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1 홍성철 신동군 이논문은 년도정부 교육과학기술부 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 이논문은제 회추계학술발표회에서 혼합플래시메모리를 이용한하이브리드하드디스크설계 의제목으로발표된논문을확장한것임 학생회원 논문접수 성균관대학교정보통신공학부 정회원 성균관대학교정보통신공학부교수 년 월 일 심사완료 년 월 일 최근플래시메모리기반비휘발성캐시가저장장치의성능과전력소모측면에서효과적인해법으로떠오르고있다 비휘발성캐시로저장장치의성능을향상시키고전력소모를줄이기위해 가격이싸고용량이큰 플래시메모리를사용하는것이좋다 그러나 플래시메모리의수명은 플래시메모리보다훨씬짧기때문에전체저장장치의수명이짧아질수있다 이러한약점을최소화하기위해 플래시메모리와 플래시메모리를결합한형태의비휘발성캐시를고려해볼수있다 본논문에서는 와 를결합한플래시메모리를버퍼로사용하는새로운하이브리드하드디스크구조를제안한다 키워드 혼합플래시메모리 하이브리드하드디스크 C 한국정보과학회 ː 개인목적이나교육목적인경우 이저작 물의전체또는일부에대한복사본혹은디지털사본의제작을허가합니다 이때 사본은상업적수단으로사용할수없으며첫페이지에본문구와출처 를반드시명시해야합니다 이외의목적으로복제 배포 출판 전송등모든 유형의사용행위를하는경우에대하여는사전에허가를얻고비용을지불해야합니다 정보과학회논문지 컴퓨팅의실제및레터제 권제 호 1. 서론낸드플래시메모리는좋은이동성 적은전력소모 빠른랜덤액세스성능때문에여러가전제품에서널리쓰이고있다 최근에는여러개의낸드플래시메모리를내장하고있는 가등장하여하드디스크 를대체할새로운보조기억장치로부상하고있다 그러나 는 보다가격이수십배비싸며아직은대용량제품을만들기가힘든문제점이있다 또한 의성능이많이개선되었지만랜덤쓰기요청의경우에좋은성능을보이지못하는경우가많다 이러한 와낸드플래시메모리의상호보완적인특징들은이두장치를결합한하이브리드하드디스크개발의모티브가되었다 일반적인하이브리드하드디스크는하드디스크와낸드플래시메모리 디램이결합된형태이다 낸드플래시메모리를하드디스크의비휘발성버퍼로사용함으로써랜덤접근속도를향상시키고 데이터를플래시버퍼에기록하는동안은하드디스크를저전력모드로동작시킬수있기때문에하드디스크의전력소모를크게감소시킬수있다 낸드플래시메모리에는 와 의두가지타입이있다 플래시메모리는빠르고수명이긴반면가격이비싸고 플래시메모리는상대적으로느리고수명이짧지만용량이커지기때문에가격이싸다 만약에하이브리드하드디스크에 를사용한다면 같은가격의 를사용했을때보다메모리자체의속도는조금더빨라지지만버퍼의용량이작아지기때문에하드디스크에더자주접근하게되어응답시간과전력소모가각각늘어나게될것이다 반면에 를사용한다면 응답시간과전력소모측면에서는유리하지만하이브리드하드디스크의수명이짧아질수있다 이러한 와 낸드플래시메모리의약점을최소화하기위해 플래시메모리와 플래시메모리를결합한형태의비휘발성캐시를고려해볼수있

2 정보과학회논문지 컴퓨팅의실제및레터제 권제 호 다 이러한구성은별도의 칩과 칩을이용하여구성할수도있고 하나의플래시칩에서각블록을 또는 로설정하여구성할수도있다 이와같은플래시메모리칩에서는 와 두영역의크기에따라전체플래시메모리의용량이바뀐다 본논문에서는 와 를결합한플래시메모리를버퍼로사용하는새로운하이브리드하드디스크구조를제안한다 그리고제안한구조에서 와 의비율변화에따라성능 수명 전력소모가어떤변화를보이는지조사하여최적의 비율을선택할수있는기준을제시한다 또한 와 를결합한플래시메모리를사용하는하이브리드하드디스크에서생각해볼수있는다른데이터관리정책들을열거하고 제안한아키텍처의정책이성능 수명 전력소모면에서다른기법에비해우수하다는것을보인다 2. 관련연구 2.1 하이브리드하드디스크최근에낸드플래시메모리를하드디스크의캐시처럼사용하는기법에관한많은연구들이진행되어왔다 인텔의터보메모리 는메인보드상에플래시메모리를탑재하여일반하드디스크의캐시처럼사용하는기술이다 보드내부의플래시메모리에부팅시메모리로복사되는코드나자주접근되는데이터를저장하여시스템의성능을향상시키고 전력효율을높여준다 은데이터고정기법을사용하는하이브리드하드디스크를제안하였다 이것은플래시메모리를고정구역 비고정구역으로나누어자주사용되는데이터블록들을고정구역에넣음으로써낸드플래시메모리에더오래머물게한다 이방법으로기존의하드디스크에비해소비전력을줄이고 입출력성능을향상시킨다 위에서설명한기존연구들은모두하드디스크의외부혹은내부에한가지타입의플래시메모리를두어디스크의캐시처럼사용한다 반면에본논문은 와 를결합한플래시메모리를디스크의캐시로사용한다는차이점이있다 2.2 SLC와 MLC 를결합한플래시메모리 은 와 를결합한플래시메모리를위한 을제시하였다 자주접근되는핫데이터 는 영역에 자주접근되지않는콜드데이터 는 영역에저장하여효과적으로 혼합플래시메모리를관리하고자했다 또한 은 영역은로그블록으로 영역은데이터블록으로사용하는새로운 을제안하였다 앞서설명한 와 를결합한플래시메모리관리기법들은플래시메모리만사용하는저장장치의관 점인반면 본논문은하드디스크의캐시로서디스크로의접근을최대한줄이는것에초점을맞추고있다 즉 를핫 를콜드영역으로구분하기보다는 를 보다상위의캐시로사용하여 데이터가플래시메모리에더오래머물수있도록한다 또한 와 의비율변화가성능 수명 전력소모등에미치는영향을고려한다 3. SLC/MLC 혼합하이브리드하드디스크의구조그림 은제안하는하이브리드하드디스크의전체구조를나타낸다 먼저호스트인터페이스에서입출력요청이하이브리드하드디스크의컨트롤러로전달된다 컨트롤러는디램 플래시메모리 하드디스크등모든장치들을제어하고 해당논리블록주소 에대한요청이실제로어디로전달되어야할지를결정한다 그림 하이브리드하드디스크의구조및데이터이동읽기요청이발생하면 컨트롤러는요청된블록이어느장치에있는지알아내기위해디램 플래시메모리 하드디스크의순서로검색한다 만일디램에서는 가발생하고해당데이터가 에있으면컨트롤러는해당블록을디램으로복사하며 나하드디스크에있는경우에는시간적지역성 을고려하여디램뿐만아니라 에도복사해둔다 쓰기요청이발생하면 데이터는우선디램에기록되었다가백그라운드로플래시메모리의 영역에기록된다 그림 의화살표와번호는제안한하이브리드하드디스크내부의데이터이동을나타낸것이다 에서 로플러시 내부이동 만일 영역이 이상채워지면가비지컬렉션을하는데 무효페이지가많은경우 오래된유효페이지를 영역의다른곳으로보낸다 에서 로이동 에서 가발생한경우에해당블록을 에기록한다 이는시간적지역성즉 곧다시접근될가능성을고려하여해당블록이

3 플래시메모리에더오래머물도록하기위한것이다 에서 로복사 읽고자하는블록이하드디스크에있는경우 해당블록을 에복사한다 이또한 과같은이유로시간적지역성을고려한것이다 에서 로이동 가비지컬렉션시 무효페이지가적어빈공간을확보하기어려우면 접근된지오래된콜드데이터를 로보낸다 내부이동 만일 영역이 이상채워지면가비지컬렉션을하는데 무효페이지가많은경우 오래된유효페이지를 영역의다른곳으로보낸다 에서 로플러시 가비지컬렉션시 무효페이지가적어빈공간확보가어려우면 접근된지오래된콜드데이터를 로보낸다 상황에서가급적데이터를많이보내도록 의콜드구역비율을더크게설정한다 4.1 SLC영역의가비지컬렉션그림 의 와 는 에서가비지컬렉션과정을보여준다 콜드영역의모든페이지중에무효화된페이지가 이상이면가비지컬렉션을통해서빈공간을많이확보할수있으므로 유효페이지를 의끝지점과시작지점사이의빈공간으로이동시키며 그림 의 무효화된페이지가 이하이면위와같은방법으로는빈공간을충분히확보하기어려우므로유효페이지를 영역의현재지점이가리키는블록으로이동시켜빈공간을확보한다 그림 의 4. SLC 와 MLC 를결합한플래시메모리의관리 기법 영역과 영역은서큘러버퍼로동작한다 각영역은시작지점 현재지점 핫지점 끝지점 의네개의지점이있다 먼저시작지점이있으면 끝지점은 의여유공간을남기고지정된다 이것은가비지컬렉션을위한여유공간이다 데이터블록들은시작지점부터현재지점까지저장되어있고 새로운데이터가들어오면현재지점에저장된다 현재지점은각 와 에데이터가저장되면서끝지점쪽으로이동한다 만일현재지점이끝지점에닿으면 가비지컬렉션을통해서빈공간을확보하게된다 핫지점은가비지컬렉션과관련되는데 시작지점과끝지점사이를 혹은 으로나누는지점으로설정된다 시작지점쪽에가까운데이터는이미새로운업데이트가일어나무효화 됐을가능성이높다 또한현재지점에가까운데이터는최근에접근되었을뿐아니라자주접근될가능성이높다 즉 시작지점으로부터핫지점까지가콜드구역 핫지점으로부터끝지점까지가핫구역으로설정된다 그리고가비지컬렉션시에콜드구역내의유효한데이터들을이동 그림 의 시키고콜드구역내의모든플래시메모리블록을삭제하여새로운데이터를기록할공간으로활용한다 영역의콜드구역비율이 영역의콜드구역보다더큰이유는 의데이터를 로이동시키는비용보다 의데이터를 로이동시키는비용이훨씬클뿐만아니라스핀다운상태인 를스핀업상태로변환하는추가적인비용까지들수있기때문이다 그러므로 를스핀업시켜야하는 그림 가비지컬렉션 플러시정책 4.2 MLC 영역의가비지컬렉션 에서가비지컬렉션과정도 와비슷하다 콜드영역의전체페이지중에무효화된페이지가 이상이면유효페이지를 의빈공간으로이동시키며 무효화된페이지가 이하이면유효페이지를 로이동시켜빈공간을확보한다 앞서말한 와 영역의핫지점설정기준이다른이유가어쩔수없이 에접근해야하는상황이발생했을때를가정한것이라면 와 영역의가비지컬렉션기준이다른이유는되도록 에접근하지못하도록하려는것이다 는상대적으로가비지컬렉션이일어나기쉽도록낮은기준값을두어가급적자체적으로빈공간을확보하고 에데이터를기록하는것을줄인다 5. 실험새롭게제안하는하이브리드하드디스크의성능을평가하기위해트레이스 드리븐시뮬레이터를만들어실험을수행하였다 디램의용량은 로설정했으며 플래시메모리의용량은 로만사용하면

정보과학회논문지 컴퓨팅의실제및레터제 권제 호 로만사용하면 가되도록설정했다 또한하드 디스크는삼성 제품을모델링하였고 일정 시간동안접근이없으면 하드디스크가스핀다운하여 혹은 상태가되도록하였다 실험에사용 한트레이스는 의두가지이다 트레이스는웹사이트에공개된트레이스 이고 트레이스는동명의디스크성능벤치마 크프로그램을사용하여얻었다 수행한실험들은다음과같다 먼저 와 의비

4 정보과학회논문지 컴퓨팅의실제및레터제 권제 호 로만사용하면 가되도록설정했다 또한하드 디스크는삼성 제품을모델링하였고 일정 시간동안접근이없으면 하드디스크가스핀다운하여 혹은 상태가되도록하였다 실험에사용 한트레이스는 의두가지이다 트레이스는웹사이트에공개된트레이스 이고 트레이스는동명의디스크성능벤치마 크프로그램을사용하여얻었다 수행한실험들은다음과같다 먼저 와 의비 율변화에따른평균읽기응답시간 수명 전력소모를 측정하였다 이를통해응답시간 수명 전력소모측면 에서가장좋은성능을내는 비율을찾았다 그리고제안한하이브리드하드디스크관리정책을평가 하기위해 와 를결합한플래시메모리를사용 하는하이브리드하드디스크로생각할수있는다른관리 정책들간에성능 수명 전력소모를비교하였다 5.1 응답시간에관한실험 그림 은응답시간 수명 전력소모에대한측정값을 용량을가장작게했을때 를기준으로상 대적인수치로변환하여한그래프에나타낸것이다 그림 의읽기응답시간을보면 두트레이스에서공 통적으로 의비율이늘어남에따라성능이떨어진 다 이는 의비율이늘어날수록플래시메모리용량 이줄어들어플래시의 이떨어지기때문이다 5.2 수명에관한실험 반면에수명의경우응답시간과는전혀다른결과를 보인다 먼저 영역의수명은셀당 번 영역의수명은셀당 번지웠다가쓸수있다고 가정하였다 플래시를서큘러버퍼처럼관리하기때문에 수명을다음과같이모델링할수있다 전체영역을 로설정했을때의용량을 라고하 고 전체영역에서 의비율을 해당트레이스가 수행될때가비지컬렉션을포함하여 에일어나는 쓰기의총량을 해당 가수행될때 에 일어나는쓰기의총량을 라고하면 와 의수명 은다음과같이구할수있다 의의미는 의수명이다할때까지해 당트레이스를쓸수있는횟수이다 그런데 와 가항상같을수는없다 둘중한쪽의수명이다 해남은영역으로몰리는 의총량을 라고 하면 한쪽의수명이먼저다하는경우를고려한플래 시메모리의수명 은다음과같이구할수있다 의수명이먼저다한경우는 이고 의수명이먼저다한경우는 이다 그림 의수명을보면 의비율이클수록수명도 증가하는것을확인할수있다 이는물론 의수명 이 의수명보다훨씬길기때문이다 5.3 전력소모에관한실험 그림 의전력소모를보면 공통적으로 비율이 클수록전력소모가줄어드는경향을보인다 각트레이 스별로 에서 의차이를보이는데 응답시간 의변화이유와같이플래시메모리의용량이줄어들수 록하드디스크접근횟수가늘어나기때문이다 그러므 로전력소모를줄이기위해서는 의비율을최대 한늘려플래시메모리용량을키워야한다 그림 트레이스별상대적인평균읽기응답시간 수명 전력소모 5.4 다른정책들과의성능, 수명, 파워비교 그림 는우리가제안한정책의성능을비교하기위 해 와 를결합한플래시메모리를사용하는 하이브리드하드디스크로생각할수있는다른정책들 을정리한것이다 정책 제안한정책 정책 정책 정책 그림 제안한하이브리드하드디스크의다른정책들

5 정책 은우리가제안한정책이다 정책 에서는 와 에핫데이터와콜드데이터를구분하여쓴다 요청이 섹터이상연속이면콜드데이터로가정하여바로 에 섹터보다적으면핫데이터라고가정하여 에적는다 정책 에서는정책 과같이요청들을연속성에따라각각 와 에쓰되 둘을분리하여사용한다 만일 의무효페이지가기준값보다적으면 콜드영역을 에보내지않고 에플러시한다 정책 은정책 에서각영역의가비지컬렉션을뺀정책이다 영역에서가비지컬렉션이발생하면 무조건 로플러시한다 응답시간그림 의 에서응답시간을측정한결과를보면 와 를따로사용하는정책 가최악의성능을보이고 본논문에서제안한정책이나머지정책들보다근소한차이로더좋게나타났다 정책 의성능이가장나쁜이유는 와 가모두 에플러시하기때문에 에접근하는빈도가늘어나기때문이다 두번째로나쁜성능을보이는정책 의실험결과는데이터를내부에다시적는것이 로접근하는상황을더줄일수있다는것을보여준다 또한정책 의결과로 와 를핫 콜드영역으로나누어사용하는기존정책이하이브리드하드디스크에서는효과가덜하다는것을알수있다 수명그림 의 에서볼수있듯이우리가제안한정책은데이터를플래시메모리에최대한오래머물도록하는것에초점을맞추고있어가비지컬렉션을하기때문에수명이비교적짧다 정책 는 에서 로이동하는정책이없기때문에 정책 은가비지컬렉션시내부에다시적는정책이없기때문에그만큼쓰기의양이줄어수명이비교적길다 전력소모그림 의 가나타내는전력소모측정실험결과는응답속도와같이본논문에서제안한정책이모든트레이스에서가장좋은편이다 앞서설명한이유로인해 로의접근이많아지는정책 가가장전력소모가많고 나머지정책들간에큰차이는없다 6. 결론우리는이논문을통해 와 를결합한플래시메모리를사용하는새로운하이브리드하드디스크구조와적절한정책을제안하였다 그리고시뮬레이터를이용하여 의비율변화에따른응답시간 수명 전력소모를측정하였으며 우리의정책을다른정책 평균읽기응답시간 평균읽기응답시간 수명 전력소모 수명 전력소모 그림 트레이스 정책별성능비교 과비교하여성능 전력소모측면에서좋은정책임을검 증하였다 하이브리드하드디스크에서플래시메모리의용량을 최대한크게하여성능 전력소모상의이익을보면서 일정수준이상의수명을갖기위해서는 와 를결합한플래시메모리를사용하는것이좋다 또한 우리의실험을통해사용자의요구사항과워크로드에 따라최적의응답시간 수명 전력소모를갖는 와 비율을찾아낼수있다 참고문헌

등록특허 (51) Int. Cl. G06F 12/00 ( ) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2007 년 04 월 12 일 년

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