DGIST, 데이터 센터 에너지 소모량 낮추는 ‘고효율 프로세서’ 기술 개발

[이뉴스투데이 전한울 기자] DGIST는 김대훈 정보통신융합전공 교수팀이 지연시간이 중요한 서비스의 성능을 보장하면서 에너지 소모량을 줄일 수 있는 고효율의 프로세서 전력 관리 기법을 개발했다고 19일 밝혔다. 한 해 수십조원 규모의 에너지 소모에 따른 데이터센터 유지비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

데이터센터는 컴퓨터 시스템, 통신장비, 저장장치 등이 설치돼 있으며 빅데이터를 저장하고 유통시키는 핵심 시설이다. 오늘날 기술의 발전으로 컴퓨팅 요구사항이 증가함에 따라 데이터센터의 수는 빠르게 증가하고 있으며 이와 관련한 연구도 활발히 진행되고 있다. 

데이터센터는 지연시간에 민감한 서비스들을 구동하기 때문에 서비스의 성능을 저하시키지 않으면서 에너지 소모량을 줄이는 것이 중요하다. 특히 프로세서는 데이터센터 서버에서 높은 에너지 소모량을 가진 하드웨어이기 때문에 프로세서의 전력 관리 기법은 에너지 소모량 절감에 핵심적인 역할을 한다.

‘DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)’는 대표적인 프로세서의 전력 관리 기법으로, 프로세서에 공급되는 전압과 주파수를 동적으로 변경해 성능과 전력 소모를 함께 조절하는 기술이다. 

데이터센터에서 일반적으로 사용하는 리눅스 운영체제는 프로세서의 DVFS 기술을 활용하기 위한 정책을 제공하고 있지만, 지연시간에 민감한 서비스의 성능을 보장하기는 어렵다. 

이를 해결하기 위해 많은 기존 연구들이 지연시간에 민감한 서비스를 위한 DVFS 기법을 제안했지만, 이들은 단시간에 너무 많은 전압과 주파수 변경을 시도하기 때문에 실제 데이터센터 서버들에 적용하기는 어렵다는 한계가 있다.

이에 김대훈 교수팀은 현재 데이터센터 서버용 프로세서에 적용 가능한 전력 관리 기법을 개발하기 위해 리눅스의 네트워크 패킷 처리 인터페이스인 NAPI(New API)를 활용했다. 

NAPI는 패킷 처리를 관찰하면서 네트워크 부하를 빠르게 예측할 수 있는 인터페이스다. 김 교수팀은 NAPI 내부의 폴링, 인터럽트 모드에서 처리된 패킷의 비율을 활용해 전압, 주파수를 조절하도록 ‘NMAP’이라는 소프트웨어 기술을 새로 설계했다.

‘NMAP’는 하드웨어 또는 응용 프로그램의 수정, 추가가 필요 없으며 현재 서버 환경에 바로 적용 가능한 소프트웨어 기술이다. 

또한 폴링 모드에서 처리된 패킷의 비율이 증가하면 전압과 주파수를 빠르게 증가시키고, 인터럽트 모드에서 처리된 패킷의 비율이 증가하면 프로세서 사용률에 기반한 전압과 주파수 상태를 반영함으로써 지연시간이 중요한 서비스의 성능을 보장하면서 과도한 전압과 주파수 변경을 피했다. 

더불어 김 교수팀은 다양한 프로세서 환경에서 전압, 주파수 변경에 필요한 실질적인 시간을 측정, 비교함으로써 상용 프로세서 환경에서 기존 프로세서 전력 관리 연구들이 동작하기 어렵다는 것을 실험적으로 증명해냈다.

한편 이번 연구는 김대훈 DGIST 정보통신융합전공 교수가 교신 저자, 강기동 박사과정생이 제 1저자, 박경서, 김효상 박사과정생이 공동 저자로 참여했다.

모하메드 알리안 캔자스대학 교수, 김남승 일리노이대학 교수와의 공동연구로 수행됐다. 

연구결과는 컴퓨터 아키텍처 분야의 최우수 국제 학술 대회인 ‘IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture(MICRO)’에 지난 2021년 10월 17일 온라인 게재됐다.