[논문]SSD를 위한 최적화 파일시스템

박제호

SSD를 위한 최적화 파일시스템
An Optimized File System for SSD 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.9 no.2, 2010년, pp.67 - 72

Abstract ▼ AI-Helper

Recently increasing application of flash memory in mobile and ubiquitous related devices is due to its non-volatility, fast response time, shock resistance and low power consumption. Following this trend, SSD(Solid State Disk) using multiple flash chips, instead of hard-drive based storage system, started to widely used for its advantageous features. However, flash memory based storage subsystem should resolve the performance bottleneck for writing in perspective of speed and lifetime according to its disadvantageous physical property. In order to provide tangible performance, solutions are studied in aspect of reclaiming of invalid regions by decreasing the number of erasures and distributing the erasures uniformly over the whole memory space as much as possible. In this paper, we study flash memory recycling algorithms with multiple management units and demonstrate that the proposed algorithm provides feasible performance. The proposed method utilizes the partitions of the memory space by utilizing threshold values and reconfigures the management units if necessary. The performance of the proposed policies is evaluated through a number of simulation based experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

관리영역 내부에 적용되는 소거 대상 방법론은 검색 영역을 축소하여 기존 방법론이 필요로 하는 검색 비용을 감소시키고, 동시에 전역 검색이 아닌 집합 개념에 기반을 둔 방법론이다. 또한 이 방법론은 잠재적인 성능의 감소의 최소화를 통해 효용 대비 비용 효과를 최적화하는 것이다.
또한 제안하는 방법론은 논리적 관리영역 계층 구성을 위해, 서로 다른 관리영역간의 균등소거 정도의 차이가 현저해졌을 때, 관리영역의 논리적 구성을 재편성하여 관리영역 간 균등소거 분포를 최적화하는 것을 목표로 한다.
이를 보정하기 위해서는 관리영역 뿐 아니라, 전체 영역에서의 균등소거를 할 수 있는 블록들을 대상으로 삼아야 할 것이다. 본 논문에서 제안하는 관리영역 간의 균등소거 보정을 방법론은 관리영역의 균등소거의 현저한 차이를 보이는 두 관리영역의 최우선 순위의 하부영역을 교체하여 관리영역의 구성을 재편성하는 것이다. 이를 통해 관리영역 내부의 균등소거를 유지할 뿐 아니라, 전체 메모리 영역의 균등소거를 개선하고자 하는 것이다.
블록 소거는 소요 시간이 클 뿐 아니라 전력 소모량이 다른 동작에 비해 많다. 블록 재활용 정책의 목적은 소거 횟수를 최소화하여 전력 소비와 반응 속도 측면에서 시스템 성능을 개선하는 동시에 일부 블록에 소거가 집중되는 것을 방지하여 전체 메모리 영역의 생명 주기를 연장하기 위해 균등소거(even wear leveling)를 유지하는 것이다. 균등소거 문제는 비결정 다항식(NP-Hard: Non-deterministic Polynomial Hard)문제로 증명되었다[6,7].
실험의 목표는 제안하는 플래시 메모리 기반 저장매체를 위한 파일시스템의 유효성을 실험을 통해 검증하는데 있다. 실험에 사용된 플래시 메모리 모델은 전형적인 모델을 구성하였으며, 전체 플래시 메모리 기반 저장매체의 모델링은 일반적 모델을 사용하여 구현하였다.
이 논문에서는 이러한 하부영역의 분할이 가져올 수 있는 특성을 분석하고, 이를 해결할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 또한, 성능 분석을 위해 수행한 실험의 결과를 예시한다.
반대로 자료의 갱신이 거의 없는 정적 공간을 소거 대상 검색에 포함시키는 정적 균등소거법을 채택할 경우, 균등소거는 개선될 수 있지만, 검색 영역의 확장과 갱신이 되지 않는 페이지의 이동이 빈번하게 발생하여, 성능 개선에 대한 필요 비용은 높아지게 될 것이다. 이 문제를 효과적으로 접근하기 위해, 본 논문에서는 정적/동적 공간 개념과 관리 영역을 하나의 모델에 구현하는 것을 제안한다. 이 모델은 정적/동적 공간 개념은 논리적 파일 시스템 계층이고, 관리 영역은 플래시메모리의 물리적 계층이라는 점에 바탕을 두고 있다.
본 논문에서 제안하는 관리영역 간의 균등소거 보정을 방법론은 관리영역의 균등소거의 현저한 차이를 보이는 두 관리영역의 최우선 순위의 하부영역을 교체하여 관리영역의 구성을 재편성하는 것이다. 이를 통해 관리영역 내부의 균등소거를 유지할 뿐 아니라, 전체 메모리 영역의 균등소거를 개선하고자 하는 것이다. 본 논문에서 제안하는 플래시 메모리 관리의 유효성은 시뮬레이션 기반 실험을 통해 검증하였다.

가설 설정

두 개의 서로 다른 관리영역 m과 n에 속하는 블록 중 우선적으로 소거의 대상이 블록 중 우선 대상이되는 하부영역을 R_m(i)와 Rn(j)라고 할 때, 이 두 하부영역에 속하는 블록들은 각기 관리영역의 균등소거를 개선하는 측면에서 선택될 것이다. 만일, 관리영역 m의 R_m(i)에 속하는 블록들의 속성값이 R_m(i)와 R_n(j)의 합집합에서도 우선적으로 소거 대상으로 선택된다면, R_m(i)에서 소거 대상을 선택하는 것은 해당 관리영역 뿐 아니라 관리영역 외부에 대한 균등소거에도 공헌할 것이다. 하지만, 합집합에서 선택의 낮은 우선순위를 가지는 R_n(j)은 해당 관리영역의 균등소거에는 공헌을 할 수 있지만, 전역적인 측면에서는 공헌도가 낮게 된다.

제안 방법

관리영역 내부에서 소거 대상 블록을 선택하는 알고리즘으로 무작위 선택(Random), 탐욕적 선택(Greedy)을 구현하고, 또한 제안하는 분할 기반(PSetBased) 방법론을 구현하여 유효성 분석을 위하여 사용하였다. 분할 기반 방법론에 사용된 분할 수는 메모리 모듈 내부에 대한 기존의 성능 분석을 통해 결정된 값 6을 사용하였다.
이를 통해 관리영역 내부의 균등소거를 유지할 뿐 아니라, 전체 메모리 영역의 균등소거를 개선하고자 하는 것이다. 본 논문에서 제안하는 플래시 메모리 관리의 유효성은 시뮬레이션 기반 실험을 통해 검증하였다.
실험의 목표는 제안하는 플래시 메모리 기반 저장매체를 위한 파일시스템의 유효성을 실험을 통해 검증하는데 있다. 실험에 사용된 플래시 메모리 모델은 전형적인 모델을 구성하였으며, 전체 플래시 메모리 기반 저장매체의 모델링은 일반적 모델을 사용하여 구현하였다.
접근 빈도수가 높은 영역(Hot Access Area)과 사용 빈도수가 낮은 영역(Cold Access Area)을 설정하고, 접근 발생 시 접근의 종류를 조절하여 접근 집약성을 구현하였다. Hot Access 영역에 대한 페이지 접근을 전체 페이지 접근의 80%로 설정하였다.

성능/효과

본 논문에서 제안하는 균등소거 방법론은 메모리 재활용을 위한 소거 대상 블록 선택에 소비되는 비용을 줄이기 위해 부분적 최적값이 아닌 근사 최적값에 기반하여 균등소거의 불균형을 가져오는 고정된 관리영역의 구성을 동적으로 재구성할 수 있는 기능을 부여하여, 전체 메모리 영역에서 불균형적인 소거 분포를 완화한다. 유효가능성 검증을 위해 본 논문에서는 시뮬레이션 기반 환경을 구축하여 실행한 실험 결과를 통해 제안된 방법론의 유효성을 검증하였으며, 제안하는 방법론이 우수한 성능을 가지고 있음을 보였다.
본 논문에서 제안하는 균등소거 방법론은 메모리 재활용을 위한 소거 대상 블록 선택에 소비되는 비용을 줄이기 위해 부분적 최적값이 아닌 근사 최적값에 기반하여 균등소거의 불균형을 가져오는 고정된 관리영역의 구성을 동적으로 재구성할 수 있는 기능을 부여하여, 전체 메모리 영역에서 불균형적인 소거 분포를 완화한다. 유효가능성 검증을 위해 본 논문에서는 시뮬레이션 기반 환경을 구축하여 실행한 실험 결과를 통해 제안된 방법론의 유효성을 검증하였으며, 제안하는 방법론이 우수한 성능을 가지고 있음을 보였다.
특정 관리영역에 대한 탐색결과는 전체메모리 영역을 탐색 대상으로 하는 방법론의 결과와는 차이가 있을 것으로 예상할 수 있다. 최적의 속성값을 가진 블록 소거는 소거 균등성을 개선한다는 점을 고려할 때, 전체 대상 블록 중에서 무작위 선택을 적용하는 것보다 하부 탐색영역 Rm(K)에서 무작위 선택을 하는 것이 개선된 효과를 가져올 것이다. 이는 하부영역 Rm(K)에 속하는 블록들은 높은 최적성을 가지고 있어, 전체 소거 대상 집합에서 최적성의 고려 없이 무작위 선택을 적용한 것보다 개선된 결과를 보여줄 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플래시 메모리칩을 이용한 저장매체에 필요한 다계층 소프트웨어 구조의 구성은 어떠한가?	이러한 장치들은 감소된 부피, 외부 충격에 대한 내구성, 낮은 소비전력, 빠른 응답시간이라는 플래시메모리의 우수성을 효과적으로 응용한 제품들이다. 플래시 메모리칩을 이용한 저장매체는 플래시 메모리 드라이버,플래시 변환 계층(FTL, Flash Translation Layer), 플래시 메모리 파일 시스템 등으로 구성되는 다계층 소프트웨어 구조의 지원이 필요하다[4].
	플래시 메모리의 구성은 어떠한가?	플래시 메모리는 읽기/쓰기 단위가 되는 2/4 Kbyte크기의 페이지들로 구성되는 64/128 Kbyte크기의 블록들로 구성되며, 관리영역은 블록의 집합으로 구성되는 것을 Fig. 1에 보였다.
	SSD는 플래시 메모리의 어떤 장점을 응용하여 만든 것인가?	초기 응용단계에서는 단일 플래시 메모리칩을 휴대폰, MP3플레이어, PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, 디지털카메라 등 소형 모바일 기기의 보조저장매체로서 사용하였으나, 지금은 다수의 플래시 메모리를 통합해 하나의 저장매체 시스템으로 사용하는 SSD(Solid State Disk)로 구성하여 소형 컴퓨터 또는 유비쿼터스 시스템의 저장매체로 이용하고 있다[1-3]. 이러한 장치들은 감소된 부피, 외부 충격에 대한 내구성, 낮은 소비전력, 빠른 응답시간이라는 플래시메모리의 우수성을 효과적으로 응용한 제품들이다. 플래시 메모리칩을 이용한 저장매체는 플래시 메모리 드라이버,플래시 변환 계층(FTL, Flash Translation Layer), 플래시 메모리 파일 시스템 등으로 구성되는 다계층 소프트웨어 구조의 지원이 필요하다[4].

참고문헌 (9)

Mei-Ling Chiang and Ruei-Chuan Chang. "Cleaning Policies in Mobile Computers Using Flash Memory." Journal of Systems and Software, Vol.48, No.3, pp.213-231, 1999.

상세보기
Brian Dipert, "Solid-state Drives Challenge Hard Disks", EDN, Vol.53, No.23, 2008.
Sang Lyul Min and Eyee Hyun Nam. "Current Trends in Flash Memory Technology" In Proc. of ASP-DAC 2006, Yokohama, Japan, January 24-27, 2006.
Eran Gal and Sival Toledo, "Algorithms and Data Structures for Flash Memories", ACM Computing Surveys, Vol.27, No.2, pp.138-163, 2005.
M. Rosenblum and J. K. Ousterhout. "The Design and Implementation of a Log-Structured File System." ACM Trans. Computer Systems, Vol.10, No.1, pp.26-52, 1992.

상세보기
Lin-Pin Chang and Tei-Wei Kuo, "An Efficient Management Scheme for Large-Scale Flash-Memory Storage Systems", Proc. Of the 2004 ACM symposium on applied computing, pp.862-868, 2004.
A. Jiang et. Al, "Storage Coding for Wear Leveling in Flash Memories", CoRR, abs/0911.3992, 2009.
Amir Ban, "Wear Leveling of Static Areas in Flash Memory", United States Patent, no.0184432.
Jen-Wei Hsieh, Li-Pin Chang and Tei-Wei Kuo. "Efficient On-line Identification of Hot Data for Flash-Memory Management", In SAC, pp.838-842, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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