AI 시대를 이끌 CXL이란 무엇일까?

CXL(Compute Express Link)은 고성능 컴퓨팅 환경에서 CPU, GPU, 메모리, 저장장치 등을 효율적으로 연결하기 위한 차세대 인터커넥트 기술입니다. 2019년 인텔 주도로 시작된 CXL 컨소시엄에서 개발되었으며, 삼성전자, SK하이닉스, AMD, 구글 등 150여 개 기업이 참여하고 있습니다. PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)를 기반으로 하며, 높은 대역폭과 낮은 지연 시간을 제공하여 데이터 집약적 워크로드(예: AI, 빅데이터, 머신러닝)를 처리하는 데 최적화되어 있습니다.

 

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2025.04.24 - [주식투자/테마분석] - CXL 대장주와 관련주

CXL 대장주와 관련주

 

주요 특징

1. 세 가지 프로토콜:
   • CXL.io: 장치 초기화, 검색, 관리 등에 사용되며, PCIe 5.0과 유사한 입출력 프로토콜입니다.
   • CXL.cache: 가속기가 호스트 메모리에 접근하여 캐시 일관성을 유지합니다.
   • CXL.mem: 호스트가 가속기나 메모리 장치의 메모리에 접근하며, 휘발성/비휘발성 메모리를 모두 지원합니다.
2. 메모리 확장성:
   • CXL은 메모리 풀링(Memory Pooling)을 통해 수십 테라바이트(TB)급 메모리 용량을 제공합니다. 예를 들어, 삼성전자의 CXL 메모리 익스팬더는 SSD 슬롯에 장착해 D램 용량을 TB급으로 확장할 수 있습니다.
   • 기존 DDR 인터페이스의 용량 한계를 극복하며, 서버 구조 변경 없이 메모리 확장이 가능합니다.
3. 높은 대역폭과 낮은 지연 시간:
   • CXL 3.0은 PCIe 6.0을 지원하며, 최대 256GB/s 대역폭을 제공합니다(PCIe x16 기준). 이는 AI 모델 학습과 같은 고대역폭 작업에 적합합니다.
   • 데이터 이동 및 복사 없이 메모리 공유가 가능해 지연 시간을 줄이고 효율성을 높입니다.
4. 캐시 일관성:
   • CPU와 가속기 간 메모리 일관성을 유지하여 성능 저하를 최소화합니다. CXL 3.0부터는 다중 호스트 환경에서 캐시 일관성이 강화되었습니다.
5. 하위 호환성:
   • PCIe 5.0/6.0과 호환되며, 기존 PCIe 기반 시스템에서도 CXL 디바이스를 사용할 수 있습니다.

장점

• 확장성: 메모리 용량을 유연하게 확장 가능하며, 데이터센터에서 서버 증설 없이 용량을 늘릴 수 있습니다.
• 효율성: 메모리 풀링으로 유휴 메모리를 줄이고, 총 소유 비용(TCO)을 절감합니다.
• 다양한 응용: AI, 머신러닝, 인메모리 데이터베이스, 클라우드 컴퓨팅 등에 적합합니다.
• 산업 표준: 인텔, 삼성, SK하이닉스 등 주요 기업의 참여로 생태계가 확장되고 있습니다.

단점

• 대역폭 한계: GPU 중심의 고대역폭 작업(예: HBM 메모리의 1TB/s 이상)에서는 NVLink 같은 경쟁 기술에 비해 성능이 부족할 수 있습니다.
• 비용: 메모리 확장을 위한 방열 솔루션이나 전원 공급 장치가 추가로 필요할 수 있습니다.
• AI 시대의 한계 논란: 일부 전문가는 AI 워크로드에서 NVLink나 Infiniband가 CXL보다 적합하다고 주장하며, CXL의 시장 전망에 회의적인 시각을 보입니다.

활용 사례

• 삼성전자: 2021년 CXL 기반 D램(CMM-D)을 업계 최초로 개발했으며, 2023년 512GB CXL D램과 메모리 풀링 기술을 선보였습니다.
• SK하이닉스: DDR5 기반 96GB CXL 메모리 샘플을 개발하고, SOM(Selector-Only Memory)을 CXL 메모리 솔루션으로 연구 중입니다.
• 데이터센터: 메모리 공유를 통해 서버 효율성을 높이고, AI 학습/추론 성능을 개선합니다.
• CXL-GPU: KAIST 연구진은 CXL을 활용한 고용량 GPU 메모리 기술을 개발해 비용 효율적인 AI 가속기를 제안했습니다.

미래 전망

CXL은 CXL 3.1까지 발전하며 대역폭, 캐시 일관성, 보안 기능을 강화했습니다. 시장조사업체 욜인텔리전스는 CXL 시장이 2028년까지 125억 달러(약 15.5조 원) 규모로 성장할 것으로 전망합니다. 그러나 AI 중심 워크로드에서 엔비디아의 NVLink와의 경쟁이 치열하며, 메모리 업계의 소극적 대응과 대역폭 한계가 해결 과제로 남아 있습니다. 삼성과 SK하이닉스는 CXL D램 상용화를 적극 추진하며, 2025년 상반기부터 본격적인 시장 확대가 예상됩니다.

결론

CXL은 메모리 용량과 대역폭 문제를 해결하며, 데이터센터와 AI 컴퓨팅에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 하지만 GPU 중심의 초고대역폭 워크로드에서는 한계가 있으며, NVLink와의 경쟁에서 차별화가 필요합니다. 삼성전자와 SK하이닉스의 기술 개발과 CXL 컨소시엄의 표준화 노력으로, CXL은 차세대 메모리 솔루션으로 자리 잡을 가능성이 높습니다.