[논문]저전력과 입출력 성능이 향상된 n-블록 선반입 기반의 하이브리드 하드디스크 입출력 시스템 설계 및 구현

양준식; 고영욱; 이찬근; 김덕환

문제 정의

본 논문에서 제안하는 广블록 선반입 기법은 *개의 블록을 플래시 메모리로 한번에 선반입 하여 시스템의 성능을 높이는 정책이다. 선반입을 수행하는 시기는 시스템의 성능 저하를 막기 위해 수시로 수행 하지 않고 플래시메모리에 선반입 된 데이터로부터 읽기 실패가 일어났을 때 선반입을 수행 한다.
본 논문에서는 선반입을 하기 위하여 실시간으로 입출력 요청을 분석 한다. 입출력 요청을 분석하고 블록의최근성과 최빈성에 따라 플래시 메모리로 선반입을 수행 하게 된다.
본 논문에서는 저전력과 시스템 성능 향상을 위해 블록 기반의 입출력 패턴 분석과 선반 입 기반의 서브 시스템을 설계 및 구현하고 이를 평가하여 일반적인 하드디스크와 제안한 시스템과의 성능평가를 수행하였다. 본 논문에서 제안한 z블록 선반 입 기법은 최소 广블록 방법과 동적 a블록 방법으로 나눌 수 있다.
플래시 메모리에 선반입 된 "개의 블록은 공간적으로 연속된 블록들과 시간적으로 연속된 블록들을기준으로 모델링 된다. 본 논문에서는 제안한 방법의 성능 평가를 위해 전력소모와 응답시간 관점에서 성능 평가를 실시한다.
본 논문에서는 하드디스크의 스판업 동작을 최소화하면서 입출력 요청을 수행하는데 필요한 최소의 a블록을 구하는 방법을 제안한다. “최소 k블록”은 다음과같이 구할 수 있다.
하이브리드 저장 시스템을사용할 때 하드디스크 시동 빈도가 많아질수록 하이브리드 저장 시스템의 성능은 낮아지고 전력 소모량은 늘어나게 된다. 본 논문에서는 하이브리드 저장 장치에서하드디스크의 스핀업 횟수를 줄이기 위해 皿-블록 선반입 기법을 사용하여 플래시 메모리에 블록들을 선반입시킨다. 여기에서의 산반입 이란 일반적인 디스크에서메모리에서의 선반입이 아니라 하드디스크에서 플래시메모리로의 선반입을 말한다.
하는 시스템을 제안하였다[17〕. 이 논문에서는 하이브리드 저장장치에서 캐시 역할로서 플래시 메모리를 사용하고 데이터 접근 속도를 높이기 위해서 미래에 접근 가능성이 높은 데이터를 파일을 기반으로 선반 입을 수행 하였다.

가설 설정

입출력 시스템의 구조를 보여준다. (1) DRAM 에 존재하는 입출력 요청 큐에는 입출력 요청된 블록들이 저장된다. (2) DRAM에 존재하는 선반입 요청 큐에는 최근성과 최빈성에 의해 우선순위가 정해진 블록들이 재정렬 된다.
여기에서 厂은 히스토리를 얼마나 저장 하는지에 관한 변수이다, 广이 커지면 많은 히스토리를 저장할 수 있어서 학습효과를 많이 받을 수 있지만 선반입이라는 것은 과거의 정보를 너무 신뢰해서는 안되며, 많은 히스토리를 처리하는데 드는 '비용을 무시할 수 없기 때문에 본 논문에서는 실험을 통하여 厂은 100이라는 상수로 정하여 수행한다.

제안 방법

하이브리드 하드디스크를 사용하였으며, “EXCES”, “최소 "블록”과 “동적 a블록” 방법은 하이브리드 저장장치를 사용하였으며, 선반입 캐시의 크기를 2 기가바이트로 고정 하였다. “동적 广블록” 방법이 44.
Gille 선반입을 등급과 트리거디스턴스 인자를 받아서 히스토리를 생성 하고 이를 기반으로 하여 동적으로 선반입 등급과 트리거 디스턴스를 변화시켜 여러 개의 어플리케이션이 서로 다른 요청을 동시에 요청 할 때 효과적으로 선반입을 수행하기 위한 AMP(Adaptive multistream prefetching in a shared cache) 선반입 방법을 제안하였다[15]. AMP 선반입 방법은 병렬적으로 여러 블록들이 요청될 경우에는 순차성이 달라질 수 있기 때문에 선반입을 수행할 때 등급과 트리거 디스턴스를 저장되어 있는 각각의 블록들에 대해 기록하고 이를 사용하여 선반입을 시행하였다.
IBM 연구 센터의 B. Gille 선반입을 등급과 트리거디스턴스 인자를 받아서 히스토리를 생성 하고 이를 기반으로 하여 동적으로 선반입 등급과 트리거 디스턴스를 변화시켜 여러 개의 어플리케이션이 서로 다른 요청을 동시에 요청 할 때 효과적으로 선반입을 수행하기 위한 AMP(Adaptive multistream prefetching in a shared cache) 선반입 방법을 제안하였다[15]. AMP 선반입 방법은 병렬적으로 여러 블록들이 요청될 경우에는 순차성이 달라질 수 있기 때문에 선반입을 수행할 때 등급과 트리거 디스턴스를 저장되어 있는 각각의 블록들에 대해 기록하고 이를 사용하여 선반입을 시행하였다.
리눅스 시스템을 부팅하여 최종적으로 명령을 내릴수 있는 쉘이 화면에 표시 될 때까지의 시간을 부팅 시간이라 정하고 실험을 총 100회 반복 진행 하였다. "일반 리눅스” 보다 "동적 n-블록”을 사용한 선반입을 하였을 때 16초 가량 부팅 시간이 단축 하였다.
SimHybrid 는 트레이스 기반의 SimHybrid, 플래시 메모리 시뮬레이터인 SimFlash 및 호스트 시뮬레이터로 구성되어 있다. 마이크로소프트사의 Windows XP 환경에서 실험을진행 하였고 부팅시간, 응용프로그램 실행 시간, 스핀- 다운 시간과 에너지 소모량 등을 실험 하였다. UCSC의 Timothy[10, ll]는 비휘발성 메모리장치인 플래시 메모리를 두어서 하드디스크의 스핀다운 시간을 늘렸다.
본 논문에서 제안한 z블록 선반 입 기법은 최소 广블록 방법과 동적 a블록 방법으로 나눌 수 있다. 이 방법들은 하이브리드 저장장치 기반으로 설계되었으며 이 방법들을 사용하면 기계적인 장치를 사용하는 하드디스크의 단점인 전력 소모 측면과 시스템 입출력 성능을 향상시킬 수 있었다.
또한 중요도가 낮은 블록을 선반입하면 시스템의 성능이 떨어지고 주후에 주가적인 블록 교체에 따른 전력 소모와 지연시간을 감수 해야 한다. 본 논문에서는 블록 별로 시간상의 빈도수를 가중치에 의해 계산 하여 우선 순위를 결정 한다. k번째 블록의 우선순위를 결정 하는 식은 다음과 같다.
본 실험에서는 BLTK(Linux Battery Life Tool Kit) [21]를 사용하여 전력 소모량과 응답속도에 관한 실험을 진행 하였다. 웅답속도는 BLTK에 내징되어 있는 프로그램이 화면에 표시되는 시간을 의미한다.
이것을 통하여 입출력 성능을 측정한다. 본 실험에서는 문서편집기, 컴파일러, 그림판, 동영상 플레이어를 사용하여 응답속도를 측정하여 입출력 성능을 비교하고, 플래시 메모리의 크기변화에 따른 전력소비량 비교, 스핀업 횟수, 적중률을 비교한다.
스핀업 횟수를 나타낸다. 스핀업 횟수는 시스템의 성능과 전력 소비를 결정하는 요소이기 때문에 스핀업이얼마나 자주 일어나는지에 대한 실험을 진행하였다. 하이브리드 하드디스크를 사용하여 실험을 진행한 “최소블록” 방법, 동적 广블록” 방법 및 “EXCES” 방법은 선반입 캐시의 크기를 2 기가 바이트로 고정 하였다 “동적 广블록” 방법의 경우에 “일반 리눅스” 방법보다 36.
자주 쓰이는 응용프로그램을 실행 할 때 걸리는 시간을 응답시간이라 하고 실험을 100회 반복 하여 측정하였다. 그림 10은 6가지 방법에 대한 응답속도를 측정한 평균 결과를 보여준다.
자주 쓰이는 응용프로그램을 실행할 때 소모되는 전력소모량을 100회 반복하여 측정하였다. 그림 11은 6가지 방법에 대한 전력소모를 측정한 평균 결과를 보여준다.
제안하는 n-블록 선반입 하이브리드 하드디스크 입출력 시스템은 n-블록을 기반으로 하이브리드 하드디스크에 장착된 플래시 메모리로 선반입 함으로서하드디스크의 전력 소모를 줄이고 시스템 입출력 성능을 향상시키는 방법을 제안한다.
플래시 메모리의 크기를 변경하여 선반입 할 수 있는 캐시의 크기를 변경하고 그림 12와 같이 100회 반복 실험을 하였다. 그림 12는 플래시 메모리 선반입 캐시 크기의 변화에 따른 평균 전력 소비량을 나타낸다.

대상 데이터

하이브리드 하드디스크는 일반적인 하드디스크에 플래시 메모리가 탑재된 제품으로써 일반적인 리눅스 시스템에서의 입출력을 플래시 메모리로 리다이렉션 시켜야 한다. 본 논문에서 제안 하는 서브 시스템은 리눅스 커널 2.6.24 버전에서 구현하였고 전체 구조는 다음과 같다.
FlashExtraSize는 플래시 메모리가 선반입을 할 수 있는 가용한 자유 영역의 크기이며, BlockSi源는 플래시메모리에 할당된 있는 한 블록의 크기이며 디스크의 섹터 크기와 같다. 즉, 블록은 플래시 메모리의 페이지의단위인 512바이트를 사용한다. HPre就chBlockCoimt는입출력 요청을 분석하여 플래시 메모리로 선반입될 블록들의 개수이다.

데이터처리

리눅스 커널 2.6.24 버전 에서 선반입 기법을 사용하지 않는 “일반 리눅스” 시스템, 기존의 선반입 정책인 “RA” 방법, “AMP” 방법, "EXCES" 방법, 본 논문에서제안한 "최소 n-블록” 방법과 “동적 n-블록” 방법에 대한 성능을 비교 분석한다.
성능평가를 위해 시행한 실험은 본 논문에서 제안한 n-블록 선반입 하이브리드 하드디스크 입출력 시스템과기존의 선반입 기법과 비교 및 평가하였다. 실험환경은인텔 코어 2 듀오 2.
실험은 n-블록 선반입 하이브리드 하드디스크 입출력시스템과 기존의 선반입 정책을 적용한 시스템과 비교분석 하였다. 실험에 사용한 하이브리드 하드디스크의 특징은 표 1과 같다.

성능/효과

95% 전력 감소를 보였고 1205%의 시스템 응답 속도의 향상을보였다. 또한 “동적 n-블록” 방법과 “일반 리눅스" 방법과비교하였을 경우에는 179.80%의 전력 소모 감소를 보였으며 시스템 웅답 속도는 20.78%의 향상을 보였다. n-블록 선반입의 경우에는 플래시 메모리에 선반입되어 있는 블록들을 사용하여 부팅을 수행하기 때문에하드디스크의 상태와 상관없이 빠른 부팅과 저전력을유지 할 수 있었다.
전력 소모와 응답 속도 면에서 보았을 때 "일반 리눅스” 방법과 비교하여 "최소 블록” 방법의 경우에는 82.95% 전력 감소를 보였고 1205%의 시스템 응답 속도의 향상을보였다. 또한 “동적 n-블록” 방법과 “일반 리눅스" 방법과비교하였을 경우에는 179.
그림 10은 6가지 방법에 대한 응답속도를 측정한 평균 결과를 보여준다. 컴파일러와 문서 편집기 같이문서 편집 응용 프로그램의 경우에는 작은 크기의 파일들을 병렬적으로 요청 하므로 병렬적인 블록 요청을 효율적으로 서비스 하기 위한 선반입 방법인 "AMP”와 广블록 선반입 방법이 유사한 성능을 보여 주며, "일반리눅스”의 경우에는 하드디스크에 할당된 블록들을 탐색하는데 걸리는 시간이 추가 적으로 소모 되므로 응답속도가 높게 나왔다. “RA”의 경우에는 연속적인 데이터를 선반입 하기 위한 선반입 방법이므로 문서 편집의 응용에서는 낮은 성능을 보여 주었다.
(1) DRAM 에 존재하는 입출력 요청 큐에는 입출력 요청된 블록들이 저장된다. (2) DRAM에 존재하는 선반입 요청 큐에는 최근성과 최빈성에 의해 우선순위가 정해진 블록들이 재정렬 된다. 이렇게 저장된 선반입 요청 큐의 블록들은 식 (1)과 식 (2)에 따라 플래시 메모리에 선 반입된다.
이렇게 저장된 선반입 요청 큐의 블록들은 식 (1)과 식 (2)에 따라 플래시 메모리에 선 반입된다. (3)플래시 메모리에 선반입된 블록들은 LRU 정책에 따라 접근 빈도가 낮은 블록 교체를 수행한다. (4)DRAM에 존재하는 교체 우선순위 큐는 접근 빈도가 낮은 블록을 교체 하기 위하여 플래시 메모리에 선 반입된 목록들의 접근빈도 별 교체 우선순위를 관리한다.
(3)플래시 메모리에 선반입된 블록들은 LRU 정책에 따라 접근 빈도가 낮은 블록 교체를 수행한다. (4)DRAM에 존재하는 교체 우선순위 큐는 접근 빈도가 낮은 블록을 교체 하기 위하여 플래시 메모리에 선 반입된 목록들의 접근빈도 별 교체 우선순위를 관리한다.
따라서 2기가 § 바이트가 적절한 캐시 크기로 사료 된다. “동적 宀블록” 방법이 “최소 几-블록” 방법 보다 평균 3.52% 적은 전력 소모량을 보여주고 있다. 그 이유는 동적 선반 입의 경우에는 우선순위가 높은 블록의 경우에는 동적으로 n 개의 개수를 변경하여 선반입을 수행 하기 때문이다.
하이브리드 하드디스크를 사용하였으며, “EXCES”, “최소 "블록”과 “동적 a블록” 방법은 하이브리드 저장장치를 사용하였으며, 선반입 캐시의 크기를 2 기가바이트로 고정 하였다. “동적 广블록” 방법이 44.45%의가장 좋은 적중률을 보여 주었으며, “RA”방법이 32.19% 의 가장 낮은 적중률을 기록 하였다. “RA” 방식은 연속된 블록들에 대해서 선반입이 이루어 지므로 순차적이지 않은 블록 요청이나 병렬적인 요청에 대해 낮은'성능을 보여준다.
zi-블록이란 하드디스크의시동시간과 플래시 메모리의 남은 용량 등의 정보를 이용하여 계산 된 블록의 개수를 말한다. 결정된 m개의 블록을 플래시 메모리에 선반입 하면 호스트가 읽기 요청을 하였을 때 성능 향상뿐만 아니라 전력 소모를 줄일수 있다. 플래시 메모리에 선반입 된 "개의 블록은 공간적으로 연속된 블록들과 시간적으로 연속된 블록들을기준으로 모델링 된다.
컴파일러와 문서 편집기의 경우에는 병렬적인 블록 요청을 하기 때문에 하드디스크 탐색 시간이 길어져서 접근이 많은 “일반 리눅스” 방법을 수행할 때 가장 많은 전력 소모를 보였다. 그림판과 동영상 플레이어 같은 연속적인 블록 요청을 하는 브라우징 응용 프로그램을 사용할 때 “동적 a블록” 방법은 “일반 리눅스” 방법에 비하여 19.57% 전력 소모 감소를 보여주었다. “EXCES” 방법은 “최소 a블록” 방법과 유사한 성능을 보여 주었다.
“RA” 방식은 연속된 블록들에 대해서 선반입이 이루어 지므로 순차적이지 않은 블록 요청이나 병렬적인 요청에 대해 낮은'성능을 보여준다. 그에 비해 “동적 门-블록” 방법은 선반입 캐시의 우선순위에 따라 블록들의 선반입이 되므로적중률이 높게 나왔다.
이는 “동적 广블록” 선반입 기법은 선반입 캐시에 동적으로 S개의 블록을 선반입 함으로서 하드디스크를 거의 접근 하지 않았기 때문이다. 또한 같은 용량의 하이브리드 저장장치를 사용할 때 “동적 广블록” 방법이 “EXCES” 방법과 비교하여 3.85%의 스핀업 횟수 감소를 보여 주었다.
이 방법들은 하이브리드 저장장치 기반으로 설계되었으며 이 방법들을 사용하면 기계적인 장치를 사용하는 하드디스크의 단점인 전력 소모 측면과 시스템 입출력 성능을 향상시킬 수 있었다. 또한 제안한 방법들은 하드디스크에 저장되어 있는 자주 쓰이는 블록을 선별하고 블록의 개수를 결정하여 비휘발성 메모리 인 플래시 메모리로 선반입 하기 때문에 지속적으로 하드디스크를 스핀 다운 상태로 둘 수 있어 전력 소모를 줄일 수 있으며, 상대적으로 빠른 플래시 메모리의 접근속도로 인해 빠른 입출력 성능을 보장할 수 있었다. 성능평가를 통해 부팅 시에는 “동적 z블록” 방법이 기존의 방법인 “AMP” 방법과 비교하여 9.
11% 천력 소모량 감소를 실험을 통해 확인하였다. 또한 하이브리드 저장장치를 사용하는 “EXCES” 방법과 비교하여 3.43%의 시스템 응답 속도 향상 및 8.28%의 전력 소모 감소를 확인하였다.
본 논문에서 제안하는 k블록 선반입 기반의 하이브리드 하드디스크 입출력 시스템은 호스트로부터 읽기 요청이 발생 하였을 경우 커널의 페이지 캐시를 검사하고 페이지 캐시에 해당 페이지가 존재 하지 않을 경우에 하드디스크를 스핀업 시키고 블록을 요청 하는 일반적인 하드디스크를 탑재한 리눅스 시스템 대신에 하이브리드 하드디스크의 플래시 메모리에 선반입 시켜 놓은 블록 데이터를 전송 하게 함으로써 하드디스크의 스핀 업 횟수를 줄여 준다. 하이브리드 하드디스크는 일반적인 하드디스크에 플래시 메모리가 탑재된 제품으로써 일반적인 리눅스 시스템에서의 입출력을 플래시 메모리로 리다이렉션 시켜야 한다.
그림 12는 플래시 메모리 선반입 캐시 크기의 변화에 따른 평균 전력 소비량을 나타낸다. 선반입캐시 크기에 따른 전력 소비의 추이를 살펴보면 선반입캐시의 크기가 증가함에 따라 “최소 门-블록” 방법과 “동적 几-블록” 방법의 전력 소모량은 줄어듦올 알 수았다. 그러나 2기가 바이트 이상의 선반입 캐시에서는 전력소모량의 차이가 크게 나지 않는다.
또한 제안한 방법들은 하드디스크에 저장되어 있는 자주 쓰이는 블록을 선별하고 블록의 개수를 결정하여 비휘발성 메모리 인 플래시 메모리로 선반입 하기 때문에 지속적으로 하드디스크를 스핀 다운 상태로 둘 수 있어 전력 소모를 줄일 수 있으며, 상대적으로 빠른 플래시 메모리의 접근속도로 인해 빠른 입출력 성능을 보장할 수 있었다. 성능평가를 통해 부팅 시에는 “동적 z블록” 방법이 기존의 방법인 “AMP” 방법과 비교하여 9.05%의 시스템 응답 속도 향상과 11.11% 천력 소모량 감소를 실험을 통해 확인하였다. 또한 하이브리드 저장장치를 사용하는 “EXCES” 방법과 비교하여 3.
시간적 지역성은 최근에 사용된 정보는 다시 사용될 가능성이 높다는 것을 의미하며, 공간적 지역성은 하드디스크의 공간상에 현재 사용되는 데이터와 인접한 데이터는 사용될 가능성이 높다라는 것을 의미한다. 또한 응용프로그램을 기준으로 보았을 때 힌트를 이용한 선반 입과 힌트를 이용하지 않는 선반입으로 나눌 수 있다.
16%의 향상을 보였다. 왜냐하면 제안하는 術블록선반입 방법은 하드디스크 보다 접근 속도가 빠른 플래시 메모리에 선반입을 수행하는 방법이므로 선택된블록이 가상메모리로 할당되므로 빠른 응답속도를 보여준다
본 논문에서 제안한 z블록 선반 입 기법은 최소 广블록 방법과 동적 a블록 방법으로 나눌 수 있다. 이 방법들은 하이브리드 저장장치 기반으로 설계되었으며 이 방법들을 사용하면 기계적인 장치를 사용하는 하드디스크의 단점인 전력 소모 측면과 시스템 입출력 성능을 향상시킬 수 있었다. 또한 제안한 방법들은 하드디스크에 저장되어 있는 자주 쓰이는 블록을 선별하고 블록의 개수를 결정하여 비휘발성 메모리 인 플래시 메모리로 선반입 하기 때문에 지속적으로 하드디스크를 스핀 다운 상태로 둘 수 있어 전력 소모를 줄일 수 있으며, 상대적으로 빠른 플래시 메모리의 접근속도로 인해 빠른 입출력 성능을 보장할 수 있었다.
하드디스크의 기술은 크게 발전 하고 있지만 여전히 기계적 장치를 사용하여 입출력을 수행 하므로 몇 가지 문제점이존재한다. 첫째, 하드디스크는 전력 소모가 높다. 하드디스크는 컴퓨터 시스템에서 전력 소모를 10-20% 차지하며 그 중 약 80~90% 정도의 전력 소모가 스핀들 모터에서 발생한다[1丄 둘째, 하드디스크는 필수적인 대기시간이 발생한다.
스핀업 횟수는 시스템의 성능과 전력 소비를 결정하는 요소이기 때문에 스핀업이얼마나 자주 일어나는지에 대한 실험을 진행하였다. 하이브리드 하드디스크를 사용하여 실험을 진행한 “최소블록” 방법, 동적 广블록” 방법 및 “EXCES” 방법은 선반입 캐시의 크기를 2 기가 바이트로 고정 하였다 “동적 广블록” 방법의 경우에 “일반 리눅스” 방법보다 36.75% 적은 스핀업 횟수를 보였으며, “최소 门-블록”과비교 하였을 때에는 19.23%, “RA” 방법과 비교 하였을때는 26.83%, “AMP” 방법과 비교하였을 때에는 2L45% 스핀업 횟수가 감소 함을 보여주었다. 이는 “동적 广블록” 선반입 기법은 선반입 캐시에 동적으로 S개의 블록을 선반입 함으로서 하드디스크를 거의 접근 하지 않았기 때문이다.
그 이유는 “EXCES” 방법은 플래시 메모리에 페이지 단위로 선반입을 수행하는 방법이므로 하드디스크를 스핀다운 상태로 유지하는 시간이 메모리에 선반 입을 수행하는 다른 방법보다 길기 때문이다. 하지만 동적으로 블록의 숫자를 조정하는 “동적 a블록” 방법보다 “EXCES” 방법이 평균 8.28%의 많은 전력 소비를 보여준다.

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