PCI Express - 엔터프라이즈 인터커넥트를 위한 표준이 될 수 있을까?

PCI Express(PCIe)는 컴퓨터와 주변장치에서 볼 수 있는 버스 표준이다. 2003년에 처음 사용된 후, 개정 3 사양에서 8Gbps의 인터페이스 속도를 처리할 정도로 진화되었다. 이후 서버 시장에서는 엔터프라이즈 스토리지의 SAS와 같은 중간 표준을 제거하고 PCIe로 직접 이동하는 경향이 나타났다. 그렇다면 1차 연결 역할을 담당하는 다른 주변장치를 모든 내부 및 외부 장비로 지속해서 마이그레이션할 수 있을까?

PC가 보급된 이래 S-100, ISA, EISA 및 PCI와 같은 표준이 나타나면서 공급 업체들은 이러한 시스템과 호환 가능한 확장 카드를 개발했다. 1980년대에 나온 최초의 IBM PC는 주변장치 커넥터 버스를 형성하기 위해 8088 프로세서 버스 확장을 사용했다. 이후 주요 제조 업체에서 이를 채택했고, 이것이 산업 표준 아키텍처(ISA) 버스로 발전하면서 EISA(Enhanced ISA)라고 하는 16bit 버전으로 진화됐다.
컴퓨터 프로세서의 속도가 빨라지면서 ISA는 확장성을 방해하는 여러 가지 사건을 겪어야 했다. 한 가지 주목할 만한 사건은 확장 카드의 수동 구성이었다. 마이크로소프트는 까다로운 구성 작업을 간편하게 하기 위한 수단으로 ISA-PnP(ISA-Plug-n-Play)를 제공했다. 그러나 궁극적으로 주변장치 부품 인터커넥트(기존 PCI로 알려진) 버스는 표준의 일부로 이러한 기능을 탑재하고 있었으며, EISA 및 VESA 로컬 버스(VLB)를 대체했다.
그러나 시간이 지남에 따라, 기존의 PCI는 대역폭 조정 때마다 유사한 문제를 유발하기 시작했다. 병렬 버스 구조는 스큐(Skew)에 취약하여 오류가 없는 데이터 스루풋(Throughput)을 제한했다. 따라서 새 표준에 대한 필요성이 명확해졌다.
PCI SIG(Special Interest Group)는 2004년에 PCIe 1.0 규격을 출시했다. 이는 새로운 버스 표준이 연속화된 포인트-투-포인트, 풀 듀플렉스(Full-duplex)라는 점에서 기존 버스 구조와는 상당한 차이가 있었다. 이 규격은 원래의 구성, I/O 및 메모리 운영이 직렬 스트림으로 패킷화되고 한 방향에서 동시에 발생할 수 있다는 점에서 기존의 PCI 버스와 가상의 유사성을 공유하고 있다.

‌진화하는 표준

표준은 실행 요구를 충족시킬 수 없을 경우 폐기되어야 한다. PCIe의 경우에는 최초 릴리즈 이후 세 번의 주요한 개정을 겪었으며, 현재 레인(Lane)당 8Gbps의 처리량을 자랑한다(PCIe 개정 3). 레인은 다중 PCIe 직렬 링크이므로, 더 많은 대역폭이 요구될 경우 다중 링크(두 개의 전원이 연결된 상태)를 그룹화하여 이용 가능한 대역폭을 늘릴 수 있다.
예를 들어, x8 또는 ‘by 8’(PCIe 개정 3) 버스는 8Gbps의 전송률을 갖는다. 표준은 x16 및 x32도 허용한다. 포인트-투-포인트 진화의 또 다른 기능으로는 부착된 주변장치만큼 버스를 빠르게 실행시킬 수 있는 능력을 들 수 있다. 그에 따라, 버스는 더 이상 공유된 버스의 가장 느린 기기에 적응할 필요가 없게 되었다.
PCIe가 서버 및 PC의 선택적 주변장치 인터커넥트로 사용됨에 따라 통신 및 스토리지를 위한 다른 표준이 필요해졌다. 유비쿼터스 이더넷이 데이터 전송을 위한 수단으로 출현했다. 이는 오토모티브 백본(Backbone)과 산업용 컨트롤에서 엔터프라이즈 서버 팜(Farm), 가정용 컴퓨터에 이르기까지 모든 곳의 가정에서 찾을 수 있다. 또한 씨게이트(Seagate, 이후 Shugart Technology) ST-506 인터페이스에서 시작하여 ATA(AT Attachment)/IDE(Integrated Drive Electronic) 표준으로 진화하고 있는 스토리지를 위한 표준이 있다. 현재 그러한 표준은 직렬화를 겪었으며 직렬 ATA나 SATA로 알려져 있다.
엔터프라이즈 세계는 SCSI(Small Computer System Interface) 진화와 함께 발전했으며, 이로 인해 직렬 SCSI 및 iSCSI(IP 패킷에 임베디드된 SCSI)와 같은 여러 표준이 출현했다.
iSCSI에 관해 흥미로운 점은, 특별한 물리적 레이어 요구조건 없이 기존의 네트워크 상에서 고성능 스토리지 정보를 이동시킬 수 있다는 것이다. 즉 물리적 인프라에서 스토리지 컨셉트를 분리하여 실제 스토리지 매개체를 원거리(Offsite)가 포함된 네트워크 내 어느 곳에도 위치시킬 수 있다. 이를 통해 소프트웨어는 기본적으로 하드 드라이브 스토리지가 기기를 로컬이라고 인식하도록 할 수 있다.

‌엔터프라이즈의 진화

WWW(World Wide Web)에서 기업 인프라와 분산형 ‘클라우드’ 컴퓨팅 플랫폼은 데이터 센터이다. 유리창 뒤에 ‘메인 프레임’이 있고, 중앙 집중화된 제어가 정보 및 시스템 무결성을 유지하는 초기의 컴퓨팅을 재현하고 있다. 실제로 크게 달라진 점은 없다.
오늘날의 데이터 센터는 우리가 매일 이용하는 서비스를 제공하는 하드웨어와 소프트웨어의 중앙 집중화된 집합이다. 서버와 블레이드(Blade) 센터는 여러 인터커넥션 스킴(Scheme)을 통해 뱅크의 스위치와 스토리지 시스템에 연결된다.
궁극적으로 대부분의 인프라가 로딩을 관리하고 전력 소비를 줄이도록 가상화되기 때문에, 특정 행동을 발생시키는 실제 기기를 즉각적으로 알 수 없을 수도 있다.
그렇다면 PCIe는 엔터프라이즈 내의 어디에서 사용되는가? 전통적인 서버 플랫폼을 검사하는 경우, CPU를 스토리지와 주변장치에 액세스하는 일차적 수단이 네이티브 PCIe임을 깨닫게 될 것이다. 인텔의 롬리(Romley) 서버 플랫폼은 외부 세계에 액세스할 수 있는 40 PCIe 3.0 레인을 제공한다. 이러한 레인 중 일부는 PCB 상에서 플라나(Planar) 주변장치에 연결되지만 대부분은 PCIe x4 또는 x8 커넥터를 고정하는 커넥터, 미드 플레인 및 라이저 카드(Riser Card)를 가로지른다. 이것은 서버를 위한 I/O 연결이며, 듀얼 10G 이더넷 NIC 카드는 인프라에 연결할 매커니즘으로 여기에 삽입된다.
64bit 프로세서는 이론적으로 16EB(엑사바이트) 이상의 스토리지(물리적 RAM 등)에 직접 어드레스할 수 있다. 흥미로운 점은, 최신 64bit 프로세스의 메모리 공간이 물리적 어드레싱에 사용되는 비트 수에 의해 제한된다는 점이다(인텔 X86-64-48bit, AMD64-52bit). CPU가 진화함에 따라 이것도 엑사바이트 범위로 증가하게 된다. 이러한 추세라면 대형 스토리지 어레이는 CPU 메모리 맵의 일부가 될 수도 있다. 또한 CPU 사이에서 공유될 수도 있다. 이 시나리오에서 대형 디스크에 최적인 인터페이스는 PCIe가 될 수 있다.
여기에는 두 가지 장점이 있다. 첫 번째, 드라이브가 물리적으로 어떻게 저장되었느냐에 상관없이 CPU는 이를 실제(가상이 아닌) 메모리처럼 인식한다. 두 번째, 매핑 가상 메모리에서 디스크 스토리지까지 성능 저하 없이 스토리지 처리량이 개선된다. 이것은 현재 이용되고 있는 기술이다. 정보기술표준국제위원회(INCITS, International Commi- ttee on Information Technology Standards) SATA-IO 작업 그룹은 PCIe를 물리적 운반으로 활용하는 SATA Express를 발표했지만, SATA 소프트웨어 인프라는 여전히 사용되고 있다.
SFF(Small Form Factor) 위원회는 SAS/SATA에서 SATA Express 및 PCIe까지 허용하도록 설계된 커넥터 표준 SFF-8639를 발표했다(그림 1). 

또한 FLASH 기술을 기반으로 한 엔터프라이즈 SSD (Solid-State Drive)는 PCIe 인터페이스와 함께 이미 상업적으로 이용되고 있다.