클라우드 기반 스트리밍 서비스는 날로 늘어나는 빠른 데이터 전송 속도에 대한 수요를 주도하고 있다. 이러한 수요에 대처하려면 고속 네트워킹 및 데이터 센터 장비에 더 빠른 데이터 전송 속도를 지원하기 위한 주파수 가변 클럭 생성기 IC 솔루션이 필요하다.
글/Phil Callahan, 타이밍 제품 부문 수석 마케팅 관리자
실리콘랩스
Netflix,Hulu, YouTube, Spotify,Pandora 같은 클라우드 기반 스트리밍 서비스와 소비자용 모바일 디바이스, 그리고 온라인 게임 등으로 인해 네트워크 대역폭에 대한 수요가 급증하고 있다. 이에 따라 인터넷 인프라 공급업체들은 10G, 40G, 100Gbps 같은 훨씬 높은 데이터 속도를 지원하는 데이터 센터 시스템을 개발해야 하는 압박에 시달리고 있다. 또한 네트워크 기반 컴퓨팅과 스토리지를 서비스 형태로 제공하는 상용 클라우드 컴퓨팅의 인기가 날로 더해감에 따라 오늘날의 데이터 센터에서는 특정 애플리케이션에 구애받지 않는 고대역 네트워크에 대한 수요가 더욱 탄력을 받는 상황이다.
그림 1에서는 이처럼 인기 있는 클라우드 기반 스트리밍 서비스가 인터넷 트래픽 대역폭의 증가에 미치는 영향을 보여 준다. Cisco의 비주얼 네트워킹 지수(VNI:Visual Networking Index) 전망(2014년 6월 기준)에서는 다음과 같은 시장 추세를 예상하고 있다.
● 2018년이면 Netflix, YouTube, Pandora, Spotify같은 클라우드 애플리케이션 및 서비스가 전체 모바일 데이터 트래픽의 90%를 차지하게 될 것이다.
● 2018년에는 2013년에 비해 전 세계 네트워크 트래픽 규모가 세 배로 늘어나 매월 330억 편의 DVD, 시간당으로는 4,600만 편의 DVD를 스트리밍하게 될 것이다.
● 2018년이면 온라인 게임 트래픽 소비자가 2013년에 비해 네 배 규모로 증가하게 될 것이다.
데이터 센터의 네트워크 융합 주도하는 클라우드 기반 앱
Netflix 비디오 또는 Spotify 고화질 오디오 시스템을 안정적으로 제공하려는 서비스 공급업체는 그림 2에서 처럼 세 가지 기본 네트워크를 지원하는 데이터 센터 하드웨어를 갖춰야 한다.
● LAN/WAN 네트워크는 대개 데이터 센터 LAN용 메시 스위치 패브릭으로 연결된 1Gb, 10Gb 및 또는 100Gb 이더넷 스위치와 WAN에 대한 OTN(Optical Transport Networking) 인터커넥트로 구성되어 있다. 이러한 네트워크에서는 콘텐츠가 데이터 센터에서 클라우드로, 그리고 궁극적으로는 사용자에게 전달된다.
● 컴퓨팅 네트워크는 동 케이블, PCB 백플레인 또는 광 링크를 사용하여 서로 연결되는 많은 서버 및 스위치‘블레이드’로 구성되어 있다. 이러한 인터커넥트는 1Gb/10Gb 이더넷, PCIe, 그리고 경우에 따라 InfiniBand를 조합해서 사용한다. 컴퓨팅 네트워크의 네트워크 인터페이스는 높은 데이터 전송 속도와 매우 낮은 대기 시간을 모두 지원해야 하는데, 이는 스트리밍 비디오 및 오디오 서비스 품질에 핵심적인 역할을 한다.
● 스토리지 네트워크는 주로 파이버 채널, Gb 또는 10Gb 이더넷 스위치, PCIe를 통한 스토리지 서브시스템으로의 직접 연결을 기반으로 한다. 이러한 네트워크에서는 상당량의 콘텐츠가 저장되므로 다중 기가비트를 지원하는 프로토콜이 필요하다.
콘텐츠 공급업체의 급증하는 인터넷 대역폭 수요에 대처하기 위해서는, 데이터 센터를 위한 컴퓨팅 및 스토리지 네트워크가 보다 평평해지면서 서로 연결된 구조가 좀 더 수평을 이루어야 한다. 데이터 센터 내의 서버 간 통신과 서버-스토리지 간 통신을 개선하려면‘융합형 데이터 센터’라고 하는 이러한 보다 평평한 아키텍처가 필요한데, 이는 스트리밍 서비스의 품질과 대기 시간에 직접적인 영향을 준다. 융합형 데이터 센터 아키텍처는 대기 시간 성능상의 이점을 실현하는 것 외에도 확장성이 뛰어날 뿐 아니라 컴퓨팅 서버 및 스토리지 하드웨어 리소스의 소프트웨어를 통한 가상화에 도움이 되어 서비스 대역폭 수요의 급격한 변화를 지원할 수 있다. 일부 벤더에서는 이러한 아키텍처를 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN: Software Defined Networking)이라고 한다.
융합형 데이터 센터를 위한 기존 클럭 트리 디자인의 과도한 복잡성 문제
데이터 센터의 컴퓨팅 네트워크와 스토리지 네트워크가 플러그 연결이 가능한 고집적 블레이드에 내장된 다중 기가비트 이더넷, 파이버 채널 및 PCIe 링크와 수평적으로 상호 연결됨에 따라 클럭 트리 디자이너 같은 시스템 엔지니어들은 새로운 요구에 직면하게 된다. 즉, 디자이너들은 PCB 풋프린트, 전력 및 비용을 줄이면서 늘어나는 기능 집적도와 다양한 고대역 네트워크 프로토콜을 모두 지원하는 클럭 트리 솔루션을 확보해야 하는 것이다.
그림 3에 나와 있는 데이터 센터 스위치 블레이드에 대한 기존 클럭 트리 디자인 접근 방식을 살펴보기로 하자. 이 블레이드가 여러 개의 IC를 사용하여 PCB에 구현되어 있든, 아니면 주로 단일 시스템 온 칩(SoC: System-ona-Chip) 솔루션을 기반으로 하든 관계없이 컴퓨팅 스위치 블레이드의 일차적인 기능은 LAN, 컴퓨팅 서버 블레이드, 스토리지 디바이스 간에 낮은 대기 시간의 고대역 동시 통신을 지원하는 것이다. 데이터 센터 스위치 블레이드는 다중 기가비트 LAN 및 다중 프로토콜 스토리지 트래픽을 확장성이 뛰어난 네트워크에 통합할 수 있도록 한다. 하지만 데이터 센터 스위치 블레이드를 지원하는데 사용되는 기존 클럭 트리는 클럭 트리 컴포넌트가 8개가 필요할 정도로 복잡하다(그림 3참조).
● 클럭 오실레이터(XO) 3개
● 버퍼 IC 3개
● 클럭 생성기 IC 2개
다중 레인 세르데스 및 PHY 레퍼런스 클럭
클럭 트리가 복잡한 주된 이유는 고속 통신 링크가 근본적으로 각각의 네트워크 인터페이스 유형으로 다중 레인 다중 기가비트의 세르데스(SerDes: Serializer/Deserializer)디바이스와 물리층 디바이스(PHY)에 의존하기 때문이다. 세르데스 칩과 PHY는 데이터 센터 스위치 블레이드의 핵심 구성 요소이다. 네트워크 유형(LAN/WAN, 컴퓨팅, 스토리지), 프로토콜(GbE, 10GbE, 파이버 채널, PCIe), 전송 미디어(파이버 옵틱 케이블 연결, 동 케이블 또는 PCB 백플레인)에 따라 다르지만 각각의 다중 기가비트 세르데스 또는 PHY 디바이스는 저지터 레퍼런스 클럭이 필요하며 많은 디바이스가 서로 다른 주파수에서 작동한다. 프로토콜 및 물리적 미디어 표준의 차이로 인해 이러한 레퍼런스 클럭은 정수와 관련되어 있는 경우가 거의 없다.
예를 들어 161.1328125MHz 클럭은 156.25MHz 클럭과 분수 관계(66/64)를 이룬다. 이러한 분수 관계로 인해 저지터 세르데스 클럭의 동시 생성이 훨씬 까다로워지게 되며, 그에 따라 분수 분할기를 사용해야 한다. 기존 클럭 생성기에 사용되는 분수 분할기는 정수 전용 PLL 클럭 생성기에 사용되는 정수 분할기보다 훨씬 큰 지터를 생성하기 때문에 디자이너는 고유한 주파수를 생성할 때마다 보다 값비싼 전용 XO를 사용할 수밖에 없다.
CPU, 메모리 및 시스템 클럭
일부 IC(예: 세르데스 및 PHY 클럭)의 지터 요구 사항은 매우 엄격할 수도 있지만 그 밖의 스위치 블레이드 기능은 요구 사항이 덜 엄격하다(100MHz PCIe, 가변(75~150MHz) CPU, 166.66MHz DDR-333 메모리 클럭). 하지만 기존 솔루션은 유연성과 통합 수준이 제한적이기 때문에 클럭 트리 디자이너는 클럭 트리를 완성하기 위해 여러 개의 클럭 생성기와 크리스털 오실레이터(XO) 및 버퍼를 사용할 수밖에 없는 상황이다. 따라서 데이터센터 스위치 블레이드의 높아진 네트워크 포트 집적도 및 대역폭에 대한 수요 증가에 대처하려는 클럭 트리 디자이너에게는 다음과 같은 클럭 생성기가 필요하다.
● 다중 저위상 지터 세르데스 및 PHY 레퍼런스 클럭: 주요 네트워킹(1/10/100G 이더넷), 스토리지(파이버 채널, PCIe), 컴퓨팅(PCIe, Infiniband) 표준에 따라 요구되는 엄격한 지터 성능 사양과 완벽하게 호환된다. 일반적으로 지터 사양은 약 1ps RMS부터 300fs RMS 미만(12k~20MHz)까지이다.
● 주파수 유연성: 엄격한 네트워크, 컴퓨팅/스토리지, 클럭 지터 사양을 준수하면서 광범위한 정수 및 분수관련 클럭 주파수를 동시에 생성할 수 있게 해준다. 다른 출력에 영향을 주지 않으면서 작동 중에 주파수를 변경하는 기능도 매우 유용하다. 예를 들어 이 기능을 활용하면 속도 등급 지정 CPU가 서로 다른 제품 비용 및 시장 요구 사항을 충족할 수 있다.
● 업계 최고 수준의 통합: PCB 면적, 비용, 컴포넌트가 대폭 줄어들고 시스템 포트 집적도와 비트당 비용이 극대화된다.
융합형 데이터 센터용 클럭 트리 디자인을 위한새로운 접근 방식
기존 클럭 생성기와 대조적으로, 실리콘랩스의 Si5341/40 클럭 제품군 같은 차세대 클러킹 솔루션은 분수 및 정수 주파수 합성의 유연한 특성과 보다 높은 통합 수준을 활용한다. 이 아키텍처 접근 방식에서는 지터 성능에 영향을 주지 않으면서 모든 이산 타이밍 기능을 단일 IC에 통합하는 효율적이면서 경제적인 단일 칩 솔루션을 제시한다. 실리콘랩스에서 독자적으로 개발한 MultiSynth분수 분할기 기술은 Si5341 클럭이 임의의 출력에서 평균지터를 150fs 미만으로 유지하면서 최대 800MHz의 정수 또는 분수 주파수를 동시에 생성할 수 있도록 하는 데 핵심적인 역할을 한다.
그림 4에서처럼 Si5341 클럭은 단일 저전력 VCO를 사용하여 5개의 독립형 MultiSynth 분수 분할기를 구동하는데, 이들 분할기는 비봉쇄 교차점 스위치를 통해 10개의 클럭 출력 어레이에 연결되어 있다. 이 아키텍처의 첫 번째 스테이지에서는 MultiSynth 고속 분수 분주형(Fractional-N) 분할기가 가장 가까운 두 정수 분할기 값 사이를 긴밀하게 전환하며 0ppm의 주파수 합성 오류로 정확한 출력 클럭 주파수를 생성한다. 이 과정에서 발생하는 위상 오류를 없애기 위해 MultiSynth에서는 분수 분주형 분할기를 통해 생성되는 클럭과 원하는 출력 클럭 간의 상대 위상 차이를 계산하고 이상적인 클럭 파형과 일치하도록 위상을 동적으로 조정한다. 이 새로운 접근 방식을 활용하면 0ppm의 오류를 유지하면서 1kHz~800MHz 범위에서 임의의 클럭 주파수를 생성할 수 있다. 그 결과로, 정수 모드에서는 100fs 이상(12kHz~20MHz), 그리고 합성 모드에서는 150fs 미만의 RMS 위상지터 성능을 실현하여 분수 및 정수 관련 클럭을 모두 동시에 생성할 수 있게 된다.
데이터 센터 스위치 블레이드의 클럭 트리디자인을 혁신하는 주파수 유연성
주파수 가변 초저지터 10출력 Si5341 클럭생성기를 사용하는 개발자는 데이터 센터 스위치 블레이드의 클럭 트리를 8개의 이산 컴포넌트에서 단 하나의 고성능 클럭으로 줄일 수 있다(그림 5참조).
요약
클라우드 기반 스트리밍 서비스는 날로 늘어나는 빠른 데이터 전송 속도에 대한 수요를 주도하고 있다. 이러한 수요에 대처하려면 고속 네트워킹 및 데이터 센터 장비에 더 빠른 데이터 전송 속도를 지원하기 위한 주파수 가변 클럭 생성기 IC 솔루션이 필요하다. 고성능 주파수 가변 Si5341/40 클럭 생성기는 동급 최상의 지터성능(정수 모드: 100fs RMS 미만, 분수 모드: 150fs RMS 미만)으로 임의의 출력에서 어떤 주파수든 생성할 수 있다.
데이터 센터 클럭 트리 디자이너는 이러한 새로운 클럭 제품과 실리콘랩스의 ClockBuilder Pro 소프트웨어를 활용하여 융합형 데이터 센터를 위한 유연성이 뛰어난 고대역 인터넷 인프라 장비를 구축하는 데 필요한 타이밍 컴포넌트 BOM 수와 복잡성을 최소화할 수 있다.
<반도체네트워크>