이터 유지...전원 재공급 시 이전 상태 그대로 실행

데이터 센터 등 시스템 중단에 대비...상면, 전력 소모 등에서도 이점

라이트PC 시연 장면[사진=KAIST]

KAIST 전기및전자공학부 정명수 교수 연구팀이 전원이 꺼진 상태에서도 주기억장치(휘발성 메모리)에 저장된 정보를 유지할 수 있는 '경량화된 비휘발성 컴퓨팅 시스템(Lightweight Persistence Centric System, 이하 라이트PC)'을 개발했다고 25일 밝혔다.

기존 컴퓨터는 휘발성 메모리인 D램을 주기억장치로 사용하기 때문에, 전원이 종료되면 메모리에 담긴 데이터 역시 사라지며, 이 때문에 하드 디스크나 SSD 등의 보조기억장치가 필요하다.

D램과 보조기억장치의 장점을 결합한 비휘발성 메모리(인텔 옵테인 메모리 등)는 영구적으로 데이터를 기억할 수 있지만, 복잡한 내부 구조 설계로 인한 느린 성능 때문에 온전히 주기억장치로는 사용하기 어렵다. 때문에 D램과 함께 사용해 비휘발성 메모리에 저장되는 일부 데이터만을 선택적으로 유지하는 형태로 사용된다. 특히 갑작스러운 전원 공급차단 차단 시 레지스터 값이나 임시 저장 데이터 등은 보존할 수 없다.

보조기억장치에 데이터를 옮기는 체크포인팅 기법의 경우 주기적 데이터 이동에 추가적인 시간과 전력을 소모하며, 다시 전원을 켜면 시스템 전체를 재부팅하는 데이터 복구 과정도 필요하다.

KAIST 정명수 교수 연구팀은 이러한 과정 없이 컴퓨터의 모든 프로그램 실행 상태와 데이터들을 전원 없이 비휘발성으로 유지할 수 있는 프로세서, 메모리 컨트롤러, 운영체제 기술을 포함하는 라이트PC를 개발했다.

이를 위해 연구팀은 기존 메모리나 저장장치 없이 지속성 메모리만을 활용해 시스템을 구성하고, 시스템의 대부분 상태를 비휘발성으로 유지하게 했다. 전원이 끊긴 직후에는 전원 공급 장치의 신호에 따라 프로세서의 남아 있는 비지속성 상태를 비휘발성 데이터로 변환하는 장치를 통해 정전 시에도 컴퓨터의 시간을 멈출 수 있게 만들었다.

연구팀이 개발한 라이트PC 기술은 프로세서의 하드웨어 데이터 경로상의 휘발성 구성요소를 최소화하고, 복잡한 내부 구조를 최대한 단순화한 뒤, 데이터 처리의 병렬성을 극대화했다. 사용자가 일반적인 애플리케이션 실행에서 D램만 사용하는 고성능 시스템과 큰 성능 차이를 느끼지 못하도록 성능도 개선했다.

또한, 컴퓨터가 작동을 멈추는 동안 일관성 유지를 위해 프로그램 실행이 비결정적으로 진행되지 않도록 임의의 상태/데이터의 변경을 막고 다양한 형태의 지속성 기능이 추가된 운영체제를 구축했다. 일관성이 유지되기 때문에 다시 전원을 공급하면 컴퓨터는 부팅 과정 없이 멈춘 시간부터 다시 실행될 수 있다.

연구팀은 라이트PC의 실효성을 검증하기 위해 자체 제작한 시스템 보드에 프로토타입으로 제작한 지속성 메모리를 장착해 비휘발성 컴퓨터를 구축하고, 정전 시 컴퓨터의 시간을 멈추게 하는 운영체제 시제품을 제작해 비휘발성 컴퓨터 위에서 실행했다. 기업용 애플리케이션을 실행하는 도중 무작위 시간에 전원을 제거한 뒤, 다시 인가했을 때 전원이 사라지기 직전의 상태로 모든 프로그램 실행과 데이터가 일관성 있게 복구되는 것을 연구팀은 확인했다. 이와 더불어 라이트PC는 기존 컴퓨터 대비 최대 8배 큰 메모리, 4.3배 빠른 애플리케이션 실행, 73%의 전력 소모 절감을 보였다.

정명수 교수는 "이번에 개발된 비휘발성 컴퓨터는 대용량 메모리, 높은 신뢰성, 서비스 안전성을 제공할 수 있어 데이터 센터나 고성능 컴퓨팅의 저전력 운영으로 인한 탄소중립에너지 효율을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 관련된 연구 핵심기술은 차량, 핸드폰 모바일, 사물인터넷 장치 등의 배터리 사용량을 최소화하고 초연결사회를 이루는 등 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 미국 뉴욕시에서 오는 6월에 열릴 컴퓨터 구조 분야 학술대회인 '이스카, 2022'에 라이트PC라는 논문명으로 발표될 예정이다.