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[국내논문] SSD 스토리지 시스템을 위한 효율적인 DRAM 버퍼 액세스 스케줄링 기법
Efficient DRAM Buffer Access Scheduling Techniques for SSD Storage System 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.48 no.7 = no.409, 2011년, pp.48 - 56  

박준수 (성균관대학교 정보통신공학부) ,  황용중 (성균관대학교 정보통신공학부) ,  한태희 (성균관대학교 정보통신공학부)

초록
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최근 NAND 플래시 메모리를 이용한 새로운 저장매체인 SSD(Solid State Disk)가 모바일 기기를 중심으로 HDD(Hard Disk Drive)를 대체하면서 가격대비 성능을 향상시키려는 연구가 다양한 접근 방식을 통해 진행 중이다. 병렬처리를 통한 NAND 플래시 대역폭 향상을 위해 채널수를 확장하면서 호스트(PC)와 NAND 플래시 간의 버퍼 캐시의 역할을 하는 DRAM 버퍼가 SSD 성능 개선의 bottleneck으로 작용하게 되었다. 이 문제를 해소하기 위해 본 논문에서는 DRAM Multi-bank를 활용한 스케줄링 기법을 통해 DRAM 버퍼 대역폭을 개선함으로써 저비용으로 SSD의 성능을 향상시키는 효과적인 방안을 제안한다. 호스트와 NAND 플래시 다중 채널이 동시에 DRAM 버퍼의 접근을 요청하는 경우, 이들의 목적지를 확인하여 DRAM 특성을 고려한 스케줄링 기법을 적용함으로써 bank 활성화 시간과 row latency에 대한 overhead를 감소시키고 결과적으로 DRAM 버퍼 대역폭 활용을 최적화할 수 있다. 제안한 기법을 적용하여 실험한 결과, 무시할만한 수준의 하드웨어 변경 및 증가만으로 기존의 SSD 시스템과 비교하여 SSD의 읽기 성능은 최대 47.4%, 쓰기 성능은 최대 47.7% 향상됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, new storage device SSD(Solid State Disk) based on NAND flash memory is gradually replacing HDD(Hard Disk Drive) in mobile device and thus a variety of research efforts are going on to find the cost-effective ways of performance improvement. By increasing the NAND flash channels in order to...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 해소하기 위해 고속 DRAM 버퍼를 사용할 수 있지만 이러한 해결책은 그에 따른 비용이 상승한다는 단점이 있다. 그러므로 본 논문에서는 DRAM 버퍼의 대역폭을 효율적으로 사용하면서도 저비용으로 성능을 개선할 수 있는 DRAM 버퍼 스케줄링 기법에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.
  • 본 논문에서는 SSD내의 DRAM 버퍼에 접근하는 장치로부터 발생하는 읽기 혹은 쓰기 요청들을 DRAM 의 Multi-bank 기능을 활용하여 효율적으로 스케줄링하는 방안을 제안한다. 각 장치들이 요청을 하는 경우 접근하려는 DRAM 버퍼의 bank를 확인 후 bank 활성화 시간, RAS(Row Address Strobe)와 CAS(Column Address Strobe) 지연 시간에 대한 overhead를 줄일 수 있도록 DRAM 버퍼 액세스 요청 순서를 스케줄링 함으로써, DRAM 버퍼의 대역폭 사용을 최적화 할 수 있다.
  • 본 논문에서는 소프트웨어적인 개선 방법과 결합이 가능하며 기존의 연구에 비해 저비용으로 SSD의 성능을 개선하기 위해 DRAM 버퍼 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있는 DRAM 버퍼 액세스 스케줄링 기법을 제안한다.
  • 본 논문에서는 DRAM의 Multi-bank 기능을 활용하여 DRAM 버퍼의 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있는 스케줄링 기법을 제안한다.
  • 그러나 특정 bank에 연속으로 접근 하지 않는 경우, bank 활성화와 주소로의 접근 과정을 병렬적으로 처리할 수 있기 때문에 이러한 지연 시간을 줄일 수 있게 된다. 본 논문에서는 이러한 DRAM의 Multi-bank 기능을 이용해 효율적으로 대역폭을 활용하는 스케줄링 기법을 SSD 내부에 있는 Arbiter를 통해 구현하려고 한다.
  • 본 논문에서는 비용 효율적인 방법을 통해 SSD 성능을 향상 시키는 연구의 일환으로 SSD내의 DRAM 버퍼의 대역폭을 효율적으로 사용하는 스케줄링 기법을 제안하였다. 각 마스터들의 요청 시, 이들이 가진 bank 주소를 확인하고, 연속으로 특정 bank의 접근을 피하여 DRAM Multi-bank를 활용할 수 있게 하였다.

가설 설정

  • 전송하는 데이터의 양은 2 섹터인 1024 바이트로 하였고, 전송 시 버스트 사이즈는 128 바이트로 고정하였다. 스케줄링 방식에 상관없이 호스트 인터페이스는 가장 높은 우선순위를 가지며 DRAM 버퍼에 요청하는 경우에 항상 hit한다고 가정한다. 성능 측정은 DRAM 버퍼에 접근을 요청하는 모든 채널이 읽기/쓰기 명령을 보내는 시점부터 요청한 모든 데이터의 전송이 완료 할 때 까지 걸리는 시간을 데이터 전송 시간이라 정의하고 측정을 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SSD에 사용되는 DRAM 버퍼 스케줄링 기법으로는 무엇이 있는가? SSD에 사용되는 DRAM 버퍼 스케줄링 기법으로는 Fixed-Priority 방식, Round-Robin 방식 그리고 TDM + Round-Robin 등이 있다.
NAND 플래시 메모리의 장점은? NAND 플래시 메모리는 기존의 하드 디스크에 비해 가격이 높은 단점에도 불구하고 빠른 처리 속도, 저전력, 강한 내구성, 무소음, 경박단소와 같은 장점으로 인해 디지털 카메라, MP3 플레이어, 스마트 폰과 같은 많은 모바일 기기의 주 저장 매체로 쓰이고 있다. 최근 용량 대비 가격이 HDD(Hard Disk Drive) 수준에 근접하면서 NAND 플래시 기반의 새로운 대용량 저장매체인 SSD(Solid State Disk) 시장이 확대되어 일부 서버급 컴퓨터 등에도 채용되는 추세이다.
SSD의 성능을 개선을 위한 연구는 어떤 접근 방식을 통해 진행되어 왔는가? - 빠르고 내구성이 좋은 SLC(Single-Level Cell)와 저비용으로 대용량 저장 장치를 구성할 수 있는 MLC(Multi-Level Cell)의 장점을 혼합한 SSD 성능 개선.[6] - 페이지 단위의 쓰기만 가능한 NAND 플래시는 크기가 작은 데이터를 갱신할 때 overhead가 발생하므로, 이를 줄이기 위해 바이트 단위의 쓰기가 가능한 FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)과 같은 차세대 메모리를 일부 혼합하여 이용하는 방안[7] - 소프트웨어적으로 매핑 정보의 적중률에 따라 매핑 정보의 크기를 동적으로 변경하여 기존의 매핑 기법에 비해 매핑 테이블의 크기를 감소시키고 성능 향상을 꾀하는 방법[8]
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (9)

  1. http://www.segate.com/www/en-us/support/before_you_buy/speed_considerations 

  2. L.P. Chang, "Hybrid solid-state disks: Combining heterogeneous NAND flash in large SSDs", Design Automation Conference, pp.428-433, April 2008. 

  3. J. Ryu and C. Park, "Analysis of Embedded Software Design Affecting SSD Performance", Journal of KIISE, vol.27, no.5, pp.58-68, May 2009. 

  4. http://www.samsung.com/global/business/semiconuctor/products/flash/Products_Toggle_DDR_NANDFlash.html 

  5. H. Zheng, J. Lin, Z. Zhang and Z. Zhu, "Decoupled DIMM: building high-bandwidth memory system using low-speed DRAM devices", 36th annual international symposium on Computer architecture, pp.255-266, June 2009. 

  6. L. Chang, "Hybrid solid-state disks: Combining heterogeneous NAND flash in large SSDs", Asia and South Pacific Design Automation Conference ASPDAC 2008, pp.428-433, March 2008. 

  7. J. H. Yoon, E. H. Nam, Y. J. Seong, H. Kim, S. L. Min and Y. Cho, "A High Performance Flash Memory Solid State Disk", Journal of KIISE, Vol.14, No.4, pp.378-388, June 2008. 

  8. B. Ha, H. Cho and Y. I. Eom, "WADPM : Workload-Aware Dynamic Page-level Mapping Scheme for SSD based on NAND Flash Memory", Journal of KIISE, Vol.37, No.4, pp.215-225, August 2010. 

  9. K. Lahiri, A. Raghunathan and G. Lakshminarayana, "The LOTTERYBUS on-chip communication architecture", VLSI(Very Large Scale Integration) Systems, Vol.14, No.6, pp.596-608, June 2006. 

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