[논문]저전력과 응답시간 향상을 위한 하이브리드 하드디스크의 입출력 기법

김정원

doi:10.9708/jksci.2011.16.10.023

저전력과 응답시간 향상을 위한 하이브리드 하드디스크의 입출력 기법
I/O Scheme of Hybrid Hard Disk Drive for Low Power Consumption and Effective Response Time 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.16 no.10, 2011년, pp.23 - 31

초록
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최근 전력소모와 읽기 성능이 우수한 Solid state disk(SSD)가 많이 사용되고 있으나 가격이 고가이고 삭제 및 쓰기 연산의 효율이 낮은 것이 단점이다. 이것을 보완하기 위한 저장장치의 일종이 하이브리드 하드디스크 (H-HDD: Hybrid Hard disk drive)인데 하드디스크 내부에 플래시 메모리(NVCache: Non-volatile Cache)를 장착하여 디스크블록의 캐시로 사용한다. 본 논문에서는 H-HDD의 저전력과 응답시간을 향상시키기 위해 NVCache의 선반입 및 관리 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 NVCache를 읽기 캐시를 위주로 사용하고 쓰기캐시는 디스크 헤드와 스핀들의 상황에 따라 쓰기 연산을 지원한다. 읽기 캐시의 경우 시간적, 지역적 지역성을 동시에 고려하여 선반입을 통해 응답시간과 전력 소모를 감소시키고 쓰기 캐시의 경우 디스크 스핀들의 동작 상태에 따라 NVCache에 쓰기를 실시하여 저전력과 응답성을 향상시키고자한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, Solid state disk is mainly used because this device has lower power consumption as well as higher response time. But it features higher price and lower performance at delete and write operations compared with HDD. To compensate this defect, Hybrid hard disk with internal non-volatile flash memory was issued. This NVCache is used as a kind of cache for disk blocks. In this paper, an I/O scheme for H-HDD is proposed for improving low power consumption as well as response time. Our method is to use this NVCache as read cache mainly and write cache when write requests are concentrated. In read cache operation, disk blocks with higher priority determined on basis of time as well as spatial localities are prefetched, which can improve response time. The write operation is conducted only at write peak time as disk spindle up costs higher battery power as well as response time. Experiments results show that the suggested method can improve response time of H-HDD and lower the power consumption.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 일부 연구들이 NVCache를 쓰기용도로도 사용하고 있는데 플래시메모리의 쓰기 연산이 하드디스크에 비해 비효율적이고 쓰기 요구가 집중될 경우 NVCache가 병목현상을 초래할 수 도 있다. 따라서 본 연구에서는 플래시메모리에서 페이지를 읽는 중에 스핀들 모터를 동작시키는 횟수를 감소시키면서 H-HDD의 읽기 및 저전력 성능을 향상 시키고 쓰기 연산은 스핀들 모터가 유휴상태나 휴면상태일 경우만 동작하도록 하여 응답시간과 전력소모를 향상시키는 기법을 제안하고자 한다.
또한 블록 단위의 캐시는 사용 빈도가 높은 데이터뿐만 아니라 시스템의 응답성과 전력소모를 감소시키기 위한 목적으로 인접한 블록까지 선반입한다. 본 논문에서는 사용자의 접근패턴을 분석하여 자주 사용되는 파일들과 페이지들을 NVCache에 선반입하여 시스템의 응답성을 향상시키고 전력소모를 감소시키고자 한다.
본 논문에서는 플래시 메모리를 사용하는 H-HDD의 응답성과 전력소모를 감소시키기 위한 NVCache 관리 기법을 제시하였다. 제안하는 기법은 응답성을 향상시키기 위하여 주기 당 디스크 큐를 서비스하고 남은 여유 시간에 블록의 공간적, 지역적 우선순위를 고려하여 NVCache에 파일 및 블록을 선반입한다.
따라서 삭제 및 쓰기 연산을 제한시켜서 전력소모, 수명, 그리고 시스템의 응답성을 동시에 만족시킬 수 있는 방법이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 점을 감안하여 H-HDD에 대한 부하가 낮을 때는 HDD에 쓰기 연산을 수행하고 부하가 높거나 H-HDD의 상태가 유휴 또는 대기, 휴면 상태일 경우에만 쓰기 연산을 NVCache에 허용하는 기법을 제안한다. 이 기법은 NVCache에는 빈번한 쓰기 연산을 실행하지 않아 수명을 연장시키고 디스크 헤드가 움직이지 않을 경우만 NVCache에 쓰기 연산을 실시하여 응답성을 향상시키고 전력소모를 감소시킬 수 있다.
다음은 블록단위 선반입 알고리즘에 대하여 설명한다. 선반입의 목적은 디스크 큐의 서비스 시간과 NVCache에 여유가 있을 때 블록을 미리 복사하여 시스템의 응답성을 향상시키고 스핀다운 상황에서 페이지 요구가 발생했을 때 가능한 스핀업의 횟수를 감소시키고 불가피하게 스핀업을 하더라도 사용자의 대기시간을 감소시키는 것이다. 선반입을 위한 고려 요소는 선반입시기, 대상 블록, 그리고 선반입을 위한 최소 개수이다.
HDD의 스핀들 모터가 동작 중에는 추가의 전력 소모가 필요 없으나 스핀다운에서 스핀업될 때는 모터가 다시 동작하므로 상당한 전력소모를 필요로 하므로 스핀다운/업의 횟수를 줄이는 것이 모바일 응용을 위한 H-HDD의 핵심 기술 중의 하나이다. 이 스핀다운/업 회수를 최소화하기 위해서는 호스트에서 요구하는 페이지가 플래시에서 히트되는 확률을 높이면 되는데 본 연구에서는 운영체제가 요구하는 시스템 데이터, 그리고 사용자가 특정 기간 동안 자주 사용하는 데이터는 파일 단위로 NVCache에 선반입하고 그렇지 않은 데이터는 페이지 단위로 NVCache에 선반입시켜서 스핀들 모터의 스핀다운/업 횟수를 감소시키고자 한다. 또한 스핀들 모터가 동작모드(Active mode)일 경우는 하드디스크에 쓰기 연산을 수행하고 유휴상태이거나 휴면 상태일 경우는 NVCache에 쓰기 연산을 수행하면 응용프로그램에게 높은 응답성뿐만 아니라 저전력성을 제공할 수 있을 것이다.
제안하는 기법의 성능을 확인하기 위하여 다양한 실험을 실시하였는데 실험의 목적은 선반입을 통하여 읽기 및 쓰기 연산에 있어서 응답시간의 향상, 전력의 사용의 감소를 확인하는 것이다.

제안 방법

NVCache로의 선반입을 위하여 본 논문에서는 파일단위와 블록단위로 구분하여 알고리즘을 적용한다. 파일단위는 시스템의 부팅과 종료가 반복되는 동안 접근횟수를 파일시스템이 유지하여 접근 빈도가 높은 파일을 NVCache에 선반입을 시키는데 NVCache의 용량이 상당히 제한적이므로 주로 시스템 파일이나 사용자가 최근 접근 빈도가 높은 파일이 선반입의 대상이 된다.
알고리즘의 동작 시기는 디스크 큐의 서비스 시간이 여유가 있을 때 실시한다. 또한 복사 위치는 플래시 메모리의 수명을 연장하기 위하여 정적 웨어레벨링(static wear leveling)을 적용한다.
보다 정확한 실험을 위해서는 실제 H-HDD의 펌웨어를 재구성해야 하는데 이것은 현실적으로 곤란하므로 시게이트사의 H-HDD인 Momentus® XT(ST93205620AS)의 사양을 사용하여 프로그래밍하였다.
만약 NVCache에 존재하지 않으면 디스크헤드를 탐색하여 필요한 페이지를 가상메모리의 페이지 리스트에 복사하게 된다. 본 연구에서는 일반 운영체제의 메모리 캐시와 같이 하드디스크 블록이 메인 메모리에 캐싱되는 것처럼 NVCache에 즉각 캐싱되는 것이 아니라 사용자의 접근 빈도나 우선순위를 고려하여 NVCache에 선반입하는 구조이다. 이것은 NVCache의 용량이 제한적이고 블록 복사 횟수를 감소시키기 위한 것이다.
선반입의 시기를 결정하기 위해서 디스크의 성능을 참고하여 디스크큐의 크기를 결정한다. 디스크 스케줄링 알고리즘이 SCAN일 경우 디스크 헤드의 full-strock 시간동안 읽을 수 있는 블록의 개수를 디스크 큐의 크기로 정한다.
그림에서 ‘proposed scheme'은 논문에서 제안하는 기법이고 비교를 위하여 ’read only'는 NVCache를 읽기 캐시로 사용하는 경우이고, ‘read+write'는 읽기 및 쓰기 캐시로 사용하는 경우이다. 실험에서의 부하는 디스크 큐에 쓰기 연산이 10%에서 90%까지 변할 때 세 가지 기법의 총 응답 시간을 측정하였다. 제안하는 기법이 나머지 두 기법에 비하여 응답 시간이 우수한 것을 볼 수 있는데 제안 기법이 선반입을 통하여 NVCache에 히트율이 높기 때문이다.
전력의 소모는 각 주기에서 요구블록을 서비스하는 데 소모되는 양, 남은 주기 동안(유휴 또는 대기모드) 소모되는 양, 그리고 선반입을 위해 필요한 양의 합으로 나타낼 수 있다. 읽기와 쓰기의 전력소모가 다르므로 읽기 블록은 수식 (5), 쓰기 블록은 수식 (6)을 적용하였다.
제안하는 기법에서는 NVCache에 두 가지 형태의 캐시 데이터를 유지하는데 파일 단위의 캐시와 블록 단위의 캐시이다. 물론 캐싱된 파일도 블록의 집합이므로 파일 단위의 캐시는 파일에 속한 모든 블록이 캐싱되어 있는 형태이다.
본 논문에서는 플래시 메모리를 사용하는 H-HDD의 응답성과 전력소모를 감소시키기 위한 NVCache 관리 기법을 제시하였다. 제안하는 기법은 응답성을 향상시키기 위하여 주기 당 디스크 큐를 서비스하고 남은 여유 시간에 블록의 공간적, 지역적 우선순위를 고려하여 NVCache에 파일 및 블록을 선반입한다. 여유 시간에 선반입을 하게 되므로 서비스의 끊김 현상이 감소하고 HDD의 스핀업시 소모되는 전력소모를 감소시킬 수 있다.
제안하는 기법의 성능을 측정하기 위해 H-HDD 시뮬레이터를 작성하여 실험을 진행하였다. 실험에서는 윈도우7에서 매트랩 및 시뮬링크를 사용하여 시뮬레이터를 작성하였다.
플래시 메모리의 쓰기 연산의 비효율성을 감안하여 본 논문에서는 디스크큐의 서비스가 복잡하고 스핀들이 유휴, 대기 및 휴면 상태일 경우만 NVCache에 쓰기 연산을 수행하고 여유가 있을 경우는 HDD에 쓰기 연산을 수행한다. 만약 NVCache에 존재하는 블록일 경우는 일관성 문제가 발생하므로 해당 블록을 무효화시키고 디스크 큐의 서비스 시간이 남는 타임 슬롯에 우선순위에 의하여 해당 블록을 다시 복사한다.

대상 데이터

제안하는 기법의 성능을 측정하기 위해 H-HDD 시뮬레이터를 작성하여 실험을 진행하였다. 실험에서는 윈도우7에서 매트랩 및 시뮬링크를 사용하여 시뮬레이터를 작성하였다. 보다 정확한 실험을 위해서는 실제 H-HDD의 펌웨어를 재구성해야 하는데 이것은 현실적으로 곤란하므로 시게이트사의 H-HDD인 Momentus® XT(ST93205620AS)의 사양을 사용하여 프로그래밍하였다.

성능/효과

그림에서 ’prefetch‘는 수식 (2)에 의하여 선반입을 하는 경우 이고 ‘prefetch+n’은 선반입의 크기에 따른 성능 비교를 위해 n% 블록을 추가한 경우이다. 그림에서 보듯이 제안하는 기법이 선반입 양을 증가한 나머지 기법보다 평균 15% 이상의 성능 개선을 보이고 있다. 선반입 블록의 수를 증가하더라도 응답시간이 개선되지 않는데 이것은 선반입을 하기위해 추가의 디스크 헤드 이동이 소요되고 이것이 전체 응답시간을 증가시키기 때문이다.
그림 8에서 보듯이 제안하는 기법이 두 기법에 비하여 낮은 전력 소모를 보이는데 이것은 스핀다운 상태에서 제안 기법은 NVCache에 쓰기 연산을 수행하므로 스핀업의 전력 소모를 최대한 감소시키기 때문이다. 두 기법은 스핀다운 상태에서도 HDD에 쓰기 연산을 수행하므로 유휴 또는 대기모드의 횟수가 증가할수록 더 많은 전력소모를 요구하는 것으로 분석된다. 또한 ‘read+write'기법은 ’read only'기법에 비해 전력소모가 다소 적은데 이것은 NVCache에 쓰기 연산을 수행하기 때문이다.

후속연구

쓰기 연산의 경우 디스크 쓰기 연산이 집중되거나 유휴 또는 대기 상태에서만 NVCache에 쓰기 연산을 수행하여 시스템의 응답성과 전력 소모를 제한적이나마 향상시킬 수 있다. 따라서 모바일 응용에 본 연구의 결과가 구현된다면 H-HDD의 입출력 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하드디스크는 전원이 인가된 후 어떤 상태를 반복하는가?	하드디스크는 전원이 인가된 후 스핀업(Spinup), 활성상태(Active), 유휴상태(Idle), 대기상태(Standby), 휴면상태(Sleep) 상태를 반복한다. 이중 대기상태와 휴면상태는 스핀들(spindle)이 회전하지 않는 상태로 다시 스핀업하기 위해서는 상당량의 전력을 필요로 한다.
	SSD의 장단점은 무엇인가?	이를 해결하기 위하여 플래시 메모리를 병렬로 연결하여 하드디스크를 대체하고 있는 저장장치가 SSD(Solid state drive)이다. 이 플래시 메모리는 전력소모가 적고, 랜덤 접근 성능이 우수하며 충격에 강한 장점을 가지고 있는 반면 가격이 하드디스크에 비해 월등히 고가이고, 삭제하기 전에는 기록할 수 없으며 읽기, 쓰기 및 삭제 연산 값이 다르다는 특징이 있다. SSD에 사용되는 낸드 플래시 메모리에는 SLC(Single level cell), MLC(Multi level cell)타입이 있는데 SLC는 속도가 빠르고 수명이 길지만 가격이 비싸며, MLC는 속도는 느리고 수명은 짧지만 용량이 크고 가격이 저렴한 특징이 있다.
	SSD와 HDD의 장점을 상호 보완하는 기술에는 무엇이 있는가?	한편, SSD와 HDD의 장점을 상호 보완하는 기술들이 등장하고 있는데 윈도우의 레디부스트(Ready boost), 인텔의 터보 메모리(Turbo memory), 그리고 하이브리드 하드디스크 등이다. 윈도우 비스타와 윈도우 7은 레디부스트 기능을 기본적으로 탑재하고 있는데, 이것은 일반적인 하드디스크를 사용하고 있는 PC에 플래시 메모리를 설치하여 이를 시스템 데이터용으로 사용하여 성능을 높이는 기능이다[1].

참고문헌 (13)

R.Panabaker, "Hybrid hard disk & ReadyDrive technology: improving performance and power for Windows Vista mobile PCs," Proc. of Microsoft WinHEC, Feb 2006.
Hong-jae Lee, "Toward Understanding Hard Disk," Electronic Times, April 2003.
Park S.H. Park et al, "A Mixed Flash Translation Layer Structure for SLC-MLC Combined Flash Memory System," International Workshop on Storage and I/O Virtualization, Performance, Energy, Evaluation and Dependability, Aug 2008.
S. Im and D. Shin, "Storage Architecture and Software Support for SLC/MLC Combined Flash Memory," Proc. of 24th ACM Symposium on Applied Computin g, Sep 2009.
Daniel Pierre Bovet, Marco cesati, "Understanding the Linux Kernel (3/E)," O'REILLY, Nov, 2005.
B. Gill and L. Bathen. AMP: Adaptive multistream prefetching in a shared cache. In Proceeding in a shared cache. In Proceedings of the 5th USENIX Conference on File and Storage Technologies, 2007.6.
Luis Useche, Jorge Guerra, Medha Bhadkamkar, "EXCESS: External Caching in Energy Saveing Storage Systems," Proceedings of the 13th International Symposium on High-Performace Computer Architecture, 2008.7.
Y.J. Kim et al, "I/O Performace Optimization Techniques for Hybrid Disk-Based Mobile Consumer Devices," IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol.53, no.4, 2007.4.
Seongcheol Hong, Dongkun Shin, "Designing Hybrid HDD using SLC/MLC combined Flash Memory," Journal of KIISE : Computing Practices and Letters, vol.6, no.7, 2010.7.
J.S. Yang, Y.W. Go, C.G.Lee, D.H. Kim, "Design and Implementation of Hybrid Disk I/O System based on n-Block Prefetching for Low Power Consumption and High I/O Performance," Journal of KIISE : Computer Systems and Theory, vol.36, no.6, 2009.12.
K.H. Park, G.H. Lee, D.H. Kim, "An Efficient Data Block Replacement and Rearrangement Technique for Hybrid Hard Disk Drive," Computing Practices and Letters, vol.16, no.1, 2010.1.
http://www.seagate.com
http://www.overclockersclub.com/reviews/seagate_momentus_xt_500gb/7.htm

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