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문제 정의
- 본 논문에서는 섹터 매핑 기법과 블록 정보 테이블을 적용한 FTL 알고리듬을 제안하였다. 기존의 블록 매핑 기법을 기반으로 하는 FTL은 매핑 테이블의 크기를 줄여 적은 양의 RAM을 필요로 하지만, erase 횟수 및 플래쉬 메모리 억세스를 위한 소요 시간은 섹터 매핑 기법을 사용하였을 때보다 증가하게 된다[5].
- 본 논문에서는 섹터 매핑 기법을 적용하여 기존의 블록 매핑 기법에 기반한 FTL보다 플래쉬 메모리 공간의 활용도를 높이고 erase 횟수를 줄여 전체 소요 시간을 줄이는 방법을 제안한다.
- 본 절에서는 제안한 FTL 알고리듬에 관해 기술한다. 3.
가설 설정
- 32GB의 NAND 플래쉬 메모리 기반의 반도체 디스크를 기준으로 매핑 테이블의 크기를 BAST[2], FAST[6]와 비교하였다. BAST와 FAST의 로그 버퍼의 크기는 1 GB로 가정하였다. 제안한 FTL은 동적 할당 기법을 사용하여 매핑 테이블의 크기가 일정한 것은 아니지만 모든 LSN의 데이터가 write 되었다고 가정하면 매핑 테이블의 크기는 8*1024*32*64*2B = 33 MB 가 된다.
제안 방법
- 제안한 FTL은 섹터 매핑 기법을 적용하여 위와 같은 성능 향상을 얻었으나 블록 매핑 기법을 사용 하였을 때보다 매핑 테이블의 크기가 커지는 단점이 있다. 32GB의 NAND 플래쉬 메모리 기반의 반도체 디스크를 기준으로 매핑 테이블의 크기를 BAST[2], FAST[6]와 비교하였다. BAST와 FAST의 로그 버퍼의 크기는 1 GB로 가정하였다.
- 와 각각 비교하였다. BAST, FAST와 제안한 FTL 각각을 시뮬레이터로 구현하여 다양한 트레이스 파일들을 적용함으로써 성능을 평가하였다. 실험에 쓰일 플래쉬 메모리 모델은 삼성 K9WBG08U1M large block NAND 플래쉬 메모리[3]를 사용하였으며, 중요 파라미터들은 표 2에 제시하였다.
- ISN이 큰 블록을 선택하면 merge 동작 수행 후 많은 공간을 확보할 수 있고 invalid 섹터는 copy 동작이 필요 없으므로 copy 동작의 수를 줄일 수 있다. ECN은 해당 블록이 현재까지 erase된 횟수로서, ECN이 작은 블록을 victim 블록으로 선정함으로써 wear-leveling을 고려하였다. 위의 두 가지 요소를 고려하여 victim 블록 선정 시 ISN이 가장 큰 블록을 검색하고, 최대의 ISN을 갖는 블록이 두 개 이상일 경우 ECN이 작은 블록을 선택하도록 설계하였다.
- 제안한 FTL은 동적 할당 기법을 적용하여 섹터 매핑 테이블의 크기를 줄이고, 블록 정보 테이블을 이용하여 효율적인 victim 블록 선정을 통해 erase와 copy의 횟수를 줄일 수 있다. 기존의 블록 매핑 기법을 적용한 BAST, FAST에서 full merge의 경우 2번의 erase와 valid한 섹터 수만큼의 copy 동작이 필요했으나[2,6] 제안한 FTL의 merge 동작은 ISN이 가장 많은 블록을victim 블록으로 선택하여 한 번의 erase와 valid한 섹터 수만큼의 copy 동작을 요구한다. ISN이 블록 당 섹터의 수와 같은 블록을 victim 블록으로 선택될 경우 switch merge와 같이 한 번의 erase 동작만 필요하게 된다.
- 기존의 섹터 매핑 기법은 m개의 섹터를 갖는 플래쉬 메모리에 대해m열의 매핑 테이블을 필요로 하고 merge 동작이 일어날 때 victim 블록 선정 기준이 효율적이지 않다. 본 논문은 동적 매핑 기법을 적용하여 매핑 테이블의 크기를 줄이고 각 블록당 invalid한 섹터의 개수(ISN : Invalid Sector Number)와 erase 횟수(ECN : Erase Count Number)에 대한 테이블을 두어, erase 및 copy의 횟수를 줄이고 wear-leveling을 고려한 새로운 섹터 매핑 기법을 제안한다.
- 블록 매핑 기법을 적용한 FTL에서는 read 동작 시 데이터 블록의 해당 위치를 읽었을 때 invalid 상태일 경우 로그 버퍼에서 해당 LSN에 대한 데이터를 다시 찾아야 한다. 본 연구에서 제안한 FTL은 섹터 매핑 기법을 적용하여 섹터 매핑 테이블에서 read 동작이 요구된 LSN에 매핑된 PSN을 바로 찾을 수 있으므로 read 동작에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 섹터 매핑 테이블에는 최근에 write된 PSN에 대한 정보가 있으므로, 섹터 매핑 테이블에 있는 PSN을 그대로 읽어 들이면 된다.
- 93%의 면적이 증가된다. 앞서 언급하였듯이 제안한 FTL은 동적 할당 기법을 사용하여 매핑 테이블의 크기를 줄인다. 표 4는 본 논문에서 사용한 각각의 어플리케이션에 대한 면적 증감을 나타낸다.
- ECN은 해당 블록이 현재까지 erase된 횟수로서, ECN이 작은 블록을 victim 블록으로 선정함으로써 wear-leveling을 고려하였다. 위의 두 가지 요소를 고려하여 victim 블록 선정 시 ISN이 가장 큰 블록을 검색하고, 최대의 ISN을 갖는 블록이 두 개 이상일 경우 ECN이 작은 블록을 선택하도록 설계하였다.
- 제안한 FTL은 victim 블록 선정 시 블록 정보 테이블의 ISN, ECN의 두 가지 정보를 참조한다. ISN은 특정 블록의 섹터 중 invalid한 데이터를 갖고 있는 섹터의 수이다.
- 기존의 블록 매핑 기법을 기반으로 하는 FTL은 매핑 테이블의 크기를 줄여 적은 양의 RAM을 필요로 하지만, erase 횟수 및 플래쉬 메모리 억세스를 위한 소요 시간은 섹터 매핑 기법을 사용하였을 때보다 증가하게 된다[5]. 제안한 FTL은 섹터 매핑 기법을 적용하고 merge 동작 발생 시 블록 정보 테이블의 ISN과 ECN을 참조하여 victim 블록을 선정함으로써 erase 횟수를 줄여 플래쉬 메모리 억세스에 필요한 전체 소요 시간을 줄이고 wear-leveling을 지원한다. 섹터 매핑 기법의 단점인 매핑 테이블의 크기를 줄이기 위하여 동적 할당 기법을 사용하였다.
- 제안한 FTL은 섹터 매핑 테이블과 블록 정보 테이블을 갖는다. 섹터 매핑 테이블은 논리적 주소와 물리적 주소간의 매핑을 위해 필요하며, 블록 정보 테이블은 merge 동작 시 효율적인 victim 블록 선정을 통해 erase와 copy 동작의 수를 줄이기 위하여 존재한다.
대상 데이터
- 섹터 매핑 기법의 단점인 매핑 테이블의 크기를 줄이기 위하여 동적 할당 기법을 사용하였다. 기존의 BAST[2], FAST[6]와 비교하기 위해 mp3 재생기, 동영상 재생기, 웹 브라우저, 문서 편집기의 어플리케이션을 대상으로 실험하였다. 본 연구에서 제안하는 FTL은 기존의 BAST, FAST와 비교하여 각각 평균 72.
- 각각의 어플리케이션에 대한 트레이스 파일의 특징은 3 절의 표 1과 같다. 실험에 사용한 플래쉬 메모리는 1GB (=524,288 sectors)의 용량을 사용하였고, 어플리케이션마다 write 요구가 발생한 LSN은 전체 LSN의 수에 비해 각각30.3%, 42.3%, 69.6%, 64.2%이다. 어플리케이션 #1, #2는 순차적인 write 요구가 많았으며, 어플리케이션 #3, #4는 임의의 write 요구가 많았다.
- 실험에 쓰일 플래쉬 메모리 모델은 삼성 K9WBG08U1M large block NAND 플래쉬 메모리[3]를 사용하였으며, 중요 파라미터들은 표 2에 제시하였다. 실험에 쓰인 disk access pattern은 windows-XP를 기반으로 한 노트북 PC에서 MP3 재생기, 동영상 재생기, 웹 브라우저, 문서 편집기의 어플리케이션을 대상으로 실험하여 추출하였다. 각각의 어플리케이션에 대한 트레이스 파일의 특징은 3 절의 표 1과 같다.
- BAST, FAST와 제안한 FTL 각각을 시뮬레이터로 구현하여 다양한 트레이스 파일들을 적용함으로써 성능을 평가하였다. 실험에 쓰일 플래쉬 메모리 모델은 삼성 K9WBG08U1M large block NAND 플래쉬 메모리[3]를 사용하였으며, 중요 파라미터들은 표 2에 제시하였다. 실험에 쓰인 disk access pattern은 windows-XP를 기반으로 한 노트북 PC에서 MP3 재생기, 동영상 재생기, 웹 브라우저, 문서 편집기의 어플리케이션을 대상으로 실험하여 추출하였다.
데이터처리
- 제안한 FTL 알고리듬을 검증하기 위해 BAST[2], FAST[6]와 각각 비교하였다. BAST, FAST와 제안한 FTL 각각을 시뮬레이터로 구현하여 다양한 트레이스 파일들을 적용함으로써 성능을 평가하였다.
이론/모형
- 제안한 FTL은 섹터 매핑 기법을 적용하고 merge 동작 발생 시 블록 정보 테이블의 ISN과 ECN을 참조하여 victim 블록을 선정함으로써 erase 횟수를 줄여 플래쉬 메모리 억세스에 필요한 전체 소요 시간을 줄이고 wear-leveling을 지원한다. 섹터 매핑 기법의 단점인 매핑 테이블의 크기를 줄이기 위하여 동적 할당 기법을 사용하였다. 기존의 BAST[2], FAST[6]와 비교하기 위해 mp3 재생기, 동영상 재생기, 웹 브라우저, 문서 편집기의 어플리케이션을 대상으로 실험하였다.
- 제안한 FTL 알고리듬은 섹터 매핑 기법을 사용한다. 기존의 섹터 매핑 테이블은 초기에 모든 LSN에 대한 PSN의 맵을 가지고 있어, m개의 LSN이 존재하는 시스템에서 이와 같은 매핑 기법을 사용할 경우 m열의 매핑 테이블을 필요로 한다[5].
성능/효과
- 본 절에서는 파일 시스템이 write 동작을 요구할 때, 제안한 FTL이 처리하는 알고리듬을 설명한다. 3.2절에서 언급하였듯이 첫 번째 write 동작이 수행되기 전에 플래쉬 메모리의 모든 섹터와 섹터 매핑 테이블은 비어 있고 블록 정보 테이블의 ISN, ECN은 모두 0으로 초기화 되어 있다.
- LAST도 로그 버퍼를 기반으로 하며, 임의의 write를 위한 로그 버퍼를 hot partition과 cold partition으로 나누었다. LAST는 locality를 고려하여 기존의 FTL에 비해 성능이 향상되었으나 locality detector의 오버헤드가 크고 섹터 매핑 기법을 적용하였을 때보다 공간 활용도 및 속도가 떨어진다.
- 동적 할당 기법을 사용하면 전체 LSN의 수와 비교하여 write 동작이 요구되는 LSN의 수는 적으므로 섹터 매핑 기법의 단점인 매핑 테이블 크기를 줄일 수 있다.노트북 PC에서 mp3 재생기, 동영상 재생기, 웹 브라우져, 문서 편집기의 어플리케이션에 대하여 실험한 결과 표 1과 같이 각 어플리케이션마다 전체 LSN의 수 중 30.3%, 69.6%, 61.3%, 64.2%의 LSN에 억세스하였다. 실험 결과가 제시하듯이 중복되는 LSN에 대한 write 요구가 많으므로 동적 할당 기법을 적용함에 따라 매핑 테이블이 차지하는 SRAM의 공간을 줄일 수 있다.
- BAST[1]의 경우 매핑 테이블의 크기는 8*1024*32*2B = 524,288B 이고 FAST[6]는 8*1024*31*2B + 8*1024*64*2B = 1,556,480B의 크기를 갖는다. 매핑 테이블의 크기와 플래쉬 메모리의 용량(32 GB)의 합을 비교해 보면, 제안한 FTL을 사용할 경우 BAST, FAST에 비해 최대 0.96%, 0.93%의 면적이 증가된다. 앞서 언급하였듯이 제안한 FTL은 동적 할당 기법을 사용하여 매핑 테이블의 크기를 줄인다.
- 본 연구에서 제안하는 FTL은 기존에 write된 LSN에 대한 write 요구가 많을수록 성능이 향상된다. 추후에 write 요구의 지역성을 고려하여 어드레스를 할당하는 기법을 연구할 필요가 있다.
- 기존의 BAST[2], FAST[6]와 비교하기 위해 mp3 재생기, 동영상 재생기, 웹 브라우저, 문서 편집기의 어플리케이션을 대상으로 실험하였다. 본 연구에서 제안하는 FTL은 기존의 BAST, FAST와 비교하여 각각 평균 72.37%, 61.93%의 erase 동작의 횟수를 줄였으며, 면적에서는 BAST, FAST에 비해 최대 0.96%, 0.93%의 작은 증가를 보였다. 이는 전체 플래쉬 메모리 시스템에 비추어 볼 때 미미한 수준의 증감이다.
- 2%의 LSN에 억세스하였다. 실험 결과가 제시하듯이 중복되는 LSN에 대한 write 요구가 많으므로 동적 할당 기법을 적용함에 따라 매핑 테이블이 차지하는 SRAM의 공간을 줄일 수 있다.
- 표 4는 본 논문에서 사용한 각각의 어플리케이션에 대한 면적 증감을 나타낸다. 실험 결과에서 보듯이 0.96%, 0.93% 보다 작은 면적 증감이 나타남을 알 수 있다. 제안한 FTL을 사용할 때 전체 LSN의 수 중 write된 LSN의 수가 작을수록 면적이 감소한다.
- 9%의 erase 횟수가 감소하였다. 어플리케이션 #1과 같이 특정 LSN에 대한 write 요구가 중복될 경우 77.3%, 72.3%로 가장 많은 성능 향상을 얻을 수 있었다. BAST[2]와 FAST[6]는 순차적인 write 요구가 많을 때 erase 횟수가 줄어드나 실험에 사용한 disk access pattern을 분석하였을 때 순차적인 write 요구는 많지 않았다.
- FAST는 로그 블록을 순차적인 write를 위한 로그 블록과 임의의 write를 위한 로그 블록으로 나눈다. 임의의 write를 위한 로그 블록은 섹터 간의 연관성(Full-associativity)을 가짐으로써 로그 블록 공간의 효율성을 높였다. FAST는 BAST에 비해 erase 횟수를 줄이고 성능이 향상되었지만, 섹터 매핑 기법을 사용할 때보다 erase 횟수가 많아 성능이 떨어지고, 메모리 공간 활용을 최대화하지 못한다.
- 제안한 FTL은 동적 할당 기법을 적용하여 섹터 매핑 테이블의 크기를 줄이고, 블록 정보 테이블을 이용하여 효율적인 victim 블록 선정을 통해 erase와 copy의 횟수를 줄일 수 있다. 기존의 블록 매핑 기법을 적용한 BAST, FAST에서 full merge의 경우 2번의 erase와 valid한 섹터 수만큼의 copy 동작이 필요했으나[2,6] 제안한 FTL의 merge 동작은 ISN이 가장 많은 블록을victim 블록으로 선택하여 한 번의 erase와 valid한 섹터 수만큼의 copy 동작을 요구한다.
- 제안한 FTL은 섹터 매핑 기법을 적용하여 위와 같은 성능 향상을 얻었으나 블록 매핑 기법을 사용 하였을 때보다 매핑 테이블의 크기가 커지는 단점이 있다. 32GB의 NAND 플래쉬 메모리 기반의 반도체 디스크를 기준으로 매핑 테이블의 크기를 BAST[2], FAST[6]와 비교하였다.
- BAST[2]와 FAST[6]는 순차적인 write 요구가 많을 때 erase 횟수가 줄어드나 실험에 사용한 disk access pattern을 분석하였을 때 순차적인 write 요구는 많지 않았다. 제안한 FTL은 순차적인 write 요구에 상관 없이, 이미 write된 LSN에 대한 write 요구가 많을수록 erase 횟수가 줄어든다.
- 각각의 어플리케이션에 대한 erase 횟수 비교는 표 3에 제시되었으며 그림 5는 실험 결과의 그래프를 보인다. 제안한 FTL을 BAST, FAST와 비교하였을 때 평균 72.4%, 61.9%의 erase 횟수가 감소하였다. 어플리케이션 #1과 같이 특정 LSN에 대한 write 요구가 중복될 경우 77.
- 이는 전체 플래쉬 메모리 시스템에 비추어 볼 때 미미한 수준의 증감이다. 제안한 FTL을 사용하여 erase 횟수를 줄임으로써 플래쉬 메모리 억세스에 필요한 시간을 줄일 수 있다.
- 93% 보다 작은 면적 증감이 나타남을 알 수 있다. 제안한 FTL을 사용할 때 전체 LSN의 수 중 write된 LSN의 수가 작을수록 면적이 감소한다.
후속연구
- 본 연구에서 제안하는 FTL은 기존에 write된 LSN에 대한 write 요구가 많을수록 성능이 향상된다. 추후에 write 요구의 지역성을 고려하여 어드레스를 할당하는 기법을 연구할 필요가 있다.
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