인공 지능의 급속한 발전으로 AI 서버와 GPU 클러스터는 데이터센터의 핵심 컴퓨팅 인프라가 되었습니다. 대규모 언어 모델 학습부터 실시간 추론 서비스에 이르기까지 이러한 애플리케이션은 컴퓨팅 성능과 데이터 처리량에 대한 전례 없는 요구 사항을 부과합니다. 이러한 고성능 시스템을 지원하는 기본 아키텍처에서 고속 신호 전송 기술은 심각한 도전에 직면해 있습니다.
업계 조사 기관에 따르면, 전 세계 GPU 시장은 400억 달러 2024년에는 연간 30% 이상의 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다. 하나의 AI 트레이닝 서버에 8개 이상의 고성능 GPU를 통합하여 고속 상호 연결을 통해 통합 컴퓨팅 풀을 구성할 수 있습니다. 이러한 고밀도 컴퓨팅 아키텍처는 서버 내부의 데이터 전송 대역폭과 신호 품질에 대해 매우 높은 요구 사항을 부과합니다.
한편, 스토리지 시스템도 변화하고 있습니다. 기존의 SATA 및 SAS 스토리지는 더 이상 AI 워크로드의 요구 사항을 충족할 수 없으며, NVMe 프로토콜 기반의 고속 SSD가 대세가 되고 있습니다. 차세대 CXL(컴퓨트 익스프레스 링크) 기술은 메모리 확장 및 스토리지 컨버전스를 더욱 향상시켜 GPU와 CPU가 캐시 일관된 방식으로 원격 메모리 및 스토리지 리소스에 액세스할 수 있도록 합니다.
서버 내부 장치 상호 연결을 위한 주류 표준인 PCI Express(PCIe)는 5세대까지 발전하여 성숙기에 이르렀습니다. PCIe 5.0은 레인당 전송 속도를 16GT/s(PCIe 4.0)에서 다음과 같이 높였습니다. 32GT/s를 사용하여 레인당 대역폭을 두 배로 늘립니다. x16 구성의 그래픽 카드 또는 네트워크 어댑터의 경우 이론상 양방향 대역폭은 다음과 같이 도달할 수 있습니다. 128GB/s.
하지만 전송 속도가 빨라지면 새로운 엔지니어링 과제가 발생하기도 합니다:
· 신호 감쇠: 고속 신호는 PCB 트레이스와 커넥터를 통해 전송될 때 손실이 발생하고 더 높은 주파수에서 감쇠가 악화됩니다. PCIe 5.0 신호는 PCIe 4.0보다 유효 전송 거리가 짧기 때문에 더 엄격한 라우팅 설계가 필요합니다.
· 신호 무결성: 고속 신호는 누화, 반사 및 잡음에 더 취약하여 데이터 전송 오류가 발생하고 시스템 안정성이 저하될 수 있습니다.
· 타이밍 마진: 데이터 전송률이 높을수록 타이밍 창이 좁아져 클록 동기화 및 신호 에지 정확도에 대한 요구 사항이 더 엄격해집니다.
고속 신호 전송 문제를 해결합니다, 리타이머 기술이 등장했습니다. 리타이머는 고속 신호 경로에 배치된 신호 재생 장치로, 감쇠된 신호를 감지, 복구 및 리타이밍하여 유효 전송 거리를 늘리고 신호 무결성을 개선합니다.
단순 신호 증폭기(리드라이버)와 달리 리타이머는 다음과 같은 메커니즘을 통해 신호 재생을 달성합니다:
· 신호 이퀄라이제이션: 고주파 감쇠를 보정하고 신호 진폭을 복원합니다.
· 시계 및 데이터 복구(CDR): 입력 신호에서 클럭을 추출하여 지터를 제거합니다.
· 신호 리타이밍: 복구된 시계를 사용하여 깨끗한 데이터 신호를 재생성합니다.
· 프로토콜 투명성: 데이터 콘텐츠를 구문 분석하지 않으며 상위 계층 프로토콜에 완전히 투명합니다.
AI 서버와 하이엔드 스토리지 시스템에서 리타이머 칩은 안정적인 고속 신호 전송을 보장하는 핵심 부품이 되었습니다. GPU와 CPU 간의 상호 연결은 물론 NVMe SSD의 확장 연결에 없어서는 안 될 역할을 합니다.
CXL(컴퓨트 익스프레스 링크)은 PCIe 5.0 물리 계층을 기반으로 하지만 더 풍부한 기능을 갖춘 새로운 고속 상호 연결 프로토콜입니다. CXL 2.0 표준은 세 가지 프로토콜을 지원합니다:
· CXL.io: 장치 검색 및 구성을 위한 PCIe 프로토콜과 호환됩니다.
· CXL.cache: 디바이스 캐시 일관성을 지원하여 디바이스가 CPU 캐시를 공유할 수 있도록 합니다.
· CXL.memory: 메모리 시맨틱 액세스를 지원하여 디바이스가 시스템 메모리에 직접 액세스할 수 있도록 합니다.
CXL 기술의 핵심 가치는 기존 아키텍처에서 CPU 메모리의 병목 현상을 해소하여 GPU 및 FPGA와 같은 가속기가 캐시 일관된 방식으로 대용량 메모리 풀에 액세스할 수 있도록 하는 데 있습니다. 이는 대용량 메모리를 필요로 하는 AI 학습 및 빅데이터 애플리케이션에 매우 중요합니다.
MCIO(미니 쿨 엣지 IO) 는 차세대 PCIe 및 CXL 애플리케이션을 위해 설계된 컴팩트한 고속 커넥터 표준입니다. MCIO는 다음과 같은 이점을 제공합니다:
· 더 높은 밀도: 더 작은 공간에서 더 많은 신호 채널을 지원합니다.
· 신호 무결성 향상: 최적화된 핀 레이아웃과 차폐 설계로 누화를 줄입니다.
· 케이블 연결: 케이블을 통한 외부 기기 연결을 지원하여 섀시 공간의 제약을 없앱니다.
대규모 AI 모델을 훈련하려면 수백, 수천 대의 GPU가 협업해야 합니다. 고속 상호 연결은 GPU 간에 그래디언트 데이터와 모델 매개변수의 저지연, 고대역폭 교환을 보장합니다. 리타이머 기술은 복잡한 백플레인과 장거리 케이블에서 신호 무결성을 보장합니다.
과학 컴퓨팅, 시뮬레이션, 유전자 염기서열 분석과 같은 HPC 애플리케이션은 메모리 대역폭과 용량에 대한 요구가 매우 높습니다. 리타이머 신호 향상과 결합된 CXL 메모리 확장은 대용량, 고대역폭 메모리 풀을 구축하여 컴퓨팅 작업을 가속화할 수 있습니다.
클라우드 게임 서버는 단일 물리적 머신에서 여러 GPU 인스턴스를 가상화하여 여러 사용자에게 실시간 렌더링 서비스를 제공합니다. 고속 스토리지와 메모리 액세스는 지연 시간이 짧은 게임 경험을 보장하는 데 매우 중요합니다.
표준 서버를 기반으로 하는 소프트웨어 정의 스토리지(SDS) 솔루션은 많은 수의 NVMe SSD를 연결해야 합니다. PCIe 5.0 리타이머 확장 카드를 사용하면 고밀도 SSD 확장을 통해 고성능 스토리지 풀을 구축할 수 있습니다.
점점 더 복잡해지는 고속 상호 연결 수요에 직면한 시스템 설계자는 다음 요소를 고려해야 합니다:
· 전송 거리: 리타이머 강화가 필요한지 여부를 결정하기 위해 신호가 이동해야 하는 물리적 거리를 평가합니다.
· 차선 구성: 장치 요구 사항에 따라 적절한 PCIe 분기 모드(x16/x8/x4)를 선택합니다.
· 프로토콜 지원: CXL 프로토콜 지원이 필요한지 여부와 CXL의 구체적인 기능 요구 사항을 확인합니다.
· 열 설계: 고속 리타이머 칩은 상대적으로 전력 소비가 높기 때문에 적절한 열 솔루션이 필요합니다.
· 호환성 검증: 확장 카드가 마더보드, 운영 체제 및 대상 장치와 호환되는지 확인합니다.
AI 시대의 도래로 데이터센터 아키텍처 설계가 재편되고 있습니다. PCIe 5.0의 고속 전송, 리타이머 기술의 신호 재생, CXL 프로토콜의 메모리 확장에 이르기까지 각 기술은 AI 컴퓨팅의 잠재력을 실현할 수 있도록 지원합니다.
AI 인프라를 계획하는 기업의 경우 이러한 기반 기술의 원리와 적용 시나리오를 이해하면 보다 합리적인 기술 선택과 고성능, 고신뢰성 컴퓨팅 플랫폼 구축에 도움이 됩니다.
Linkreal(LR-LINK)은 서버/데이터 센터 연결 솔루션에 주력하는 국내 하이테크 기업입니다. 제품 포트폴리오에는 이더넷 네트워크 어댑터, 스토리지 확장 카드, GPU 확장 솔루션 등이 포함됩니다. PCIe 5.0 및 CXL 기술의 발전 추세에 발맞춰 AI 서버, 고성능 컴퓨팅, 소프트웨어 정의 스토리지 및 기타 애플리케이션 시나리오를 위한 고속 신호 확장 솔루션을 제공합니다.
2026-04-23