인공지능의 급속한 발전에 따라 AI 서버와 GPU 클러스터는 데이터 센터의 핵심 컴퓨팅 인프라로 자리 잡았습니다. 대규모 언어 모델 훈련부터 실시간 추론 서비스에 이르기까지, 이러한 애플리케이션들은 컴퓨팅 성능과 데이터 처리량에 전례 없는 요구 사항을 제기하고 있습니다. 이러한 고성능 시스템을 뒷받침하는 기반 아키텍처에서, 고속 신호 전송 기술은 심각한 과제에 직면해 있습니다.
업계 연구 기관들에 따르면, 전 세계 GPU 시장은 400억 달러 2024년에는 연평균 성장률이 30%를 넘어설 것으로 전망됩니다. 단일 AI 훈련 서버는 8개 이상의 고성능 GPU를 통합하여 고속 상호 연결을 통해 통합 컴퓨팅 풀을 형성할 수 있습니다. 이러한 고밀도 컴퓨팅 아키텍처는 서버 내부의 데이터 전송 대역폭과 신호 품질에 대해 매우 높은 요구 사항을 부과합니다.
한편, 스토리지 시스템 역시 변화의 물결을 타고 있습니다. 기존의 SATA 및 SAS 스토리지는 더 이상 AI 워크로드의 요구 사항을 충족시키지 못하며, NVMe 프로토콜을 기반으로 한 고속 SSD가 주류로 자리 잡고 있습니다. 차세대 CXL (컴퓨트 익스프레스 링크) 이 기술은 메모리 확장성과 스토리지 통합을 한층 더 발전시켜, GPU와 CPU가 캐시 일관성을 유지하며 원격 메모리 및 스토리지 리소스에 접근할 수 있게 합니다.
서버 내 장치 간 연결을 위한 주류 표준인 PCI Express(PCIe)는 5세대로 진화하며 성숙기에 접어들었습니다. PCIe 5.0은 레인당 전송 속도를 16GT/s(PCIe 4.0)에서 32GT/s, 레인당 대역폭이 두 배로 늘어납니다. x16 구성의 그래픽 카드나 네트워크 어댑터의 경우, 이론상 양방향 대역폭은 128GB/s.
그러나 전파율이 높아지면 새로운 기술적 과제도 대두됩니다:
· 신호 감쇠: 고속 신호는 PCB 트레이스와 커넥터를 통해 전송될 때 손실이 발생하며, 주파수가 높아질수록 감쇠 현상이 심해집니다. PCIe 5.0 신호는 PCIe 4.0보다 유효 전송 거리가 짧아, 더욱 엄격한 배선 설계가 필요합니다.
· 신호 무결성: 고속 신호는 크로스톡, 반사 및 노이즈의 영향을 더 쉽게 받으며, 이로 인해 데이터 전송 오류가 발생하거나 시스템 안정성이 저하될 수 있습니다.
· 시간 여유: 데이터 전송 속도가 높아질수록 타이밍 여유가 줄어들기 때문에, 클럭 동기화와 신호 에지 정확도에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해집니다.
고속 신호 전송의 과제를 해결하기 위해, 리타이머 새로운 기술이 등장했습니다. 리타이머(Retimer)는 고속 신호 경로에 배치되는 신호 재생 장치로, 감쇠된 신호를 감지하고 복원하며 타이밍을 재조정하여 유효 전송 거리를 연장하고 신호 무결성을 향상시킵니다.
단순한 신호 증폭기(리드라이버)와 달리, 리타이머는 다음과 같은 메커니즘을 통해 신호 재생 기능을 수행합니다:
· 신호 보정: 고주파 감쇠를 보정하고 신호 진폭을 복원합니다.
· 클럭 및 데이터 복구(CDR): 입력 신호에서 클럭을 추출하여 지터를 제거합니다.
· 신호 리타이밍: 복구된 클럭을 사용하여 깨끗한 데이터 신호를 재생합니다.
· 프로토콜 투명성: 데이터 내용을 분석하지 않으며 상위 계층 프로토콜에 대해 완전히 투명합니다.
AI 서버와 고성능 스토리지 시스템에서 리타이머 칩은 안정적인 고속 신호 전송을 보장하는 핵심 부품으로 자리 잡았습니다. 이 칩들은 GPU와 CPU 간의 상호 연결은 물론, NVMe SSD의 확장 연결에서도 없어서는 안 될 역할을 수행합니다.
CXL(Compute Express Link)은 PCIe 5.0 물리 계층을 기반으로 하되 더 풍부한 기능을 갖춘 새로운 고속 상호 연결 프로토콜입니다. CXL 2.0 표준은 다음 세 가지 프로토콜을 지원합니다:
· CXL.io: 장치 검색 및 구성을 위한 PCIe 프로토콜과 호환됩니다.
· CXL.캐시: 장치 캐시 일관성을 지원하여, 장치가 CPU 캐시를 공유할 수 있도록 합니다.
· CXL 메모리: 메모리 세미틱 액세스를 지원하여, 장치가 시스템 메모리에 직접 액세스할 수 있도록 합니다.
CXL 기술의 핵심 가치는 기존 아키텍처에서 CPU 메모리가 야기하는 병목 현상을 해소하여, GPU나 FPGA와 같은 가속기가 캐시 일관성을 유지하며 대용량 메모리 풀에 접근할 수 있도록 한다는 점에 있습니다. 이는 방대한 메모리를 필요로 하는 AI 훈련 및 빅데이터 애플리케이션에 있어 매우 중요합니다.
MCIO (미니 쿨 엣지 IO) 차세대 PCIe 및 CXL 애플리케이션을 위해 설계된 소형 고속 커넥터 표준입니다. MCIO는 다음과 같은 장점을 제공합니다:
· 더 높은 밀도: 더 작은 공간에서 더 많은 신호 채널을 지원합니다.
· 향상된 신호 무결성: 최적화된 핀 배열과 차폐 설계로 크로스톡을 줄였습니다.
· 케이블 연결: 케이블을 통해 외부 장치를 연결할 수 있어 섀시의 공간 제약을 해소합니다.
대규모 AI 모델을 훈련하려면 수백 개, 심지어 수천 개의 GPU가 협력해야 합니다. 고속 상호 연결을 통해 GPU 간에 기울기 데이터와 모델 파라미터를 저지연, 고대역폭으로 교환할 수 있습니다. 리타이머 기술은 복잡한 백플레인과 장거리 케이블을 통과하는 신호의 무결성을 보장합니다.
과학 계산, 시뮬레이션, 유전자 염기서열 분석과 같은 HPC 애플리케이션은 메모리 대역폭과 용량에 대한 요구 사항이 매우 높습니다. CXL 메모리 확장과 리타이머(Retimer) 신호 강화 기술을 결합하면 대용량, 고대역폭 메모리 풀을 구축하여 컴퓨팅 작업의 속도를 높일 수 있습니다.
클라우드 게임 서버는 단일 물리적 서버에서 여러 GPU 인스턴스를 가상화하여 다양한 사용자에게 실시간 렌더링 서비스를 제공합니다. 저지연 게임 환경을 보장하기 위해서는 고속 스토리지 및 메모리 액세스가 필수적입니다.
표준 서버를 기반으로 하는 소프트웨어 정의 스토리지(SDS) 솔루션은 대량의 NVMe SSD를 연결해야 합니다. PCIe 5.0 리타이머 확장 카드를 사용하면 고밀도 SSD 확장이 가능해져 고성능 스토리지 풀을 구축할 수 있습니다.
점점 더 복잡해지는 고속 상호 연결 요구 사항에 직면하여, 시스템 설계자는 다음 요소를 고려해야 합니다:
· 전송 거리: 신호가 이동해야 하는 물리적 거리를 평가하여 리타이머(Retimer) 기능이 필요한지 판단하십시오.
· 차로 구성: 장치 요구 사항에 따라 적절한 PCIe 분기 모드(x16/x8/x4)를 선택하십시오.
· 프로토콜 지원: CXL 프로토콜 지원이 필요한지 여부와 CXL의 구체적인 기능적 요구 사항을 확인하십시오.
· 열 설계: 고속 리타이머 칩은 전력 소모가 비교적 많으므로 적절한 방열 솔루션이 필요합니다.
· 호환성 확인: 확장 카드가 마더보드, 운영 체제 및 대상 장치와 호환되는지 확인하십시오.
AI 시대의 도래는 데이터 센터 아키텍처 설계를 재편하고 있습니다. PCIe 5.0의 고속 전송, 리타이머(Retimer) 기술의 신호 재생성, CXL 프로토콜을 통한 메모리 확장에 이르기까지, 각 기술은 AI 컴퓨팅의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 뒷받침합니다.
AI 인프라를 구축하려는 기업들은 이러한 기반 기술의 원리와 적용 사례를 이해함으로써 보다 합리적인 기술 선택을 하고, 고성능·고신뢰성 컴퓨팅 플랫폼을 구축할 수 있습니다.
Linkreal(LR-LINK)은 서버 및 데이터 센터 연결 솔루션을 전문으로 하는 국가급 첨단 기술 기업입니다. 이 회사의 제품 포트폴리오에는 이더넷 네트워크 어댑터, 스토리지 확장 카드, GPU 확장 솔루션 등이 포함됩니다. PCIe 5.0 및 CXL 기술의 발전 추세를 따라가며, 이 회사는 AI 서버, 고성능 컴퓨팅, 소프트웨어 정의 스토리지 및 기타 적용 시나리오를 위한 고속 신호 확장 솔루션을 제공합니다.
2026-04-23