마이크로서버기술동향 정병권 ETRI 서버플랫폼연구실선임연구원 bkjung@etri.re.kr 김학영, 최완 ETRI 클라우드컴퓨팅연구부 1. 개요 2. 마이크로프로세서기술동향 3. 마이크로서버기술동향 4. 결언 1. 개요최근자료에의하면 2012 년기준으로전세계데이터센터가소비하는전력은 300 억와트이고, 이는핵발전소 30 곳이생산하는전력과맞먹는다고보고되어급증하는데이터센터의에너지소모량을줄이는것이사회적이슈가되고있다. 현재와같은방대한양의에너지를소비하고있는데이터센터에혁신을통한컴퓨팅설계는필수불가결하다. 이러한변화의움직임은융합기술을통해큰변화가예상된다. 그중의하나가서버핵심기술의변화를통해유지, 관리비용의절감으로 IT 서비스의확산및대중화에기여할것으로기대된다. 보통데이터센터에서가장많은전력이소비되는부분이서버나네트워크등 IT 장비에서발생되는열을식히는냉각부문이라고생각하기쉽지만이는오히려컴퓨팅장비에서소모되는비중보다낮다. 실제한시장조사기관에따르면, 일반적으로데이터센터전력소모량의절반이상인 52% 가컴퓨팅장비에의해소모된다. 이중메모리가차지하는비중이 15%, 하드디스크 4% 차지, 나머지는 CPU, 네트워크카드등에서소진된다. 즉, 52% 의전력소비량중결국은서버자체에서소비되는전력이가장많다는결론이다. 최근들어전세계적으로스마트폰, 태블릿 PC 와소셜네트워크서비스 ( 인맥구축서비스, SNS) 등새로운기기, 서비스의보급이확산되면서데이터수요가폭증하고있어, 이 * 본내용과관련된사항은 ETRI 서버플랫폼연구실정병권선임연구원 ( 042-860-1537) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 10
로인해클라우드서비스의부하가실시간으로증가하게되면서클라우드컴퓨팅시장이급속도로성장하고있다. 그로인해저비용클라우드인프라를기반으로클라우드서비스적용영역이확대되고있고, 급증하는데이터센터의에너지소모량을줄이는것이사회적이슈가되고있다. 본고에서는미래의클라우드인프라를위한서버기술이중요한부분임을인지하고, 그중하나인마이크로서버의기술동향에대해알아보고자한다. 2. 마이크로프로세서기술동향 가. ARM 마이크로프로세서 1985 년 PC 용 RISC CPU 를개발한캠브리지대학의연구진이새로개발된 RISC CPU 를 PC 시장에서상용화하기위해 Acorn Computer Group 을세우고 ARM(Acorn RISC Machine) 이라는이름으로벤처업체를세운것이시발점이되었다. ARM 아키텍처가마이크로컨트롤러업계에서입지를굳히게된계기는 16 비트크기의축약형명령어인 Thumb 명령어셋이적용되어 1995 년에소개된 ARM7TDMI 부터이다. 그후 ARM9, ARM10, ARM11 로 CPU 구조를계속발전시키면서 ARM 의사용영역을모바일단말, PDA, 고성능컨트롤러, DSP Codec 으로확대하였다. ARM 의발전사에있어서두번째전기는 Cortex-A/R/M 제품군의도입시점에서일어났다. 기존의 ARM 사의 CPU 구조개발방식은단순히세대마다성능과기능을향상시킨후동일 CPU 구조에 MMU/MPU 등의메모리유닛을차등조합하여제품군을나누는방침을유지하였으나, Cortex 이후부터는용도에따라동시에여러 CPU 구조를개발하게된다. 즉, 일반 OS 상에서실행되는애플리케이션실행능력에중점을둔 Cortex-A, Real- Time 용도에특화된 Cortex-R, 그리고마이크로컨트롤러시장을타깃으로한 Cortex- M 으로제품군을분리하였으며, 이후로는각제품군별로상이한 CPU 코어구조를유지하게된다. - Cortex A: 엔트리레벨부터서버급까지다양한플렛폼에서의지원을목적으로만들어진제품군으로 ARM 의주력상품군이다. 스마트폰, TV 등의멀티미디어기기나아래의 M/R 제품군보다많은양의리소스를처리해야하는임베디드기기에서주로사용된다. A 는애플리케이션이다. 정보통신산업진흥원 11
- Cortex R: 임베디드제품을위한라인업, A 와 M 의사이에있는제품군으로써 Cortex M 레벨보다는높은리소스를필요로하지만, A 보다전력소모가더적다. R 은 Realtime 이다. - Cortex M: 이름그대로 MCU, 즉 Microcontroller unit 을위한라인업이다. 특히, Cortex 제품군이도입되는시점부터 ARM 사의제품개발템포도이전과는비교 할수없을정도로빨라지는데이전에는 2~3 년마다주요 CPU 코어를 1 개정도발표하는 < 표 1> ARM 기반마이크로프로세서의종류와특징 Vendor Type of ARM License Brand/Project Application Due Date Custmers ARMv8(64-bit) AMD Cortex-A50 Opteron Servers 2014 Dell?, Facebook? Broadcom Cortex-A50 - - - AppliedMicro Architectural X-Gene Servers, 2013 Dell Iron, Facebook Calxeda Cavium Cortex-A50 Architectural EnergyCore/ Midway Project Thunder Servers, storage Compute, networking, security, storage 2014 ramp - - - Hisilicon Cortex-A50 - - - Huawei Project Borg NVIDIA Qualcomm Architectural Cortex-A50 (unannounced) Tegra 6?/ Parker Servers, workstations, HPC 2H15 - - - - Samsung Cortex-A50 Exynos - - - STMicroelectronics Cortex-A50 SPEAr ARMv7(32-bit) Calxeda Cortex-A9 EnergyCore Servers, storage Marvell NVIDIA Qualcomm Cortex-A9 Cortex-A15 Cortex- A9Cortex-A15 Cortex-A9 Cortex-A15 ARMADA XP Servers Shipping HP Redstone, Boston Ltd. Viridis, Penguin Computing Dell Copper, Mitac GFX, Baidu Tegra Mobile PCs Shipping Lenovo Snapdragon Mobile PCs - - Samsung Cortex-A9 Exynos - - - STMicroelectronics Cortex-A9 SPEAr - - - Texas Instruments Cortex-A9, Cortex-A15 OMAP Mobile PCs - - 12
( 그림 1) 전세계서버시장기술과분석데그쳤지만, 2005 년이후현재까지 A 계열 7 종, R 계열 3 종, M 계열 5 종이발표되면서총 15 종의신형코어가개발된셈이다. < 표 1> 은 ARM 기반마이크로프로세서의종류와특징들에대해정리하였다. ( 그림 1) 은 2012 년 IDC 에서발표한자료로 2010 년이후 IT 사이클은모듈러아키텍처부문에서저전력인 ARM 프로세서를이용한오픈고밀도최적화서버가미래의트랜드에맞춰서버시장을형성할것으로전망하였다 [1]. 나. ATOM 마이크로프로세서인텔은 2012 년 10 월기존보다높은성능을제공하는 32nm 공정의첫번째마이크로프로세서인 Atom1200(Centerton) 을출시하였다. 이전까지 Atom 프로세서는 PCH 를필요로했던것과달리 SoC 방식을취했으며, TDP 가 5.7~8.1W 수준이다. 최대 2core 4 쓰레드를지원하며최대클럭 1.6GHz, 코어당 512KB CPU 가상화기술인인텔 VT-x 를지원한다. 2013 년 9 월에는 22nm 공정을적용한두번째마이크로프로세서인 Atom 2000(Avoton) 을출시하였다. 저전력 CPU 인마이크로서버용 Avoton 을출시하여같은목적으로시장을선점해나가고있는 ARM 서버용 CPU 에맞서고있다. < 표 2> 는전세계 Clint PC 와 PC 서버에사용되는마이크로프로세서출하량을나타낸 정보통신산업진흥원 13
< 표 2> 전세계 Clint PC 와 PC 서버에사용되는마이크로프로세서출하량 [2] ( 단위 : 백만대 ) 구분 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2012~2017 CAGR (%) x86 361.8 341.2 353.1 368.3 385.2 396.8 1.9 ARM - 0.9 4.5 11.0 15.6 19.2 N/A Total 361.8 342 357.5 379.3 400.8 416.8 2.8 것으로 2013 년부터 ARM 프로세서분야에두드러진성장성을예상하였다. 다. 시장동향 ( 그림 2) 는 2013 년 IDC 에서분석한고밀도서버의성장성에대해나타낸그래프로, 고밀도서버 (Density Optimize: DO) 시장은 2012 년보다 2017 년까지 53% 성장하고, 수익부분에 $1.4B 증가를예상하였다 [3]. $45,000 $40,000 $35,000 $30,000 $25,000 $20,000 $15,000 $10,000 $5,000 0 2012(Actual) 2017(Forecast) Tower Rack DO Blade ( 그림 2) 고밀도서버성장도 < 표 3> 은전세계 Clint PC 와 PC 서버에사용되는마이크로서버의연평균성장률 (CAGR) 과전년대비증가율 (YoY) 을나타낸것으로 CAGR 이 2.1% 성장을상했다 [4]. < 표 3> 마이크로프로세서성장률 2012~2017 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CAGR (%) WW Client PC and PC server microprocessor revenue by form factor, 2012~2017($M) 9,151 9,292 9,345 9,726 10,046 10,145 2.1 WW Client PC and PC server microprocessor annual YoY revenue growth by form factor, 201~2017(%) 4.1 1.5 0.6 4.1 3.3 1.0-14
< 표 4> 는서버폼팩트별로는기존의타워형, 블레이드형, 랙설치형서버의연평균성 장률로고밀도서버가 24.1% 성장할것으로 IDC 는예상하였다 [5]. < 표 4> 서버폼팩트별성장률 구분 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2012~2017 CAGR (%) Tower 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0-29.0 Blade 0.9 1.0 1.2 1.4 1.7 2.0 2.3 17.1 Rack 2.5 2.8 3.1 3.6 4.1 4.6 5.0 12.1 DOR 0.9 1.5 2.0 2.6 3.1 3.6 4.3 24.1 Total 4.3 5.4 6.3 7.5 8.8 10.2 11.6 16.8 3. 마이크로서버기술동향현재 HP 와델등주요업체도 2014 년부터 ARM 과인텔 ATOM 프로세서를장착한저전력마이크로서버제품을내놓을계획으로저전력서버시장확대는시간문제이다. 그래서, 앞으로전력을적게쓰는마이크로서버의출하량확대가전체서버시장의성장세를견인할것이다. 주요서버업체들이마이크로서버에서다량의가벼운작업을처리하는데초점을맞추기위해저전력멀티코어 MPU(Micro Processor Unit) 를탑재할것으로예상된다. 전통적 MPU 업계의강자인인텔의 x86 프로세서와저전력모바일분야에서힘을키운 ARM 아키텍처프로세서의격돌이예상된다. 아울러하드디스크드라이브 (HDD) 보다더높은입출력 (I/O) 성능을낼수있는 SSD 적용이가속화될것이다. 이미서버시장에서유리한고지에올라있는인텔도이러한시장변화에맞춰 ATOM 프로세서를저전력서버에투입하고있고, AMD 가 64 비트 ARM 서버프로세서 시애틀 (seattle) 을발표함에따라클라우드서버시장에서 x86 과 ARM 이맞붙게되었다. 이번 AMD 가내놓은최초의 64 비트 ARM 서버프로세서는와트당성능이기존옵테론 X 시리즈의 2~4 배에달할만큼뛰어난경제성을갖춘것으로알려져있다. TDP 자체만보면 25W 정도로다소높아보이는것도사실이지만워크로드에따른전력소모나유휴상태에서의전력소모등을고려하면실제소비전력은인텔의 ATOM 보다나은조건으로알려져있다. 서버환경에필요한대용량메모리지원에서도 AMD 시애틀은 128GB 까지확장이가능한반면 ATOM 은 64GB 로제한되어있다. I/O 부분에서도 PCIe 3.0 을지원하는시애틀과달리 ATOM 은대역폭이절반인 2.0 만지원한다. 정보통신산업진흥원 15
최대컴퓨팅성능이확인되지않아직접적인성능을비교할순없지만서버에필요한제반환경에서는시애틀이유리한조건을상당히갖추고있다. 하지만, 이제막시작되는 ARM 기반서버환경은그에맞는 ISP 업계의지원이필요하고, 이를위한생태조성도요구되고있다. 가. HP Moonshot 서버 HP 는 2011 년부터 Moonshot 프로젝트를통해저전력마이크로서버를개발하고있으며 2013 년 Moonshot 1500 시스템을출시하였다. HP Moonshot 1500 시스템은 19 인치랙마운트형으로 4.3U 높이섀시에 45 개의컴퓨팅모듈장착이가능하며, 이모듈은규격화된 Hotplug 형태로 x86 계열 Intel, AMD 저전력프로세서는물론 ARM 계열의 Calxeda, Applied Micro, TI 등의프로세서를사용할수있게설계되었다. 여기에 180Gbps 대역폭의내부네트워크스위치, 60Gbps 대역폭의업링크네트워크모듈, IPMI 칩인 ilo 을사용한관리모듈, Hotplug 형태의전원및냉각모듈등을포함한하나의완전한시스템을구성하고있다 [6]. 나. AMD 마이크로서버 2012 년 AMD 에합병된 SeaMicro 는 10U 사이즈의서버에 768 개의 N570, Intel ATOM core 를지원하는저전력매니코어시스템인 SM15000 제품을발표하였다. SeaMicro 핵심기술은 I/O 가상화와패브릭링크솔루션인 Freedom ASIC 으로, 이는에너지효율적인 3D Torus 패브릭구조의네트워크연결망을구성하여고성능네트워크및스토리지 I/O 가상화를제공하고있다. 이번에발표한 A1100 프로세서제품은 ARM s 64-bit Cortex-A57 을사용하였으며, x8 PCIE Gen3, SATA3 포트 8개, 10GEth 포트를 2개지원한다 [7]. 다. Dell 마이크로서버 Dell 은 2012 년도 3U 높이의샤시에 8 개혹은 12 개의전면 Hotplug 형태의서버노드가장착되며, 각노드는 Intel Xeon CPU 가사용되는 PowerEdge C5220 마이크로서버제품을출시하였다. Dell 의또다른제품인 PowerEdge 는상기제품과동일한마이크로섀시에 Xeon CPU 대신 ARM 계열서버 CPU 인 Marvell 사의 Armada XP 78460, Calxeda 16
사의 ECX-1000, Applied Micro 사의 X-Gene CPU 들을장착한시제품을제작하였다 [8]. 라. 슈퍼마이크로서버 Supermicro 사는 6U 사이즈의샤시에 Intel Atom Processor C2000 기반의 112 개의독립노드가 28 개, 28 개의핫스왑모듈형마이크로블레이드기반으로각각 1 개의 SSD 혹은 2.5 인치 HDD 를총 28 개의스토리지, 2 개의 DDR3 DIMM 을장착할수있게설계되었다 [9]. 마. Foxconn 마이크로서버 Foxconn 는 4U 사이즈에 Calxeda EXC-1000 를 12 개까지장착할수있으며, 3.5 인치하드디스크를 60 개까지장착할수있게설계되어현재출시되는마이크로서버중가장많은스토리지장착능력을지녔다. 그리고 2014 Cortex A57 을사용하는버전을출시할계획이다 [10]. 바. Quanta 마이크로서버 Quanta QCT 사의 STRATOS 마이크로서버는 PowerEdge C5000 마이크로서버와유사한구조로제작되어있으며, 3U 높이에총 9개혹은 12개의 Xeon CPU 기반의서버혹은 48 개의 Atom S1200 기반의서버가장착되게설계되었다 [11]. 사. Viridis 마이크로서버 Viridis 사는 2U 높이에 32 비트 ARM 코어를 192 개, 24 개 SATA HDD 와 192GB RAM 을제공하는제품을 2011 년 Calxeda 사의 Energy Card 를사용한 Boston 마이크로서버제품을출시하였다. Boston 마이크로서버에장착된 Energy Card 모듈은 ARM A9 Quad-core CPU 인 Calxeda Energy Core 가 4 개장착되어있으며, 서버에총 12 개의 Energy Card 모듈장착할수있게되어있다. Calxeda Energy Core CPU 는 80Gb Energy Core 패브릭스위치를제공하며, 4GB 의 DDR3 DRAM, 2 개의 10GbE, 4 개의 SATA 인터페이스를제공한다 [12]. 아. Penguin 마이크로서버 Penguin Computing 사는 2013 년에 OCP(Open Computing Project) 에서제안하는마 정보통신산업진흥원 17
이크로서버카드규격으로제작된최초의마이크로서버를 Intel Atom C2000 기반과 Calxeda EnergyCore ECX-1000 기반의 CPU 로, HDD 는 3.5 인치를 24 개까지장착가 능하다 [13]. 자. Avantek 마이크로서버 Avantek 사는 4U 높이에 32 비트 ARM A15 시리즈를 12 개까지장착가능하고, 72 개 SATA HDD 와 128GB RAM 을제공하는마이크로서버제품을출시하였다 [14]. HP Moonshot AMD Sea Microsm15000 Dell 64-Bit ARM Server Supermicro Blade Foxconn ARM Server Quanta MESOS M4600H Quantum AR04012 Penguin Microserver Avantek ARM Server 차. 마이크로서버소프트웨어기술 마이크로서버를지원하는소프트웨어는마이크로소프트 (MS) 에서는윈도 8 운영체제 부터 ARM 칩을지원하고, 리눅스 OS 인우분투개발사인케노니컬도 ARM 칩을지원하 18
고있다. x86 기반의가상화소프트웨어기술은 VMware, Microsoft, Citrix, HP, Oracle 등이보유하고있고, 저전력프로세서중압도적인시장점유율을자랑하는 ARM 프로세서용가상화기술은 VMware, OKL4, Blabs 등이있으나모바일단말용에국한된운영체제만을지원하고있어서버용 ARM 기반가상화기술은아직초기단계에있다. SclaeMP 는다수의 x86 시스템을 InfiniBand 나기가비트이더넷으로연결하여하나의단일운영체제를사용하는단일시스템이미지를생성해주는가상 HPC(High Performance Computing) 기술을보유하고있으며, 최대 128 개의노드를하나의단일시스템으로묶을수있고, 최대 64TB 의메인메모리를지원할수있다. Egenera 에서 HP, Dell, Fujitsu 등의블레이드서버를지원하는 PAN Manager 라는솔루션을출시하여다양한하드웨어자원을하나의플랫폼으로관리하는기능을제시하고있다. 4. 결언본고에서는마이크로서버에대한다양한기술과제품들에대해서살펴보았다. 마이크로서버의등장은프로세서의발달과지구온난화에따른전력을절감하고, 데이터센터의공간, 편리성, 비용절감, 환경규제대응등의목적을가지고있다. 그리고, 현재데이터센터의고효율문제는단순정보통신서비스인프라의문제를떠나환경문제로대두되고있다. 이러한저비용클라우드인프라를기반으로단일마이크로서버컴퓨팅시스템내에서다양한규모의클라우드서비스를동시지원가능하게하여비용대비최대시너지효과를기대한다. < 참고문헌 > [1] Market Analysis Perspective: WW Enterprise Servers, IDC, 2012. [2] WW client PC and PC server microprocessor unit shipments by form factor and architecture 2012-2017. [3] WW Server Forecast, 2012 vs. 2017. IDC Sep. 2013. [4] WW Client PC and PC 서버 microprocessor 2013-2017 forecast. IDC May 2013. [5] WW Client PC and PC server microprosessor 2013-2017 forecast. IDC May 2013. [6] http://h17007.www1.hp.com/us/en/enterprise/servers/products/moonshot/index.aspx#.u2nkepowd_s 정보통신산업진흥원 19
[7] http://www.seamicro.com/sm15000 [8] http://www.dell.com/learn/us/en/555/campaigns/project-copper [9] http://www.supermicro.com/newsroom/pressreleases/2013/press130904_avoton.cfm [10] http://www.cnx-software.com/2013/06/06/calxeda-showcases-aaeon-and-foxconn-armservers-at-computex-2013/ [11] http://www.quantaqct.com/en/01_product/02_detail.php?mid=29&sid=143&id=144&qs=96 [12] http://exxactcorp.com/index.php/solution/solu_detail/152 [13] http://www.penguincomputing.com/blog/post/the-udx1-penguins-first-arm-based-server [14] http://www.avantek.co.uk/?grid_products=arm-server-2 20