과거 20년 동안, 우리는 CPU, 메모리, 네트워크 장비 그리고 하드디스크를 포함한 컴퓨터의 주요 구성 요소에 대하여 눈부신 향상을 보아왔다. 용량 면에서의 굉장한 발전에도 불구하고, 컴퓨터의 구성요소들 중 하드디스크는 처리 시간이 가장 지연되는 장치이고, 가까운 미래에 이러한 문제가 해결될 것이라 예측하기 어렵다. 우리는 NAND 플래시메모리를 이용하여 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 접근 방법을 제시한다. 저장 수단으로서의 플래시 메모리 이용에 대한 연구는 현재 많이 이루어져왔으나, 그러한 연구의 대부분은 모바일이나 내장형 장치에 중점 되어있다. 우리의 연구는 기업 단위의 서버 시스템까지도 아우르는 저장 시스템으로서의 NAND 플래시 메모리를 발전시키는데 목표를 두고 있다. 본 논문은 기존의 저장 시스템 기반의 NAND 플래시 메모리의 단점을 극복하기 위하여 구조적이고 운영 가능한 메커니즘을 제시하고 평가한다.
과거 20년 동안, 우리는 CPU, 메모리, 네트워크 장비 그리고 하드디스크를 포함한 컴퓨터의 주요 구성 요소에 대하여 눈부신 향상을 보아왔다. 용량 면에서의 굉장한 발전에도 불구하고, 컴퓨터의 구성요소들 중 하드디스크는 처리 시간이 가장 지연되는 장치이고, 가까운 미래에 이러한 문제가 해결될 것이라 예측하기 어렵다. 우리는 NAND 플래시메모리를 이용하여 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 접근 방법을 제시한다. 저장 수단으로서의 플래시 메모리 이용에 대한 연구는 현재 많이 이루어져왔으나, 그러한 연구의 대부분은 모바일이나 내장형 장치에 중점 되어있다. 우리의 연구는 기업 단위의 서버 시스템까지도 아우르는 저장 시스템으로서의 NAND 플래시 메모리를 발전시키는데 목표를 두고 있다. 본 논문은 기존의 저장 시스템 기반의 NAND 플래시 메모리의 단점을 극복하기 위하여 구조적이고 운영 가능한 메커니즘을 제시하고 평가한다.
During past 20 years we have witnessed brilliant advances in major components of computer system, including CPU, memory, network device and HDD. Among these components, in spite of its tremendous advance in capacity, the HDD is the most performance dragging device until now and there is little affir...
During past 20 years we have witnessed brilliant advances in major components of computer system, including CPU, memory, network device and HDD. Among these components, in spite of its tremendous advance in capacity, the HDD is the most performance dragging device until now and there is little affirmative forecasting that this problem will be resolved in the near future. We present a new approach to solve this problem using the NAND Flash memory. Researches utilizing Flash memory as storage medium are abundant these days, but almost all of them are targeted to mobile or embedded devices. Our research aims to develop the NAND Flash memory based storage system enough even for enterprise level server systems. This paper present structural and operational mechanism to overcome the weaknesses of existing NAND Flash memory based storage system, and its evaluation.
During past 20 years we have witnessed brilliant advances in major components of computer system, including CPU, memory, network device and HDD. Among these components, in spite of its tremendous advance in capacity, the HDD is the most performance dragging device until now and there is little affirmative forecasting that this problem will be resolved in the near future. We present a new approach to solve this problem using the NAND Flash memory. Researches utilizing Flash memory as storage medium are abundant these days, but almost all of them are targeted to mobile or embedded devices. Our research aims to develop the NAND Flash memory based storage system enough even for enterprise level server systems. This paper present structural and operational mechanism to overcome the weaknesses of existing NAND Flash memory based storage system, and its evaluation.
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문제 정의
또한, 최근 들어 플래시 메모리의 가격이 낮아지고 있다. 그러므로 본 논문에서는 서버용 저장 시스템으로서의 플래시 메모리 저장 장치의 가능성과 그 설계 요건을 분석하고, 이에 기반하여 서버 시스템에 적합한 플래시 메모리 저장장치의 구조를 설계하였다.
본 논문에서는 네트워크 시대, 정보화시대에 급증하는 각종 서버시스템을 위하여, 기존의 HDD 문제점을 보완할 수 있는 새로운 고성능 저장장치를 NAND 플래시 메모리를 이용하여 제작할 수 있는 기술 개발에 그 목표를 두었다. 이에 HiSFA가 설계되었으며, 이 설계를 기반으로 하여 그 성능을 예측할 수 있도록 시뮬레이터를 개발 하였다.
유지보수의 용이성(Easy maintenance): 앞의 고장감내 기능과 연관되어 장애가 발생한 모듈의 교체 및 수리 등, 유지보수작업이 서버 시스템의 작동에 영향을 주지 않고 이루어져야 한다. 실제 저장장치 제품의 제작에 있어서는 이러한 유지보수의 용이성을 고려한 여러 가지 설계들이상당수 기계적 설계에 반영, 즉 각 모듈의 크기, 형태, 탈착의 용이성 등 본 논문의 범위를 넘어서는 바 본 논문에서는 이러한 기계적 특성에 대해서는 언급하지 않고 기능적 특성에 대해서만 유지보수의 용이성을 고려하도록 한다.
제안 방법
이에 HiSFA가 설계되었으며, 이 설계를 기반으로 하여 그 성능을 예측할 수 있도록 시뮬레이터를 개발 하였다. 결과물의 검증에 있어 실제로 HiSFA를 제작하여 실험하는 것이 가장 타당한 검증 방법이겠으나 제한적인 여건상 본 논문에서는 설계된 저장장치의 기능 중 일부만 수행 가능한 프로토타입을 제작하였으며 그 성능을 검증하였다. 그 결과 기존 HDD 기반 RAID 시스템에 비하여 최대 10배 정도의 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
즉, HiSFA의 성능을 검증할 수 있는 프로토타입을 제작함에 있어 HiSFA의 기능 전체를 보유한 프로토타입의 제작은 본 논문의 범위에서는 불가능하므로 HiSFA의 기능 중 일부만을 지원하는 프로토타입을 최대한 단기간에, 최대한 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 접근방법을 택하였다. 그 방법으로 플래시메모리 모듈은 기존의 USB 플래시메모리로 대체하고, 버스는 USB 허브로 대체하였으며 컨트롤러는 PC로 대체하였다(그림 4, 그림 5 참조). 기존의 USB 플래시 메모리를 채용함으로서 발생하는 제한점은 HiSFA의 여러 기능 중 읽기 기능(read operation) 만을 실험할 수 있다는 것이다.
기존의 USB 플래시 메모리를 채용함으로서 발생하는 제한점은 HiSFA의 여러 기능 중 읽기 기능(read operation) 만을 실험할 수 있다는 것이다. 그러므로 본 절에서는 프로토타입의 성능을 실험함에 있어 읽기 기능만의 전송속도 및 응답시간을 실험하였다.
본 논문에서는 첫째, HiSFA의 성능을 실험하고 간접적으로나마 검증하고, 둘째, HiSFA를 실제 제작할 경우 실행착오를 최소화하기 위한 각종 파라메터를 실험할 도구로서의 시뮬레이터를 제작하고 이를 통하여 시뮬레이션을 실행하였다. 본 논문의 지면 관계상 시뮬레이터의 세부적 설명은 생략하도록 하며 대략적인 구조는 아래의 그림 3과 같다.
응답시간의 경우 IOPS에 이미 응답시간이 포함되어 있으므로 별도의 분석이 큰 의미를 가지지 못하나 본 논문의 정량적 목표중 하나가 ‘평균 2ms이내의 응답시간‘을 성취하는 것이므로 응답시간 실험을 수행하였으며 그 결과는 아래의 그래프와 같다.
본 논문에서는 네트워크 시대, 정보화시대에 급증하는 각종 서버시스템을 위하여, 기존의 HDD 문제점을 보완할 수 있는 새로운 고성능 저장장치를 NAND 플래시 메모리를 이용하여 제작할 수 있는 기술 개발에 그 목표를 두었다. 이에 HiSFA가 설계되었으며, 이 설계를 기반으로 하여 그 성능을 예측할 수 있도록 시뮬레이터를 개발 하였다. 결과물의 검증에 있어 실제로 HiSFA를 제작하여 실험하는 것이 가장 타당한 검증 방법이겠으나 제한적인 여건상 본 논문에서는 설계된 저장장치의 기능 중 일부만 수행 가능한 프로토타입을 제작하였으며 그 성능을 검증하였다.
3장에서는 앞절에서 설명한 플래시 메모리의 특성을 고려하면서 대용량 고성능 저장장치를 구성하기 위한 설계 요건을 설명하고, 이를 만족하는 구조 및 작동 메커니즘에 대하여 설명한다. 이후로 본 논문의 결과물인 저장장치의 명칭을 HiSFA(High Speed Flash memory Array)로 지칭하도록 하겠다.
프로토타입의 성능을 기존 HDD 저장장치의 성능과 비교하기 위하여 4개의 HDD로 구성된 RAID 시스템(그림 6 참조)을 동일한 조건하에서 성능 평가하였다.
이론/모형
그러나 JFFS2는 마운트 성능과 읽기/쓰기 성능이 느린 문제가 있었다. 이를 보안하여 개발된 NAND 플래시 메모리 전용 파일 시스템이 YAFFS (Yet Another Flashing File system)[5]이다. 그러나 YAFFS는 JFFS2보다 안정성에서 성능이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
성능/효과
결과물의 검증에 있어 실제로 HiSFA를 제작하여 실험하는 것이 가장 타당한 검증 방법이겠으나 제한적인 여건상 본 논문에서는 설계된 저장장치의 기능 중 일부만 수행 가능한 프로토타입을 제작하였으며 그 성능을 검증하였다. 그 결과 기존 HDD 기반 RAID 시스템에 비하여 최대 10배 정도의 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
높은 IOPS(I/O operations Per Second): HDD의 기록밀도가 증가하면서 전송속도(transfer rate)는 100MB/sec에[15.4K] 접근할 정도로 증가하였으나 접근시간(access time)은 별로 줄어들지 않았다. 다중 사용자의 요구를 동시에 처리하여야 하는 서버시스템의 경우, HDD 플래터(platter) 여기저기에 분산되어 있는 파일들에 접근하여야 하므로 전송속도보다 접근시간이 더욱 중요하다.
본 논문 결과물의 문제점으로는 저장공간당 비용이 기존의 HDD에 비하여 상당히 높다는 점을 들 수 있으나 현재 NAND 플래시 메모리 기술의 빠른 발전에 힘입어 저장공간당 비용이 급격하게 낮아지고 있다는 점과 IOPS당 비용에서는 거의 대등한 수준이라는 점은 본 논문 결과물의 활용에 있어 매우 긍정적이라 할 수 있겠다.
위의 시뮬레이터를 이용한 최초 시뮬레이션을 수행한 결과 실제 프로토타입을 통해 수행한 결과와 너무도 큰 성능 차이를 보이는 바, 이는 버스, 디바이스 드라이버(device driver) 그리고 운영체제의 오버헤드(overhead)가 추정치보다 크기 때문이었다. 이에 프로토타입의 결과를 분석하고 오버헤드 추정치를 수정하여 시뮬레이터를 수행한 결과 프로토타입의 성능 수행 결과와 유사한 결과가 도출되었다.
전송속도 측면에서 스레드가 한 개일 때를 제외하고 HiSFA가 레코드의 크기가 클 때는 2배, 작을 때는 10배 이상의 성능을 보이며 HDD RAID를 성능우위를 보여 주었다. 그림 7의 전송속도(높이)를 보면 1개의 스레드가 16MB크기의 파일을 읽어들일 때 최대의 속도를 보이며 파일 크기가 줄어들수록, 스레드 개수가 늘어날수록 전송속도가 급격히 감소하고 있다.
앞장에서 언급한 바와 같이 HiSFA를 실제로 제작하자면 다수의 컨트롤러 칩과 제어보드, 버스(Bus) 제어부 등 다양한 하드웨어 모듈을 제작하여야 하는 바 기간상으로는 1년 이상, 비용으로는 최소 1억 이상의 비용이 필요하다. 즉, HiSFA의 성능을 검증할 수 있는 프로토타입을 제작함에 있어 HiSFA의 기능 전체를 보유한 프로토타입의 제작은 본 논문의 범위에서는 불가능하므로 HiSFA의 기능 중 일부만을 지원하는 프로토타입을 최대한 단기간에, 최대한 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 접근방법을 택하였다. 그 방법으로 플래시메모리 모듈은 기존의 USB 플래시메모리로 대체하고, 버스는 USB 허브로 대체하였으며 컨트롤러는 PC로 대체하였다(그림 4, 그림 5 참조).
HiSFA의 경우에도 파일(레코드)의 크기가 증가할수록 IOPS가 급감하고 있으나, 64KB 이하에서는 스레드 개수가 많을 수록 IOPS가 증가함을 알 수 있다. 특히 이 결과는 웹 서버의 저장장치로 HiSFA를 사용할 경우 기존의 하드 디스크를 웹 서버의 저장소로 사용한 것보다 훨씬 좋은 성능을 발휘할 것임을 예상할 수 있게 한다. 웹 서버가 클라이언트의 요청에 응답하기 위해 저장소로부터 읽어야 하는 파일의 크기는 수~수십 KB가 대부분이기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플래시 메모리에는 어떤 형태가 있는가?
현재 주로 사용되는 플래시 메모리에는 NOR형과 NAND형 등 두 가지가 있다. 기존에 많이 사용되던 NOR 플래시 메모리는 집적도가 낮고 고가이며 읽기 속도가 빠르지만 쓰기 속도가 느리기 때문에 운영체제나 응용프로그램 등의 코드 저장에 많이 사용되고 있다[1].
NOR 플래시 메모리의 특징은 무엇인가?
현재 주로 사용되는 플래시 메모리에는 NOR형과 NAND형 등 두 가지가 있다. 기존에 많이 사용되던 NOR 플래시 메모리는 집적도가 낮고 고가이며 읽기 속도가 빠르지만 쓰기 속도가 느리기 때문에 운영체제나 응용프로그램 등의 코드 저장에 많이 사용되고 있다[1]. 반면, NAND 플래시 메모리는 단일 칩으로도 대용량이고 NOR 플래시 메모리에 비해 비용도 저렴하며 쓰기 속도가 빠르기 때문에 멀티미디어 데이터의 저장에 많이 사용되고 있다[2].
플래시 메모리가 불안정한 환경에서 동작해야 하고, 그 크기와 전원공급이 제한된 내장형 기기의 저장매체로 적합한 이유는 무엇인가?
비휘발성의 특성을 가진 반도체 저장매체인 플래시 메모리는 집적도가 높고 낮은 소비 전력으로 구동이 가능하다. 또한, 빠른 읽기/쓰기 성능을 보이며 온도와 충격에 대한 강한 내구성을 가지고 있기 때문에, 불안정한 환경에서 동작해야 하고, 그 크기와 전원공급이 제한된 내장형 기기의 저장매체로도 매우 적합하다. 이러한 플래시 메모리의 특성 중, 서버 시스템의 저장장치로서 주목할 만한 특성을 HDD와 비교하면 다음과 같다.
참고문헌 (8)
Intel Corp., "3 Volt Synchronous Intel Strata Flash Memory," http://www.intel.com/.
D. Woodhouse, Red Hat, Inc., "JFFS : The Journaling Flash File System," http://linux-mtd.infradead.org/-dwmw2/jffs2.pdf/.
Aleph One Company, "YAFFS : Yet Another Flash Filing System," http://www.yaffs.net/.
Sang-Oh Park, Sung-Jo Kim, "A Fast Mount and Stability Scheme for a NAND Flash Memory-based File System", Journal of KIISE : Computer System and Theory, Vol.34, No.12, December 2007.
Seung-Ho Lim, Kyu-HoPark, "An Effective NAND Flash File System for Flash Memory Storage", IEEE Transactions on Computers, Vol.55, No.7, JULY 2006.
Sang-Oh Park, Sung-Jo Kim, "An Efficient Multimedia File System for NAND Flash Memory Storage", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.55, No.1, FEBRUARY 2009.
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