CXL(Compute Express Link)의 이해: 기술 개요, 시장 동향, 그리고 관련 기업 분석

1. CXL(Compute Express Link) 소개

기존 컴퓨팅 시스템에서는 CPU와 메모리, 가속기, I/O 장치 간의 데이터 전송을 위해 주로 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 인터페이스를 사용해 왔습니다.

그러나 PCIe는 데이터 전송 할 때 시간의 지연이 발생하고, 메모리 일관성 유지에 한계가 있어 고성능 컴퓨팅 환경에서 효율성이 떨어지는 문제가 있었습니다.

1.1. 기존 시스템의 문제점과 한계

1) 메모리 확장성의 제한 :

전통적인 컴퓨팅 아키텍처에서는 CPU에 직접 연결된 메모리(DRAM)의 용량이 제한적이어서, 대규모 데이터 처리나 고성능 컴퓨팅 작업에서 메모리 부족 현상이 발생할 수 있습니다.

이러한 제한은 시스템의 성능 저하를 초래합니다.

2) 다양한 인터페이스로 인한 복잡성 :

CPU, 메모리, 가속기(GPU, FPGA 등), 스토리지 장치 간의 연결에 서로 다른 인터페이스(예: PCIe, DDR, NVMe 등)가 사용되어, 시스템 설계와 확장에 복잡성을 더합니다.

이로 인해 데이터 전송 시 지연(latency)이 발생하고, 전체 시스템의 효율성이 저하될 수 있습니다.

3) 메모리 일관성 유지의 어려움 :

여러 컴퓨팅 장치가 각자의 메모리를 독립적으로 관리할 경우, 동일한 데이터에 대한 일관성을 유지하기 어렵습니다.

이는 데이터 불일치와 시스템 오류를 초래할 수 있습니다.

1.2. CXL의 기술적 특징과 문제 해결 방법

기존 시스템의 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 CXL(Compute Express Link)입니다.

CXL은 CPU와 가속기, 메모리, I/O 장치 간의 고속, 지연이 낮은 연결을 제공하는 인터페이스 표준으로, PCIe 5.0을 기반으로 개발되었습니다.

(1) 주요 프로토콜 구성

CXL.io : PCIe와 호환되는 I/O 프로토콜로, 장치 간의 기본적인 데이터 전송과 제어 기능을 제공합니다. 이를 통해 기존 PCIe 기반 시스템과의 호환성을 유지하면서도, 향상된 성능을 제공합니다.

CXL.cache : 가속기와 같은 장치가 CPU의 메모리에 직접 접근하여 데이터를 캐시할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 데이터 복제 없이도 장치 간의 데이터 일관성을 유지하며, 지연 시간을 최소화합니다.

CXL.mem : CPU가 장치의 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하여, 메모리 확장성을 제공합니다. 이를 통해 시스템 메모리 용량을 유연하게 확장할 수 있으며, 메모리 자원의 효율적인 활용이 가능합니다.

(2) CXL 1.1과 2.0의 차이점

메모리 풀링(Pooling) : CXL 2.0에서는 여러 메모리 자원을 풀(pool) 형태로 구성하여, 다수의 CPU가 공유할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 메모리 자원의 활용도를 극대화하고, 시스템의 확장성을 향상시킵니다.

스위칭 지원 : CXL 2.0은 스위치 장치를 통해 다수의 CXL 장치를 연결할 수 있도록 지원하여, 시스템 구성의 유연성을 제공합니다. 이를 통해 대규모 데이터센터나 고성능 컴퓨팅 환경에서의 효율적인 자원 관리를 가능하게 합니다.

보안 기능 강화 : CXL 2.0에서는 데이터 전송 시 보안 기능이 강화되어, 데이터 무결성과 기밀성을 보장합니다. 이는 민감한 데이터 처리 시 보안 위협을 감소시키는 데 기여합니다.

(3) CXL 3.1 공개

2023 년 11 월 CXL 3.1 버전이 공개되면서 새로운 패브릭 구조가 소개됨 .
CXL 3.0 이 이전 버전과 다른 멀티패스 구조를 제공했고 , 여기에 PBR(Port Based Routing) 스위치에 대한 CXL Fabric Manager API 가 공개 .
기존 HBR(Hierarchy Based Routing) 에 비해 다양한 구조를 지원
호스트 (CPU) 간 로컬 메모리를 공유하는 GIM(Global Integrated Memory) 라는 개념을 소개 .
원격의 다른 호스트나 장치들이 GIM 에 접근할 수 있게 한 구조
가상화 기반의 보안 프로토콜을 지원하고 , 메모리 확장 장치를 개선
CXL 1.1 과 2.0 이 적용된 디바이스가 이제 막 출시됨(2025년 3월)

(4)메모리 모델의 개선

CXL은 호스트 프로세서와 장치 간의 메모리 공유를 통해 시스템의 유연성과 확장성을 향상시킵니다.
이를 통해 메모리 자원의 효율적인 활용이 가능하며, 데이터 전송 지연을 최소화합니다.
또한, 메모리 일관성 유지가 용이해져, 시스템의 안정성과 성능이 향상됩니다.

이와 같은 개선을 통하여 CXL은 기존 시스템의 메모리 확장성 제한, 인터페이스 복잡성, 메모리 일관성 유지의 어려움 등 여러 문제점을 해결하기 위해 개발된 인터페이스 표준입니다.

이를 통해 CXL은 기존 시스템의 데이터 전송 지연과 메모리 일관성 문제를 해결하고, 데이터 중심의 컴퓨팅 환경에서 메모리 확장성과 대역폭 요구 사항을 충족시켜 고성능 컴퓨팅 환경에서의 효율성과 유연성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

2. CXL의 활용 분야

CXL은 고성능 컴퓨팅 환경에서 다양한 분야로 활용되고 있습니다.

아래는 각 분야에서의 CXL 활용 사례를 상세히 설명하겠습니다.

2.1. 데이터센터와 서버

데이터센터에서는 다양한 컴퓨팅 자원 간의 효율적인 통신이 필수적입니다.

CXL은 CPU와 메모리, 가속기, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 스토리지 등 다양한 자원 간의 빠르고 안정적인 통신을 지원하여 데이터센터의 성능과 자원 활용 효율성을 향상시킵니다.

2.2. AI 및 머신러닝

AI와 머신러닝 분야에서는 대규모 데이터 처리를 위한 메모리 대역폭과 용량이 중요합니다.

CXL은 메모리 확장을 지원하여 이러한 요구를 충족시키며, CPU와 가속기 간의 빠른 데이터 전송을 통해 AI 연산을 가속화합니다.

예를 들어, 삼성전자는 CXL 기반의 메모리 확장 솔루션을 개발하여 AI 및 데이터베이스 분야에서 뛰어난 성능을 제공하고 있습니다.

2.3. 고성능 컴퓨팅(HPC)

고성능 컴퓨팅 분야에서는 복잡한 계산 작업에서 메모리 병목 현상이 발생할 수 있습니다.

CXL은 메모리 풀링(memory pooling)을 통해 메모리 활용 효율을 극대화하고, 데이터 처리 속도를 높여 HPC 시스템의 효율성을 향상시킵니다.

이는 대규모 데이터 처리와 복잡한 계산 작업에서 메모리 병목 현상을 완화하는 데 기여합니다.

2.4. 데이터베이스 관리

데이터베이스 시스템은 대용량 데이터를 효율적으로 처리하기 위해 높은 메모리 용량과 빠른 데이터 접근 속도가 필요합니다.

CXL은 메모리 확장을 통해 데이터베이스의 성능을 향상시키며, CPU와 스토리지 간의 빠른 데이터 전송을 지원하여 데이터 처리 속도를 높입니다.

예를 들어, Unifabrics는 메모리 관리를 위한 스마트 노드 솔루션을 제공하여 메모리의 동적 할당과 해제를 가능하게 함으로써 메모리 활용의 효율성을 극대화하고 있습니다.

2.5. 클라우드 컴퓨팅

클라우드 서비스 제공업체는 다양한 고객의 요구를 충족시키기 위해 유연하고 확장 가능한 인프라를 필요로 합니다. CXL은 메모리와 컴퓨팅 자원의 동적 할당을 가능하게 하여 클라우드 인프라의 유연성을 향상시킵니다.

이는 서비스 제공업체가 자원을 효율적으로 관리하고, 고객의 다양한 요구에 신속하게 대응할 수 있도록 돕습니다.

예를 들어, 엔비디아와 구글은 CXL 기술을 적극 도입하여 데이터 처리의 효율성을 높이고, 장치 간의 통합성을 강화하며, 데이터센터의 요구 사항에 유연하게 대응할 수 있는 솔루션을 개발하고 있습니다.

2.6. 스토리지 시스템

CXL은 스토리지 장치와의 고속 연결을 통해 데이터 입출력(I/O) 성능을 향상시킵니다.

이는 대용량 데이터의 빠른 저장과 접근을 가능하게 하여 스토리지 시스템의 효율성을 높입니다.

또한, 스토리지와 메모리 간의 경계를 허물어 데이터 처리의 유연성을 제공합니다. ?

이처럼 CXL은 다양한 분야에서 시스템의 성능과 효율성을 향상시키는 데 기여하고 있으며, 앞으로도 그 활용 범위는 더욱 확대될 것으로 전망됩니다.

3. CXL 관련 주요 기업

3.1 국내 CXL 관련 기업

SK하이닉스

SK하이닉스는 메모리 반도체 분야의 글로벌 리더로서, CXL 기술과 직접적인 연관성을 가지고 있습니다.
CXL은 메모리와 프로세서 간의 효율적인 데이터 전송을 가능하게 하여, 메모리 반도체의 성능 향상과 활용도를 높입니다.
따라서, SK하이닉스는 CXL 기술을 활용하여 고성능 메모리 솔루션을 개발하고, 데이터센터 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 시장에서 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

국순당

국순당은 주류 제조업체로 알려져 있으나, 자회사인 지앤텍벤처투자를 통해 반도체 분야의 첨단 기술인 CXL(Compute Express Link)과 연관성을 맺고 있습니다. 지앤텍벤처투자는 국내 CXL 솔루션 업체인 파네시아에 투자하였으며, 이는 국순당이 간접적으로 CXL 기술과 연결되는 계기가 되었습니다.
파네시아는 세계 최초로 CXL 3.0 IP를 개발한 업체로, 글로벌 기업인 메타와 AMD로부터 관심을 받고 있습니다.
지앤텍벤처투자는 파네시아의 시드 투자자로 참여하였으며, 이를 통해 국순당은 간접적으로 CXL 기술과 연관성을 갖게 되었습니다.

네오셈

네오셈은 반도체 테스트 장비를 제조하는 기업으로, 메모리 반도체의 테스트 솔루션을 제공합니다.
CXL 기술의 도입으로 메모리 아키텍처가 변화함에 따라, 네오셈은 이러한 새로운 인터페이스를 지원하는 테스트 장비를 개발해야 할 필요성이 있습니다.
이는 네오셈의 제품 포트폴리오 확장과 기술 경쟁력 강화에 기여할 수 있습니다.

대교

대교는 교육 서비스 및 출판업체로 알려져 있으나, 관계사인 대교인베스트먼트를 통해 첨단 반도체 기술인 CXL(Compute Express Link) 분야와 연관성을 맺고 있습니다.
대교인베스트먼트는 국내 CXL 솔루션 업체인 파네시아에 투자하였으며, 이를 통해 대교는 간접적으로 CXL 기술과 연결되고 있습니다.

삼성전자

삼성전자는 글로벌 반도체 및 전자제품 제조사로, CXL 기술과 밀접한 연관성을 가지고 있습니다.
특히, 메모리 및 시스템 반도체 분야에서 CXL을 활용한 고성능 제품 개발에 주력하고 있습니다.
이는 데이터센터, AI, HPC 등 다양한 분야에서의 성능 향상에 기여할 수 있습니다.

엑시콘

엑시콘은 반도체 테스트 장비 제조사로, 메모리 및 시스템 반도체의 테스트 솔루션을 제공합니다.
CXL 기술의 도입으로 새로운 인터페이스를 지원하는 테스트 장비의 수요가 증가할 것으로 예상되며, 엑시콘은 이러한 시장 변화에 대응하여 제품 개발을 추진할 수 있습니다.

오킨스전자

오킨스전자는 반도체 테스트 소켓 및 인터페이스 솔루션을 제공하는 기업으로, CXL 기술과 관련된 새로운 테스트 소켓 및 인터페이스 개발이 필요할 수 있습니다.
이는 오킨스전자의 제품 라인업 확대와 시장 경쟁력 강화에 도움이 될 것입니다.

오픈엣지테크놀로지

오픈엣지테크놀로지는 AI 및 데이터센터용 반도체 IP 솔루션을 제공하는 기업으로, CXL 기술을 활용한 메모리 및 인터커넥트 솔루션 개발을 통해 고성능 반도체 설계에 기여할 수 있습니다.
이는 AI 및 데이터센터 시장에서의 경쟁력을 강화하는 데 도움이 될 것입니다.

코리아써키트

코리아써키트는 인쇄회로기판(PCB) 제조사로, CXL을 지원하는 고속 인터페이스 PCB 설계 및 제조 역량이 중요해질 수 있습니다.
이는 고속 데이터 전송을 위한 안정적인 회로 설계와 제조 기술을 확보하는 데 기여할 수 있습니다.

퀄리타스반도체

퀄리타스반도체는 메모리 솔루션 및 컨트롤러를 개발하는 기업으로, CXL 기술을 활용한 메모리 컨트롤러 개발을 통해 고성능 메모리 솔루션을 제공할 수 있습니다.
이는 데이터센터 및 HPC 시장에서의 경쟁력을 강화하는 데 도움이 될 것입니다.

큐알티

큐알티는 반도체 및 전자부품의 신뢰성 테스트 서비스를 제공하는 기업으로, CXL 기술 도입으로 인한 새로운 테스트 요구사항에 대응하는 서비스 개발이 필요할 수 있습니다.
이는 고객사에 대한 서비스 품질 향상과 시장 경쟁력 강화에 기여할 수 있습니다.

티엘비

티엘비는 반도체 패키징 및 테스트 서비스를 제공하는 기업으로, CXL 기술을 지원하는 패키징 솔루션 개발을 통해 고성능 반도체 제품의 품질과 성능을 보장할 수 있습니다.
이는 고객사의 다양한 요구사항을 충족시키는 데 도움이 될 것입니다.

파두

파두는 데이터센터용 스토리지 솔루션을 개발하는 기업으로, CXL 기술을 활용한 고속 스토리지 인터페이스 개발을 통해 데이터 처리 속도와 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
이는 데이터센터 운영 비용 절감과 성능 향상에 기여할 것입니다.

3.2 국외 CXL 관련 기업

인텔 :
- CXL 컨소시엄의 주도적인 역할을 수행하며, CXL 기술의 표준화를 이끌고 있습니다.
엔비디아:
- CXL 기술을 활용한 GPU와 메모리 간의 고속 연결을 통해 AI 및 HPC 분야에서의 성능 향상을 도모하고 있습니다.
AMD :
- CXL 지원 프로세서를 개발하여 데이터센터와 고성능 컴퓨팅 시장에서의 경쟁력을 강화하고 있습니다.

4. CXL 생태계와 컨소시엄

CXL(Compute Express Link) 컨소시엄은 CPU, 메모리, 가속기, I/O 장치 간의 고속, 저지연 연결을 위한 인터페이스 표준인 CXL의 개발과 확산을 목적으로 설립된 산업 표준화 단체입니다.

이 컨소시엄은 2019년 3월, 인텔을 중심으로 다수의 주요 IT 기업들이 참여하여 결성되었습니다.

4.1. CXL 컨소시엄의 설립과 참여 기업

초기 설립 시 참여한 주요 기업들은 다음과 같습니다:?

인텔(Intel) : CXL 기술 개발을 주도하며, 컨소시엄 설립의 핵심 역할을 수행하였습니다.

알리바바(Alibaba) : 클라우드 서비스와 데이터센터 운영 경험을 바탕으로 참여하였습니다.

시스코(Cisco) : 네트워킹 분야의 전문성을 통해 컨소시엄에 기여하였습니다.

델EMC(Dell EMC) : 서버 및 스토리지 솔루션 제공업체로서 참여하였습니다.

페이스북(Facebook) : 대규모 데이터센터 운영 경험을 바탕으로 참여하였습니다.

구글(Google) : 클라우드 컴퓨팅과 데이터센터 기술을 통해 기여하였습니다.

휴렛 팩커드 엔터프라이즈(Hewlett Packard Enterprise) : 서버 및 스토리지 솔루션 제공업체로서 참여하였습니다.

화웨이(Huawei) : 통신 장비 및 기술을 통해 컨소시엄에 기여하였습니다.

마이크로소프트(Microsoft) : 클라우드 서비스와 소프트웨어 솔루션을 통해 참여하였습니다.

삼성전자(Samsung Electronics) : 메모리 반도체 분야의 선두주자로서 컨소시엄에 참여하였습니다.

이러한 기업들의 협력을 통해 CXL 컨소시엄은 CXL 1.1(2019년 6월), 2.0(2020년 11월), 3.0(2023년 5월) 등 지속적으로 표준을 제정하며 기술 발전을 이끌어오고 있습니다.

4.2. CXL 생태계의 발전과 역할

CXL 컨소시엄은 현재 240개 이상의 회원사로 구성되어 있으며, 이는 다양한 산업 분야의 기업들이 CXL 기술의 발전과 표준화에 기여하고 있음을 나타냅니다.

컨소시엄은 CXL 사양의 개발과 확산을 통해 데이터센터와 고성능 컴퓨팅 환경에서의 효율성과 성능 향상을 도모하고 있습니다.

CXL 기술은 CPU와 가속기, 메모리 간의 메모리 일관성을 유지하면서 고속 데이터 전송을 가능하게 하여, 인공지능(AI), 머신러닝, 클라우드 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

이를 통해 시스템의 성능 향상과 자원 효율성을 극대화하는 데 기여하고 있습니다.

또한, 컨소시엄은 CXL 기술의 발전과 표준화를 위해 지속적으로 노력하며, 새로운 버전의 사양을 개발하고 있습니다. 이를 통해 CXL 생태계의 확장과 기술 발전을 촉진하고 있습니다. ?

이처럼 CXL 컨소시엄은 다양한 기업들의 협력을 통해 CXL 기술의 발전과 확산을 주도하며, 데이터센터와 고성능 컴퓨팅 환경의 혁신을 이끌고 있습니다.

A1. 사용된 용어 및 설명

용 어	정 의
CXL	컴퓨팅인터페이스의한종류로, CPU, GPU,메모리등의연결을보다효율적으로활용할수있게구성한표준 인터페이스
인터페이스	서로다른두개의시스템이나장치사이에서정보나신호를주고받는경우의접점이나경계면. 사용자가기기를쉽게동작시키는데에도움을주는시스템
PCIe	컴퓨터내부부품들을연결하는인터페이스의표준. GPU, SSD, 이더넷카드, RAID 카드등고속부품에주로사용. 기존PCI 버스규격에서발전한형태로, 데이터전송속도가2배이상. 인텔주도하에PCI-SIG에서결정한표준
통신규약	컴퓨터상호간에접속되어오류를최소화함으로써정보를원활히교류할수있게하기위해필요한규칙의집합 (프로토콜이랑같은뜻)
Warm Data	Hot data와cold data에속하지않는데이터종류로, 일정기간동안에만자주액세스되는데이터
패브릭	네트워크디바이스가상호연결된구조로, 데이터센터네트워크아키텍처에서주로사용
PHY	컴퓨터네트워크에서물리계층이란뜻으로, 네트워크의기본하드웨어전송기술을구현하는계층(layer)
ACF	Accelerated Compute Fabric. 디바이스내여러네트워크계층을축소하여성능향상을목표로하는구조
폰노이만구조	가장보편적으로사용되고있는컴퓨터구조로CPU, 메모리, 프로그램으로구성
자료: 유진투자증권