인텔 제온 E5 v4 시리즈 테크니컬 워크숍 : 프로세서

인텔(Intel)은 태평양 표준시 기준 3월 2, 3일 양일간 미국 오레곤(Oregon)주 힐스보로(Hillsboro)의 존스 팜 캠퍼스(Jones farm Campus)에서 글로벌 미디어들을 초청, 인텔 제온 E5-2600 v4 시리즈와 플랫폼의 기술적 특징, 전략 등을 소개하는 테크니컬 워크숍을 진행했다.

인텔 제온 E5-2600 v4 시리즈 프로세서는 ‘브로드웰(Broadwell)’ 아키텍처를 기반으로 하는 2소켓급 플랫폼의 서버용 프로세서로, 이전 세대 대비 더 높아진 성능과 함께 다양한 새로운 기능들을 지원하는 것이 특징이다. 인텔은 제온 E5 v4 프로세서와 기반 플랫폼에 대해 스케일아웃 확장되는 소프트웨어 정의 데이터센터와 클라우드 환경에 최적화된 플랫폼으로 소개했으며, 서버 뿐 아니라 스토리지와 네트워크에 이르기까지 플랫폼이 활용 가능한 범위를 넓혔다.

인텔 제온 E5 v4 프로세서와 기반 플랫폼은 이제 네트워크와 스토리지 부분에서도 효율적으로 활용할 수 있는 기반을 마련했다. 네트워크에서는 DPDK를 활용해 가상 스위치에서의 패킷 성능을 비약적으로 끌어올렸고, 스토리지에서는 내부 데이터 처리 성능 향상을 위한 ISA-L과 전달 성능 최적화를 위한 SPDK를 적용, 이전 세대 대비 큰 폭의 성능 향상을 달성했다. 이와 함께 데이터센터 스토리지 성능 최적화를 위한 새로운 SSD 제품도 함께 소개되었다.

▲ 이제 클라우드의 수요는 일반 기업들의 서비스로까지 이어지고 있다.

리사 스펠만(Lisa Spenman) 인텔 데이터센터 마케팅 그룹 부사장은 이 자리에서 제온 E5 v4 프로세서와 플랫폼에 대해 ‘클라우드를 위한 플랫폼’ 이라는 화두를 던졌다. 그리고 최근의 데이터센터 시장의 트렌드로는 데이터 분석의 성장, 네트워크의 변화, HPC의 대중화, 클라우드 컴퓨팅으로의 이동 등을 꼽았다. 이 중 네트워크는 NFV 나 SDN 등으로 유연함을 배가하는 형태로의 변화가 이루어지고 있으며, HPC의 보편화에서는 클라우드를 통한 HPC 서비스 제공 등 새로운 모델이 등장하고 있다고 설명했다.

새로운 클라우드 활용법의 등장도 중요한 부분이다. 인텔은 현재 클라우드 서비스의 66%는 소비자를 대상으로 하고 있지만, 2020년에는 IoT나 데이터 분석, 엔터프라이즈 등으로의 활용이 확대되어 전체 애플리케이션의 85%가 클라우드 환경을 통해 제공될 것으로 예상했다. 그리고 향후 클라우드 변화의 병향으로는 하이퍼스케일, 차세대, 그리고 엔터프라이즈 환경의 클라우드화 등을 꼽았으며, 인텔은 이런 변화를 이끌기 위한 ‘Cloud for all’ 이니셔티브를 소개한 바 있다고 덧붙였다.

엔터프라이즈 환경에 클라우드의 도입은 새로운 비즈니스 기회 창출의 계기가 되기도 한다. 현재 엔터프라이즈 환경에서는 주로 프라이빗 클라우드를 활용하고 있으며, 전체 워크로드의 74%를 어떤 형태로든 클라우드로 다루고 있다. 그리고 클라우드의 도입을 통한 새로운 비즈니스 기회 창출의 사례로는 BMW의 커넥티드 드라이브 서비스나 GE의 프리딕스 클라우드(Predix Cloud)를 통한 산업 분석 애플리케이션 등이 꼽혔다.

▲ 제온 E5-2600 v4 프로세서는 ‘소프트웨어 정의 인프라’ 최적화를 강조했다.

소프트웨어 정의 인프라(SDI: Software Defined Infrastructure)는 빠른 서비스 시작을 위한 신속한 배포와 프로비저닝 환경을 제공하고 최적화된 비용과 뛰어난 유연성을 제공해, 컴퓨트, 스토리지, 네트워크 영역 모두에 영향을 주는 변화로 꼽혔다. 반면 기존 레거시 환경은 사일로 형태의 자원 구성과 모두 분리되어 있는 관리 환경에서 사람이 직접 오케스트레이션 해야 했으며, 기술 관련 종속성 측면의 문제가 있고, 사람이 많이 필요하고 신속성이 떨어지는 한계가 있었다고 지적했다.

인텔 제온 플랫폼 기반에서 구현될 수 있는 소프트웨어 정의 인프라는 기존 환경과 비교할 때 중앙집중화, 자동화 부분이 차별화된 요소다. 또한 풀 형태의 가상화된 리소스 구성과 함께 기존 레거시 환경을 모두 수용할 수 있다. 그리고 인텔은 제온 E5-2600 v4 프로세서와 플랫폼이 이런 소프트웨어 정의 인프라 환경과 클라우드 플랫폼으로의 이전을 촉진하기 위한 최적화된 성능과 비용 효율, 투자 효율을 제공하며, 스케일아웃 확장 환경에 최적화되었다고 덧붙였다.

제니퍼 허프스테틀러(Jennifer Huffstetler) 인텔 데이터센터 제품 마케팅 디렉터는 제온 E5 기반 플랫폼이 기존의 서버로의 활용 뿐 아니라 컨버지드 스토리지 서버 등의 스토리지 영역, SDN 등의 네트워크 영역 등에서의 활용에도 최적화되었다고 소개했다. 또한 제온 E5-2600 v4 프로세서는 2소켓 디자인과 함께 범용과 세그먼트 최적화 제품군으로 구성되고, 소켓당 4채널 DDR4 메모리 인터페이스와 고급 가상화, 오케스트레이션 기술, 보안 성능 향상을 위한 새로운 명령어 셋 등이 적용되었다고 덧붙였다.

새로운 제온 E5-2600 v4 프로세서는 이전 세대보다 더 늘어난 최대 22개의 코어와 DDR4-2400 메모리 지원, TSX 기술의 지원과 AVX 처리의 최적화 등으로 이전 세대 대비 최대 44% 향상된 성능을 제공한다. 또한 암호화 측면에서도 새로운 명령어 추가 등으로 최대 70% 가량의 코어당 암호화 알고리즘 처리 성능 향상이 있다고 소개했다. 이와 함께 소프트웨어 정의 인프라 환경의 오케스트레이션 최적화를 위한 ‘인텔 리소스 디렉터(Intel Resource Director)’ 기술이 소개되었다.

▲ 리소스 디렉터 기술로 프로세서 내부의 캐시까지 관리와 할당이 가능해졌다.

오케스트레이션 측면에서 ‘인텔 리소스 디렉터’ 기술은 네 가지 새로운 기능을 제공한다. 먼저 CAT(Cacle Allocation Technology)는 성능 최적화를 위해 프로세서 내부 캐시 사용을 애플리케이션과 사용자가 정의할 수 있도록 하며, CDP(Code and Data Prioritization)은 코드와 데이터의 우선 순위를 설정할 수 있게 한다. 이와 함께 메모리 대역폭을 모니터링할 수 있는 MBM(Memory Bandwidth Monitoring), 향상된 캐시 모니터링 기술 등을 포함한다.

보안 측면에서는 데이터 암호화, 복호화 성능 향상과 컴퓨트 풀의 신뢰성 향상, 네트워크 보안 등이 중요한 부분으로 꼽혔다. 그리고 암, 복호화 성능 향상에는 새로운 명령어(ADOX/ADCX)이 적용되어 큰 폭의 성능 향상을 이루어 냈다. 이와 함께 새로운 랜덤시드 생성기(RDSEED)와 슈퍼바이저 모드 액세스 보호(SMAP), 가상화 환경의 보안을 위한 가상화 예외(#VE: Virtualization exception) 등이 새로운 기능으로 소개되었다.

성능 측면에서는 인프라 밀도 향상과 가상화 기능 향상, 가용성 향상과 워크로드 최적화 등이 주요 개선점으로 꼽혔다. 그리고 가상화 관련으로는 포스티드 인터럽트(Posted Interrupts), 페이지 수정 로깅(Page Modification Logging), VM의 진입, 탈출 지연시간 감소 등이 적용되었다고 소개되었다. 이 외에도 TSX(Transactional Synchronization Extensions)의 탑재와 AVX 명령어 수행 측면의 최적화, DDR4 메모리의 동작 속도 향상 등이 적용되었다고 덧붙였다.

▲ 전 세대와 플랫폼을 공유하면서도 많은 변화가 적용된 제온 E5 v4 시리즈 제품군.

제온 E5 v4 시리즈의 아키텍처에 대한 소개는 인텔 플랫폼 엔지니어링 그룹의 크리스 지아노스(Chris Gianos) 서버 CPU 아키텍트가 진행했다. 코드명 ‘브로드웰-EP(Broadwell-EP)’ 로 알려진 제온 E5 v4 제품군은 브로드웰(Broadwell) 마이크로아키텍처를 기반으로 14nm 공정을 통해 제조된다. 또한 기존 제온 E5-2600 v3 제품군과 소켓과 플랫폼간 호환성을 가지면서, 프로세서와 플랫폼 차원에서 다양한 개선점과 새로운 기능들이 포함된다.

이전 세대와 배교할 때 제온 E5-2600 v4 제품군은 소켓당 최대 코어 수가 기존 18개에서 22개로 더 늘었으며, 이에 따라 소켓당 쓰레드 수도 최대 44쓰레드로, LLC 용량 또한 최대 55MB로 늘어났다. 메모리 지원에서는 기존의 DDR4-2133 쿼드 채널 구성에서 성능은 DDR4-2400 지원으로 높아졌으며, 지원 메모리에도 3DS LRDIMM이 추가되었고, DDR4의 쓰기 CRC를 지원한다. 플랫폼 차원에서의 QPI 속도나 PCIe 레인 수, TDP 구성 등은 이전 세대와 동일하다.

브로드웰 마이크로아키텍처를 기반으로 하지만 기존 컨슈머 레벨 프로세서와 달리 제온 E5 v4 프로세서의 지원 기술은 변화 폭이 큰 편이다. 성능 측면에서는 포스티드 인터럽트, 페이지 수정 로깅, CAT나 메모리 대역폭 모니터링 등의 새로운 기술이 지원되며, 보안 측면에서는 새로운 명령어를 통한 암호화 성능 향상, 새로운 RDSEED 명령어, 슈퍼바이저 모드 액세스 보호 등이 추가되었다. 이 외에 관리 측면에서는 프로세서 추적이나 하드웨어 컨트롤 전원 관리 등이 소개되었다.

프로세서 내부적으로는 기존처럼 코어 수에 따라 한 개 혹은 두 개의 링버스를 내부 브릿지로 연결, 논리적으로 하나의 큰 링버스로 만드는 방식의 대칭형 구조를 사용한다. QPI나 PCIe 등의 언코어 부는 첫 번째 링버스에 연결되고, 메모리 컨트롤러는 듀얼 채널 구성으로 각 링버스에 하나씩 위치한다. 브릿지는 코어 동작 속도로 동작해 대역폭과 레이턴시 측면에는 영향을 주지 않으며, 코어 수에 따라 두 번째 링버스를 잘라내는 식으로 구성한다. 코어당 LLC는 2.5MB로 기존과 같다.

▲ 개선점 측면에서는 전 세대는 물론이고, PC용 브로드웰과도 다소 차이가 있을 정도.

브로드웰 아키텍처에서 레거시 IPC의 성능 향상은 코어당 약 5% 정도로 추산된다. 또한 FP(Floating Point) 성능에서는 이전 세대 대비 지연 시간 감소와 벡터 수집(vector gether) 의 하드웨어 지원 추가 등으로 성능 향상이 있었다. TLB(Translation Buffer)에서는 네이티브 16엔트리 1G TLB 어레이 구성과 함께 스케줄러 확장, STLB 사이즈가 1.5K 엔트리로 늘어났고, 주소예측, 분기예측 성능 향상, 스케줄링 uops의 병렬화 향상, 특정 명령어의 수행 지연시간이 줄어들었다고 소개되었다.

이전 세대의 하스웰 마이크로아키텍처에 추가된 두 개의 FMA 유닛은 그 이전 대비 두 배의 FLOPS 성능을 구현해냈던 바 있다. 브로드웰에서는 이런 기조를 유지하면서 약간의 개선이 이루어져서, FP 곱셈의 지연 시간이 기존의 5 클럭에서 3클럭으로 감소되어 성능 향상이 기대된다. 디바이더에서도 전반적으로 지연 시간이 감소되었으며, 1024 Radix 디바이더의 레이턴시 감소, 스칼라 디바이드에서의 ‘스플릿’ 오퍼레이션 적용 등이 성능 향상과 지연시간 감소에 큰 영향을 주었다.

AVX 명령어 수행에서의 동작 특성도 개선되었다. 현재 인텔의 프로세서는 터보 부스트 동작 정의에 AVX와 스칼라 워크로드의 최대 동작 속도가 다르고, 스칼라가 조금 더 높다. 그리고 하스웰 아키텍처까지는 혼합 워크로드 상황에서 스칼라 워크로드의 처리 속도가 AVX의 낮은 동작 속도에 맞춰지는 특성이 있었다. 하지만 브로드웰에서는 각 쓰레드별 특성에 맞추어 동작 속도가 설정되어, 혼합 워크로드에서 스칼라 워크로드의 처리 성능 손실이 없어진 것이 특징이다.

▲ 새로운 암호화 관련 명령어는 보편적인 고정밀 암호화에서 효과적이다.

보안 관련에서의 변화로는 기존 명령어들의 지연시간 단축과 새로운 명령어의 추가, RDSEED, 슈퍼바이저 모드 액세스 보호(SMAP) 등이 꼽혔다. 이제 ADC, SBB 명령은 한 사이클에 완료할 수 있으며, 기존 애플리케이션의 재컴파일을 요구하지 않는다. PCLMULQDQ 또한 지연시간이 7사이클에서 5사이클로 줄고, 곱셈 처리량이 두 배 높아졌다. 또한 새로운 명령어인 ADCX, ADOX는 ADC의 변형으로, DSA 2048bit, RSA 4096bit 등에서 이전세대 대비 1.5배 이상의 성능 향상을 기대할 수 있다.

RDSEED는 기존의 RDRAND를 사용할 수 없는, 별도의 난수 생성기를 사용해야 하는 경우를 지원하며, 일반적으로는 RDRAND로 바로 암호화 키를 생성하는 것을 추천하고 있다. 슈퍼바이저 모드 액세스 보호(SMAP: Supervisor Mode Access Prevention)은 유저모드 어드레스 영역을 보호하기 위한 프로세서 기반의 기술로, 유저 페이지의 데이터에 슈퍼바이저 모드로의 의도치 않은 접근을 막을 수 있다.

이 외에도 제온 E5 v4에서는 이미 이전 세대의 아키텍처에서 소개되었지만 여러 가지 이유로 제온 E7 급에서만 실제 사용할 수 있었던 TSX 기술이 포함되어, 하드웨어 레벨에서 트랜잭션의 시작과 종료, 락 생략 등을 지원한다. 또한 메모리에서는 DDR4 쓰기 CRC 지원과 워크로드 유형에 따른 성능 최적화를 위한 네 가지 스눕(Snoop) 모드 지원, 정교한 전원 관리를 위한 하드웨어 제어 파워 매니지먼트, 디버깅을 위한 프로세서 추적(Processor Trace), PCIe의 ECRC 기능 등이 소개되었다.

▲ 리소스 디렉터에서는 프로세서의 LLC를 직접 컨트롤할 수 있는 방법이 제공된다.

제온 E5 v4의 리소스 디렉터 기술은 크게 네 가지 기능으로 구성된다. 이 중 CMT(Cache Monitoring Technology)는 쓰레드 수준에서의 LLC 사용에 대한 모니터링을 지원하며, CAT(Cache Allocation Technology)는 LLC를 특정 워크로드를 위해 파티셔닝, 할당할 수 있도록 지원한다. 이 때 CAT는 쓰레드를 16개 클래스로 우선권을 정의해 자원을 할당할 수 있도록 한다. 한편 리소스 모니터링 ID(RMIDs)는 플랫폼 수준에서 쓰레드, 앱, VM 등의 QoS를 지원할 수 있게 한다.

브로드웰 아키텍처에서 전반적인 가상화 환경의 레이턴시는 전 세대 대비도 약간 줄어들었으며, 포스티드 인터럽트, 페이지 수정 로깅, VM 진입, 탈출 지연시간 단축을 통한 성능 향상이 소개되었다. VM 진입, 탈출 지연시간 감소 측면은 VM 트랜지션 오버헤드를 감소시키는 효과를 제공하며, 기존 하스웰에서는 약 500사이클 정도가 필요했지만 브로드웰에서는 이를 400사이클 이내까지 단축시켰다.

포스티드 인터럽트는 가상화 환경에서 가상 프로세서와 디바이스간의 인터럽트 라우팅을 효율적으로 해 줄 수 있는 방안으로, 대부분의 인터럽트를 VM 안에서 하드웨어 지원으로 해결, 지연 시간이 큰 VM 탈출 상황을 크게 줄일 수 있다. 기존 E5 v2부터 지원되뎐 APIC-V 하드웨어 지원보다 더 적극적으로 VM 탈출 상황을 줄여, 가상 인터럽트 성능을 크게 끌어올리고 VM 마이그레이션 효율을 높일 수 있다. 또한 SR-IOV나 다이렉트 I/O 할당 상황에서 사용할 수 있다.

페이지 수정 로깅은 VM 기반 고가용성 환경 구성에서 오버헤드를 줄이면서 빠르게 상호간 상태를 확인할 수 있는 방법이다. VMM간 가용성 확인을 위한 링크를 통해 메인 시스템이 장애 발생시, 빠르게 백업 시스템을 활성화시킬 수 있도록 하며, 다양한 우선도의 워크로드가 혼재된 상황에서도 활용할 수 있고, 워크로드에 따른 장애 복구를 진행할 수 있도록 한다. 이 기능은 하스웰 아키텍처에서의 EPT A/D 지원 기술을 기반으로 하는 것으로 알려졌다.