x86의64비트 신기원을 개척한 파이오니어, AMD64 기술

황영환 | AMD 엔터프라이즈 사업개발본부 아시아담당 이사

업계 최초로 x86 기반의64비트 컴퓨팅의 새로운 세계를 개척한AMD64 기술이2003년 4월22일AMD Opteron(옵테론) 프로세서의 출시와 함께 발표된 지이미15개월이 지났다. 그 동안 컴퓨팅 업계에서는 많은 변화가 있었고 현재 더욱 더 많은 변화가 예고되고 있는 상황이다. 이 글에서는 이 변화가 과연 어떠한 이유 때문인지 살펴보고, 효율적인 기업 컴퓨팅 운용의 대안을 모색해 본다.

32비트와 64비트의 x86 컴퓨팅 동시에 가능

현재64비트 컴퓨팅은 결코 새로운 컴퓨팅 환경은 아니다. 하지만 최근까지64비트 컴퓨팅의 대중화는 매우 느리게 진행되었는데, 가장 큰 이유는 가격 측면에서 부담 이 컸기 때문일 것이다. 64비트 컴퓨팅의 매력은 충분하지만, 가격 장벽이 너무 높 아서 일반 사용자들에게는‘그림의 떡’일 수밖에 없었던 것이다.
2003년AMD에서 발표한AMD64 기술은 이러한 상황을 고려해, 세계 최초로 출 시한 x86 기반의64비트 컴퓨팅 환경이다.
x86 컴퓨팅은1978년8비트로 시작해1982년16비트, 1985년32비트로 발전한 이후, 18년 만에 64비트로 확장되었다. AMD의 64비트 기술 발표는 분명 새로운 시대의 개막을 알리는 것이었다. 즉, 고가의 서버 또는 특정 애플리케이션에서만64 비트 컴퓨팅을 향유할 수 있는 것이 아니라, 다양한 개발자의 워크스테이션, 일반 사 무직 데스크탑 및 노트북 PC, 게이머들의 고성능 PC, 가정용 PC, 대기업 및 중소기 업에서 사용하는 범용 서버에서도 64비트 컴퓨팅 환경을 활용할 수 있는 시대가 도 래한 것이다. 물론 다양한 x86 기반 64비트용 소프트웨어들이 개발되어야 한다는 과제가 여전히 남아 있지만, x86 기반은 일반 개발자들한테 익숙한 프로그램이기 때문에 x86 기반 64비트 애플리케이션들은 속속 개발되고 있고, 그 성장세는 가히 폭발적이라고할수있다. <표1>은지난1년여 동안AMD64 기술로 인한64비트 애플리케이션 개발의 성과를 보여 주고 있다.

<표1> AMD64 기술로 인한64비트 애플리케이션 개발의 성과


AMD64 기술의 특징 중 하나는 64비트 컴퓨팅 환경을 제공할 뿐 아니라 기존의 x86 기반 32비트 컴퓨팅의 호환성을 유지한다는 점이다. 즉, 현존하는 모든 32비 트 프로그램들을 그대로 활용하면서 사용자의 필요에 따라 64비트로 전환할 수 있 다는 측면에서 기존의 IT 투자를 확실하게 보호할 수 있다. <그림1>에서 설명하는 것처럼AMD64 기술은32비트 운영체제가 인스톨되었을 경우에는32비트 애플리 케이션들만 운용하지만, 성능 면에서 최고의 성능을 발휘하게 해준다. 또한 64비트 운영체제가 인스톨되었을 경우 32비트 및 64비트 애플리케이션을 모두 동시에 사 용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

<그림1> AMD64 기술은32비트 및64비트 애플리케이션을 동시에 운용할 수 있고, 최고의 성능을 발휘한다


AMD64 기술의 이러한 장점은 새로운 Execution Modes, Instructions 및 Registers를 기존 x86 디자인에 추가했기 때문에 가능하다. 32비트 x86의 가장 큰 두 가지 단점이었던 Memory Addressing과 적은 수의 레지스터 때문에 발생 하는 Instruction Path Length 증가 문제를 보완한 것이다. AMD64 아키텍처는 이제 64비트 Integer Registers(>= 40bit Physical Address와 >= 48bit Virtual Address)로 확장되면서 동시에 16개의 General Purpose Registers를 가지게 되었다. 아울러 16개의 128비트 SSE 레지스터도 보유하게 되면서 기존의 모든Vector Math Instruction Set(x87, MMX, 3DNow!, SSE, SSE2)를지원 하게 된다<그림 2>.

<그림2> AMD64 기술이 기존 x86 디자인에서 확장된 모습


또한 AMD64 기술은 3개의 Execution Mode가 지원된다. 첫째는 Legacy Mode로서 기존의32비트 운영체제상에서 모든32비트 애플리케이션들을 지원하 는 모드이다. 이는 다른 어떠한 32비트 프로세서보다 더 뛰어난 성능을 발휘한다는 장점도 있지만, 이미 투자해서 사용하고 있는 32비트 운영체제 및 애플리케이션들 을 보호해 준다는 더 중요한 특징이 있다. 아직 64비트 컴퓨팅 환경으로 전환할 필 요가 없는 기업으로서는 당장32비트 환경의 경제 논리에 맞는 뛰어난 가격 대비 성 능이라는 매력이 있고, 향후64비트 환경이 필요한 시점에 자연스럽게64비트로 전 환할 수 있는 경로가 확보됨으로써, 불필요한 새로운 투자를 방지한다는 장점까지 누릴 수 있는 것이다. 이것은 급변하는 컴퓨팅 환경 속에 투자 대비 수익 전환이 점 점 민감한 과제가 되고 있는 요즘의 기업들에게 매우 중요한 요소가 아닐 수 없다. 통칭‘Long Mode’에서는 나머지 2개의 Execution Mode를 지원한다.
Compatibility Mode는 64비트 운영체제에서 기존의 32비트 애플리케이션들을 재컴파일할 필요 없이 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 개발자들이나 IT 운영 자들에게는 바로 이 점이AMD64 기술의 최대 장점이라고 할 수 있다. 성능 저하 현 상 없이 하드웨어 성능을 최대한 발휘할 수 있기 때문이다. 64비트 컴퓨팅의 이점을 어느 정도 누리면서 기존의 32비트 애플리케이션을 활용할 수 있어 기업의 투자를 보호할 수 있다. 모든 컴퓨팅 환경이 완전히 64비트로 전환되지 않은 현 시점에서 반드시 필요한 기술이 아닐 수 없다<그림 3>, <그림 4>.

<그림3> Long Mode의경우64비트 운영체제상에서32비트 및 64비트 애플리케이션을 동시에 활용할 수 있다


<그림4> 64비트운영체제에서32비트및64비트애플리케이션을동시에활용하고있다


64bit Mode는 말 그대로 64비트 운영체제에서 64비트 애플리케이션을 동작시키 는 모드이다. x86 기반의 64비트 애플리케이션들이 보다 많이 새롭게 개발되어야 하지만, 앞서 언급한 것처럼 이러한 프로그램들은 속속 등장하고 있고, 이와 같이 64비트 컴퓨팅의 장점을 최대한 이끌어낼 수 있는 노력은 앞으로도 지속될 것으로 전망된다. 32비트 컴퓨팅 환경에서 불가능했던, 또는 가능하기는 했지만 성능이 뒷 받침되지 못해 현실적으로 활용하기 힘들었던 애플리케이션들이 64비트 컴퓨팅에 서는 가능해지고, 또한 완전히 새로운 프로그램들이 개발될 것으로 기대된다. 이 모 든 것을 가능케 하는 인간의 무궁무진한 상상력과 창의력은 신기술 개발에 날개를 달아 주어, 64비트 컴퓨팅은 새로운 기술 세계를 여는 열쇠가 될 것이다.

AMD Opteron 프로세서 및 Direct Connect Architecture 소개

AMD64 기술을 적용한 최초의 프로세서는 서버 및 워크4비트 애플리케이션들을 동시에 구현할 수 있 는AMD64 기술이 채택됨으로서 호환성이 유지되고, 고성능 컴퓨팅 및 투자 보호가 가능해지며, 총소유비용(Total Cost of Ownership)을줄일수있는획기적인프로 세서이다. 옵테론 프로세서 제품군으로는3가지의 시리즈가 출시되었다<표2>. 그러면, AMD Opteron 프로세서가 출시1년만에 업계에서 높은 가치를 인정 받을 수 있었던 핵심 기술이 무엇인지 살펴보도록 하자.

<표 2> 2004년7월까지 출시된3가지의 Opteron 프로세서 시리즈와 해당 모델 제품들


<그림 5> AMD Opteron 프로세서 아키텍처


AMD Opteron 프로세서는 크게3가지의 핵심 기술을 보유하고 있다.

첫번째로는앞에서설명했던AMD64 기술로, 핵심중의핵심기술이라고할수있다. 두 번째 핵심 기술은 DDR Memory Controller를 프로세서 안에 내장시킨 기술이 다. 이제까지의 서버 아키텍처에서는 주로 FSB(Front Side Bus) 아키텍처를 많이 채택했는데, 이 아키텍처의 가장 큰 문제점으로 지적되는 것이 바로 프로세서와 칩셋 간의 심각한 병목현상이다. 이 병목현상은 모든 명령어나 데이타 통신이 바로 이 FSB를 거쳐야 하기 때문에 나타나는 문제로서, 프로세서에서 DDR 메모리에 저장 되어 있는 데이타를 불러오기 위해서는 반드시FSB를통해NorthBridge를거칠수 밖에 없는 구조상의 한계에서 비롯된다. 또한 I/O를 통해 입출력되어야 하는 데이타 도 반드시 FSB와 NorthBridge를 활용해야 한다. 여러 개의 프로세서가 있는 시스 템일 경우 프로세서 간의 통신에서도 마찬가지 문제가 발생한다. 이러한 구조에서는 FSB의 대역폭(bandwidth)이 부족해져 병목현상이 발생한다. 다시 말해서 프로세 서가 일을 처리하기 위해서 기다려야 한다는 것이다. 통신량이 증가하면 할수록 병목 현상은 심각해지고, 이는 바로 성능 저하 현상으로 이어진다. 기업의 IT 인프라에서 는 성능이 즉 비용으로 직결된다. 원하는 애플리케이션 운용 성능이 뒷받침되지 않는 다면, 기업의 경쟁력에 있어서도 분명 마이너스 요소가 될 수밖에 없다<그림 6>.

<그림 6> 기존의 Front Side Bus 구조의 서버 아키텍처


이는 멀티프로세싱에서 더욱 더 큰 문제가 되고 있고 확장성(scalability)에 있어서 치명적인 문제로 지적되고 있다. 이를 개선하기 위해 AMD는 DDR Memory Controller를 프로세서 안으로 집적시키는 새로운 구조를 채택했다. 이는 데이타 통신량을 분산시켜 주는 효과를 가져다 주었고, 프로세서가 더욱 효율적으로 일을 처리할 수 있게 되었다. DDR Memory Controller가 프로세서에 있어 DDR Memory가 바로 프로세서와 연결되어 있는 상황을 <그림 7>에서 볼 수 있다. 프 로세서에서 필요로 하는 데이타를 칩셋을 거치지 않고 바로 메모리에서 불러올 수 있기 때문에 병목현상이란 문제점이 거의 발생하지 않는다.

<그림 7> AMD Opteron 프로세서 기반의 서버 아키텍처

또한 DDR Memory Controller의 속도를 보면 프로세서에 내장되어 있기 때문에 프로세서의 클럭과 동일하게 작동한다. 즉 프로세서의 클럭이 올라가면 DDR Memory Controller의 속도도 올라간다. 이를 기존의 FSB 속도와 비교해 보면 확연한 차이를 알 수 있다. 현존하는 가장 빠른 FSB의 클럭 속도는 800MHz이지 만, 내장된 DDR Memory Controller의 클럭 속도는 프로세서의 클럭 속도와 같 고, <표2>에서 볼 수 있듯이 현재2.4GHz까지 출시되어 있다. 무려3배나 차이가 나고 있다.
AMD Opteron 프로세서의 세 번째 핵심 기술은 바로HyperTransport 기술이다. 이 기술은 AMD가 주도적으로 제안해서 개발된 업계 표준이며, 현재는 HyperTransport Technology 컨소시엄이 구성되어 약 100여 업체들이 참여해 이 기술을 발전시키고 있다. 이 기술은 Point to Point 방식의 링크를 사용하고 있 으며, 칩간의 데이터 통신을 빠르게 해준다는 장점이 있다. 기존의 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스의 속도와 비교해 무려 48배까지 빠른 속도를 보여주고 있고, 또한 소프트웨어 측면에서는 PCI와 완벽한 호환성을 갖추고 있기 때문에 개발자들도 매우 편리하게 인식하고 있다. 더 자세한 내용은 컨소시엄의 웹 사이트(www.hypertransport.org)를 참조하기 바란다.
Direct Connect Architecture는 기존의 FSB 방식의 아키텍처에서 문제가 되었 던 병목현상을 줄여주는 신개념의 컴퓨팅 아키텍처라고 할 수 있다. 즉 DDR Memory Controller를 내장한 프로세서와 메모리 간의 직접적인 연결 방식, HyperTransport 기술을 활용한 프로세서간의 연결 방식, 그리고 프로세서와 여러 I/O간의 연결 방식을 통틀어 Direct Connect Architecture라 한다. 이 아키텍처 의 최대 장점이라면 역시 병목현상을 많이 제거한 만큼 성능이 뛰어나다는 점이다. 여러 벤치마크 테스트에서도 입증되고 있지만, 대표적인 예를 소개한다. 올 3월에 Sun Microsystems사에서 실시한 벤치마크 테스트에 의하면, Sun Fire V20z 모델(AMD Opteron 200 시리즈 프로세서 기반) 서버 시스템에서 대단한 성과를 보였다는 것이다. 이 테스트는 Oracle Application Server 10g Java Edition 9.0.4를 사용하여SPECjAppServer2002의 성능을 측정하는 테스트였고, 여기서 실제 TOPS(Total Operations Per Second) 결과치는 690.13이라는 성능과 Price/TOPS는 US$101.10이라는 수치를 보여주었다. Price/TOPS, 즉 가격 대 비 성능 결과치는 다른 어느 2웨이 서버 시스템보다 무려 37% 정도의 우수성을 발 휘했다. 다시 말하면, 이제 AMD 고객은 같은 가격에 37% 정도의 뛰어난 성능을 구입할 수 있다는 것이다. 여기서 하나 더 재미있는 내용은, 이 모든 테스트가 Red Hat Linux OS 32비트 버전에서 이루어졌다는 사실이다. 그렇다면 64비트에서는 과연 얼마나 더 뛰어난 성능을 발휘한다는 것인지 예측할 수 있을 것이다. 이테스트 에 대한 자세한 정보는 http://www.spec.org/jAppServer2002/results /res2004q2/jAppServer2002-20040330-00022.html에서 찾아볼 수 있다.

오라클 애플리케이션 운용을 위한 준비된 x86 환경, AMD64기술

성능 우수성과 IT 투자 보호의 대안으로 제시된AMD64 기술은 현재 오라클의 다양 한제품에서구현할수있다. Oracle9i Database, Oracle Database 10g, Oracle E-Business Suite, Oracle Application Server, Oracle Collaboration Suite, Oracle Enterprise Manager 등 다양한 제품이 이미AMD64 기술을 지원하고 있 으며, 지속적으로 지원 범위를 확대하고 있다. 특히 대기업 중심으로 진행되던 ERP 의 중소기업 도입에 불을 붙이며‘SME(Small & Medium Enterprise)’라는 신시 장 개척에 박차를 가한 최근의 오라클의 사업 전략에 있어, 뛰어난 가격 대비 성능과 확장성, 투자 보호성을 기치로 하는 AMD64 기술 기반 제품은 최적의 파트너십을 제공할 수 있을 것으로 기대한다. 이미 HP, IBM, Sun, 유니와이드 등을 비롯한 국 내외 유수 서버 벤더들이AMD64기술이 적용된 AMD Opteron 프로세서 기반 플 랫폼을 출시, 공급하고 있어, 유저들에게 다양한 선택의 폭을 제공하고 있다.
이제 64비트 컴퓨팅은 더 이상‘그림의 떡’이 아니다. 32비트 가격대에서 64비트 컴퓨팅을 구현할 수 있는 기반을AMD64가 제시하고 있기 때문이다.