최근 통신 빛 반도체 기술의 급격한 발전과 함께 소규모 기기에도 컴퓨팅 기능을 탑재하는 사물인터넷 시장이 부상하고 있다. 사물인터넷을 위한 저장장치는 전력소모와 물리적 크기에 제한이 있어 기존 HDD나 SSD 대신 NVRAM 기반의 스토리지가 사용될 것으로 전망되고 있다. 그러나 현재 사물인터넷 플랫폼 기술은 기존의 전통적인 스토리지를 타겟으로 설계되어 NVRAM 스토리지에서는 다양한 비효율성을 초래할 수 있다. 본 논문은 현재의 다양한 운영체제의 I/O 기법들의 효용성과 성능을 NVRAM 스토리지 환경에서 평가하고 분석하여 향후 사물인터넷을 위한 스토리지 기술에 대해 방향성을 제시한다.
최근 통신 빛 반도체 기술의 급격한 발전과 함께 소규모 기기에도 컴퓨팅 기능을 탑재하는 사물인터넷 시장이 부상하고 있다. 사물인터넷을 위한 저장장치는 전력소모와 물리적 크기에 제한이 있어 기존 HDD나 SSD 대신 NVRAM 기반의 스토리지가 사용될 것으로 전망되고 있다. 그러나 현재 사물인터넷 플랫폼 기술은 기존의 전통적인 스토리지를 타겟으로 설계되어 NVRAM 스토리지에서는 다양한 비효율성을 초래할 수 있다. 본 논문은 현재의 다양한 운영체제의 I/O 기법들의 효용성과 성능을 NVRAM 스토리지 환경에서 평가하고 분석하여 향후 사물인터넷을 위한 스토리지 기술에 대해 방향성을 제시한다.
With the rapid growth of semiconductor technologies, small-sized devices with powerful computing abilities are becoming a reality. As this environment has a limit on power supply, NVM storage that has a high density and low power consumption is preferred to HDD or SSD. However, legacy software layer...
With the rapid growth of semiconductor technologies, small-sized devices with powerful computing abilities are becoming a reality. As this environment has a limit on power supply, NVM storage that has a high density and low power consumption is preferred to HDD or SSD. However, legacy software layers optimized for HDDs should be revisited. Specifically, as storage performance approaches DRAM performance, existing I/O mechanisms and software configurations should be reassessed. This paper explores the challenges and implications of using NVM storage with a broad range of experiments. We measure the performance of a system with NVM storage emulated by DRAM with proper timing parameters and compare it with that of HDD storage environments under various configurations. Our experimental results show that even with storage as fast as DRAM, the performance gain is not large for read operations as current I/O mechanisms do a good job hiding the slow performance of HDD. To assess the potential benefit of fast storage media, we change various I/O configurations and perform experiments to quantify the effects of existing I/O mechanisms such as buffer caching, read-ahead, synchronous I/O, direct I/O, block I/O, and byte-addressable I/O on systems with NVM storage.
With the rapid growth of semiconductor technologies, small-sized devices with powerful computing abilities are becoming a reality. As this environment has a limit on power supply, NVM storage that has a high density and low power consumption is preferred to HDD or SSD. However, legacy software layers optimized for HDDs should be revisited. Specifically, as storage performance approaches DRAM performance, existing I/O mechanisms and software configurations should be reassessed. This paper explores the challenges and implications of using NVM storage with a broad range of experiments. We measure the performance of a system with NVM storage emulated by DRAM with proper timing parameters and compare it with that of HDD storage environments under various configurations. Our experimental results show that even with storage as fast as DRAM, the performance gain is not large for read operations as current I/O mechanisms do a good job hiding the slow performance of HDD. To assess the potential benefit of fast storage media, we change various I/O configurations and perform experiments to quantify the effects of existing I/O mechanisms such as buffer caching, read-ahead, synchronous I/O, direct I/O, block I/O, and byte-addressable I/O on systems with NVM storage.
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문제 정의
Pramfs는 빈번하게 접근되거나 전력 끊김에도 손상되지 않아야 하는 데이터를 저장하는 용도로 NVRAM을 유지함으로써 크래쉬 발생 시 부팅속도와 신뢰성을 높이기 위해 개발된 파일시스템이다[6]. MRAMFS[7]와 NEB file system [8] 역시 메타데이터와 같은 파일시스템의 일부 데이터를 NVRAM에 유지하기 위한 기법에 대해 연구하였다. 용량이 제한적이고 최대 쓰기 횟수에 제한이 있는 NVRAM의 특성을 고려하여 압축기법과 extent 기반으로 데이터를 관리하는 방식에 대해 제안하였다.
본 논문에서 분석한 결과를 바탕으로 향후 NVRAM을 위한 I/O 기법에 대한 연구를 수행하고자 한다. 소프트웨어 오버헤드를 최소화하고 I/O 트래픽을 절감할 수있는 기법을 설계하여 NVRAM 스토리지를 효율적으로 관리하는 시스템 소프트웨어를 개발하고자 한다.
본 논문에서는 하드디스크 환경에서 전형적으로 사용되는 비동기적 버퍼 I/O (Asynchronous Buffered I/O) 기법을 차세대 메모리 기반 스토리지 환경에 적용했을 때의 성능을 측정하기 위하여 램 기반의 스토리지를 구성하고 다양한 벤치마크를 통해 해당 I/O 방식의 성능을 측정하였다. 또한 버퍼캐쉬의 효용성 측정을 위해서는 버퍼캐시를 사용하는 Buffered I/O와 캐시를 사용하지 않는 Direct I/O 방식의 성능을 비교하여 메인메모리의 스토리지 캐시가 스토리지 속도변화에 따라 어떠한 성능기여를 나타내는지 측정하였다.
본 논문에서는 하드웨어 제약이 심한 초경량 시스템을 위한 NVRAM 스토리지 활용방안을 운영체제 관점에서 살펴보았다. 구체적으로는 기존 운영체제에서 사용되고 있는 I/O 기법의 효용성을 고속의 바이트 단위의 접근이 가능한 NVRAM 기반 스토리지에서 평가 및 분석하였다.
본 논문은 비휘발성 메모리의 등장과 함께 고속화되고 있는 스토리지 시스템을 효율적으로 사용하기 위하여, 운영체제 입출력 기법의 전반적인 요소를 분석하고 설계하는 연구를 수행하였다. 이를 위하여 입출력 시에 거치는 하드웨어 및 소프트웨어 스택 구조를 분석하고 각 계층에서 사용되는 요소 기술에 대하여 스토리지 속도 향상에 따른 효용성을 분석하였다.
본 논문에서 분석한 결과를 바탕으로 향후 NVRAM을 위한 I/O 기법에 대한 연구를 수행하고자 한다. 소프트웨어 오버헤드를 최소화하고 I/O 트래픽을 절감할 수있는 기법을 설계하여 NVRAM 스토리지를 효율적으로 관리하는 시스템 소프트웨어를 개발하고자 한다.
MRAMFS[7]와 NEB file system [8] 역시 메타데이터와 같은 파일시스템의 일부 데이터를 NVRAM에 유지하기 위한 기법에 대해 연구하였다. 용량이 제한적이고 최대 쓰기 횟수에 제한이 있는 NVRAM의 특성을 고려하여 압축기법과 extent 기반으로 데이터를 관리하는 방식에 대해 제안하였다.
이것은 기존의 미리읽기 방식이 초기접근 비용이 비싼 하드디스크에 최적화되어 적극적으로 데이터를 메인메모리에 적재시키는데 메인메모리에서 적중이 되지 않는 경우 발생하는 패널티가 비휘발성램 스토리지 환경에서는 상대적으로 크기 때문이다. 이에 우리는 히스토리 버퍼를 사용해 2차 접근이 발생한 경우 캐시에 적재하고 이 때 인접한 데이터 블록들이 히스토리 버퍼에 존재하는 경우에만 미리읽기를 수행하는 방식을 향후 설계해보고자 한다.
제안 방법
비휘발성 메모리 기반 스토리지로는 PCM이나 STT-RAM 등이 아직 초기 시판 단계에 있기 때문에 비슷한 성능을 가지는 DRAM을 디스크 형태로 설정하여 실험을 수행하였다. DRAM과 비휘발성램의 성능차이를 반영하기 위하여 우리는 NVM 용 디바이스 드라이버를 개발하여 DRAM 대비 NVM의 성능을 읽기/쓰기의 경우 각각 4.4배와 10배 느린 것으로 설정하여 실험하였다. 성능평가를 위해서는 대표적인 벤치마크인 Iozone과 filebench를 사용하였다.
구체적으로는 기존 운영체제에서 사용되고 있는 I/O 기법의 효용성을 고속의 바이트 단위의 접근이 가능한 NVRAM 기반 스토리지에서 평가 및 분석하였다. HDD를 타겟으로 발전해온 미리읽기, 버퍼 I/O의 기법을 NVRAM에 적용했을 때의 성능변화를 관찰하고, HDD와는 물리적 특성이 다른 NVRAM에서 성능상의 병목을 발생시키는 요소 등에 대해 분석하였다. 본 논문에서 수행된 연구는 향후 널리 활용될 가능성이 높은 NVRAM을 효율적으로 활용하기 위한 시스템 소프트웨어 설계에 큰 도움이 될 것이다.
미리읽기(Read-ahead) 기법의 성능 측정을 위해서는 미리읽기의 기능을 hdparm 명령어를 통해 설정/비설정 및 윈도우 사이즈를 변경하면서 각 경우의 성능을 측정하였다. I/O 단위 변화에 따른 성능평가를 위해서는 바이트 단위의 접근을 허용하는 인터페이스에 비휘발성램을 저장장치로 연결하고 이를 기존의 블록 저장장치와 비교하여 성능평가를 수행하였다.
본 논문에서는 하드웨어 제약이 심한 초경량 시스템을 위한 NVRAM 스토리지 활용방안을 운영체제 관점에서 살펴보았다. 구체적으로는 기존 운영체제에서 사용되고 있는 I/O 기법의 효용성을 고속의 바이트 단위의 접근이 가능한 NVRAM 기반 스토리지에서 평가 및 분석하였다. HDD를 타겟으로 발전해온 미리읽기, 버퍼 I/O의 기법을 NVRAM에 적용했을 때의 성능변화를 관찰하고, HDD와는 물리적 특성이 다른 NVRAM에서 성능상의 병목을 발생시키는 요소 등에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 하드디스크 환경에서 전형적으로 사용되는 비동기적 버퍼 I/O (Asynchronous Buffered I/O) 기법을 차세대 메모리 기반 스토리지 환경에 적용했을 때의 성능을 측정하기 위하여 램 기반의 스토리지를 구성하고 다양한 벤치마크를 통해 해당 I/O 방식의 성능을 측정하였다. 또한 버퍼캐쉬의 효용성 측정을 위해서는 버퍼캐시를 사용하는 Buffered I/O와 캐시를 사용하지 않는 Direct I/O 방식의 성능을 비교하여 메인메모리의 스토리지 캐시가 스토리지 속도변화에 따라 어떠한 성능기여를 나타내는지 측정하였다. 미리읽기(Read-ahead) 기법의 성능 측정을 위해서는 미리읽기의 기능을 hdparm 명령어를 통해 설정/비설정 및 윈도우 사이즈를 변경하면서 각 경우의 성능을 측정하였다.
또한 버퍼캐쉬의 효용성 측정을 위해서는 버퍼캐시를 사용하는 Buffered I/O와 캐시를 사용하지 않는 Direct I/O 방식의 성능을 비교하여 메인메모리의 스토리지 캐시가 스토리지 속도변화에 따라 어떠한 성능기여를 나타내는지 측정하였다. 미리읽기(Read-ahead) 기법의 성능 측정을 위해서는 미리읽기의 기능을 hdparm 명령어를 통해 설정/비설정 및 윈도우 사이즈를 변경하면서 각 경우의 성능을 측정하였다. I/O 단위 변화에 따른 성능평가를 위해서는 바이트 단위의 접근을 허용하는 인터페이스에 비휘발성램을 저장장치로 연결하고 이를 기존의 블록 저장장치와 비교하여 성능평가를 수행하였다.
20을 사용하였으며 파일시스템으로는 디폴트로 사용되는 ext4를 사용하였다. 비휘발성 메모리 기반 스토리지로는 PCM이나 STT-RAM 등이 아직 초기 시판 단계에 있기 때문에 비슷한 성능을 가지는 DRAM을 디스크 형태로 설정하여 실험을 수행하였다. DRAM과 비휘발성램의 성능차이를 반영하기 위하여 우리는 NVM 용 디바이스 드라이버를 개발하여 DRAM 대비 NVM의 성능을 읽기/쓰기의 경우 각각 4.
본 논문은 비휘발성 메모리의 등장과 함께 고속화되고 있는 스토리지 시스템을 효율적으로 사용하기 위하여, 운영체제 입출력 기법의 전반적인 요소를 분석하고 설계하는 연구를 수행하였다. 이를 위하여 입출력 시에 거치는 하드웨어 및 소프트웨어 스택 구조를 분석하고 각 계층에서 사용되는 요소 기술에 대하여 스토리지 속도 향상에 따른 효용성을 분석하였다. 그림 1은 입출력 요청부터 실제 디바이스에 수행되기까지의 전 소프트웨어 계층 구조 및 관련 기술을 나타낸다.
대상 데이터
4배와 10배 느린 것으로 설정하여 실험하였다. 성능평가를 위해서는 대표적인 벤치마크인 Iozone과 filebench를 사용하였다.
성능/효과
하드디스크와 같이 느린 스토리지에서는 캐쉬 사이즈의 감소에 따라 성능이 급격히 감소되는 반면 고속의 램 기반 스토리지에서는 캐쉬 크기가 성능에 크게 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 스토리지의 물리적 속도가 메인메모리와 비슷하더라도 I/O 스택 오버헤드로 인해 캐쉬 사이즈 감소에 따라 약간의 성능저하 현상은 나타났다.
그림 3은 메인메모리의 크기를 변화시키며 측정한 스토리지별 성능을 보여준다. 하드디스크와 같이 느린 스토리지에서는 캐쉬 사이즈의 감소에 따라 성능이 급격히 감소되는 반면 고속의 램 기반 스토리지에서는 캐쉬 크기가 성능에 크게 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 스토리지의 물리적 속도가 메인메모리와 비슷하더라도 I/O 스택 오버헤드로 인해 캐쉬 사이즈 감소에 따라 약간의 성능저하 현상은 나타났다.
x축에서 오른쪽으로 갈수록 I/O 사이즈는 작아지고 접근 빈도가 증가한다. 하드디스크의 경우 접근 횟수가 늘어남에 따라 성능이 급격히 저하되는 양상을 나타낸 반면 비휘발성램 기반 스토리지는 빈도 증가에 따른 성능저하가 완만하게 나타났다. 한편 그림 7은 I/O를 동일 횟수로 수행하는데 크기를 증가시키며 이에 따른 성능평가를 측정한 그래프이다.
direct는 버퍼캐쉬를 거치지 않고 직접 스토리지와 사용자 프로그램이 I/O를 수행하는 방식이다. 하드디스크의 경우 캐쉬를 사용하지 않는 경우의 성능이 매우 낮은 것으로 나타난 반면 비휘발성램 기반 스토리지의 경우 캐쉬를 사용하고 스토리지에 동기화를 시키는 Sync 방식이 Direct 방식보다 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 현재 DRAM과 HDD로 구성된 메모리 계층구조에서는 데이터를 캐쉬하고 주기적으로 스토리지에 반영하여 데이터의 손실을 막는데, 비휘발성램 스토리지에서는 이러한 방식 대신 Direct I/O 방식을 활용하는 것이 성능에 도움이 될 것으로 예상된다.
후속연구
HDD를 타겟으로 발전해온 미리읽기, 버퍼 I/O의 기법을 NVRAM에 적용했을 때의 성능변화를 관찰하고, HDD와는 물리적 특성이 다른 NVRAM에서 성능상의 병목을 발생시키는 요소 등에 대해 분석하였다. 본 논문에서 수행된 연구는 향후 널리 활용될 가능성이 높은 NVRAM을 효율적으로 활용하기 위한 시스템 소프트웨어 설계에 큰 도움이 될 것이다.
이러한 결과는 기계적으로 다른 동작 방식을 갖는 하드디스크와 비휘발성 메모리에서 병목현상을 발생시키는 원인을 규명하여, 새로운 스토리지 시스템에 맞는 I/O 방식 설계에 활용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저항 기반의 저장매체 기술에는 무엇이 있는가?
최근 사물인터넷에서는 저전력성과 안정성이 메모리및 스토리지의 주요 요구사항으로 부상하며 기존의 플래시 메모리와 DRAM과 같은 전자 충전 방식의 저장매체 대신 PRAM, STT-MRAM과 같은 저항 기반의 저장매체 기술이 급속도로 발전하고 있다. 차세대 비휘발성 메모리(Non-volatile RAM, NVRAM)로 통칭되는 이러한 저장매체들은 비휘발성의 특징을 가지면서도 기존 메모리에 근접한 빠른 성능을 지니기 때문에 Wearable 장치, IoT (Internet of Things) 등 다양한 시스템에서 널리 사용될 것으로 예측되고 있다 [10-12].
다양한 차세대 비휘발성 메모리 중에서 상용화 단계에 들어긴 메모리는?
현재 PRAM, MRAM, FeRAM과 같은 다양한 차세대 비휘발성 메모리가 연구 되고 있으며 일부는 시제품이 출시되기도 하였다[1]. 그중에서도 PRAM (Phase Change Memory)은 가장 활발 하게 연구되고 있는 매체로서 이미 상용화 단계에 들어섰다. PRAM의 가장 큰 장점은 집적도가 매우 높아 대용량화가 용이하다는 것이다.
PRAM의 가장 큰 장점은?
그중에서도 PRAM (Phase Change Memory)은 가장 활발 하게 연구되고 있는 매체로서 이미 상용화 단계에 들어섰다. PRAM의 가장 큰 장점은 집적도가 매우 높아 대용량화가 용이하다는 것이다. PRAM의 집적도는 이미 22nm급 수준에 이르렀으며 ITRS에서는 PRAM의 집적 도가 5~9nm까지 향상될 수 있을 것이라고 예상했다[2].
참고문헌 (12)
https://en.wikipedia.org/wiki/3D_XPoint
E. Ipek, J. Condict, E. B. Nightingale, D. Burger and T. Moscibroda, "Dynamically Replicated Memory: Building Reliable Systems from Nanoscale Resistive Memories," Proceedings of the ACM ASPLOS'10, March, 2010.
G. Atwood, "Phase Change Memory Landscape", Flash Memory Summit, 2011.
J. Condit, E.B. Nightingale, C. Frost, E. Ipek, B. Lee, D. Burger, and D. Coetzee, "Better I/O through byte-addressable, persistent memory," ACM Symp. Operating Systems Principles (SOSP), 2009.
X. Wu and A. L. N. Reddy, "SCMFS: A File System for Storage Class Memory," Proc. Int'l Conf. Supercomputing (SC), 2011.
PRAMFS, available at http://pramfs.sourceforge.net
N. K. Edel, D. Tuteja, E. L. Miller, and S. A. Brandt, "MRAMFS: a compressing file system for non-volatile RAM," Proc. 12th IEEE Int'l Symp. Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommun. Systems (MASCOTS), 2004.
S. Baek, C. Hyun, J. Choi, D. Lee, and S. H. Noh, "Design and analysis of a space conscious nonvolatile-RAM file system," Proc. IEEE Region 10 Conf. (TENCON), 2006.
S. Baek, K. Sun, J. Choi, E. Kim, D. Lee, and S. H. Noh, "Taking advantage of storage class memory technology through system software support," Proc. Workshop on Interaction between Operating Systems and Computer Architecture (WIOSCA), 2009.
Emerging Non-Volatile Memory (NVM) Technologies & Markets 2015, Yole Development
J. Kim, N. Kang, "Secure Configuration Scheme of Pre-shared Key for Lightweight Devices in Internet of Things," The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (JIIBC), Vol. 15, No. 3, pp. 1-6, 2015
J. Park, N. Kang, "Design of Smart Service based on Reverse-proxy for the Internet of Things," The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 14, No. 6, pp. 1-6, 2014
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