[국내논문]TLC 낸드 플래시기반 저장 장치에서 페이지 중복쓰기 기법을 이용한 SLC 버퍼 성능향상 연구 SLC Buffer Performance Improvement using Page Overwriting Method in TLC NAND Flash-based Storage Devices원문보기
다중 셀 기반의 저장장치 특히, TLC낸드 플래시는 낮은 가격을 무기로 SSD에 채용되고 있다. 그러나 TLC는 기존의 MLC대비 느린 성능과 내구성으로 인해 일부 블록(Block)을 SLC 영역으로 할당하여, 버퍼로 사용함으로써 성능을 개선하는 구조를 발전시켜 왔다. 본 논문에서는 SLC 버퍼 성능을 보다 향상시키기 위하여 SLC 블록에 대해 페이지 덮어쓰기 기능을 도입하였다. 이를 통해, 제한된 회수 이내에서 지움 동작 없이 데이터 갱신을 가능하도록 했다. 특히, 기존의 SLC 버퍼 영역이 채워지는 경우 유효 페이지를 TLC 블록으로 이동 복사하고, 해당 블록을 지워야 하는데, 제안된 방법을 통해 유효 페이지 복사 및 지움 동작을 50% 이상 줄일 수 있었다. 시뮬레이션 평가 결과 기존의 SLC 버퍼 대비 버퍼 덮어 쓰기를 통해 2배의 쓰기 성능 개선을 달성 하였다.
다중 셀 기반의 저장장치 특히, TLC 낸드 플래시는 낮은 가격을 무기로 SSD에 채용되고 있다. 그러나 TLC는 기존의 MLC대비 느린 성능과 내구성으로 인해 일부 블록(Block)을 SLC 영역으로 할당하여, 버퍼로 사용함으로써 성능을 개선하는 구조를 발전시켜 왔다. 본 논문에서는 SLC 버퍼 성능을 보다 향상시키기 위하여 SLC 블록에 대해 페이지 덮어쓰기 기능을 도입하였다. 이를 통해, 제한된 회수 이내에서 지움 동작 없이 데이터 갱신을 가능하도록 했다. 특히, 기존의 SLC 버퍼 영역이 채워지는 경우 유효 페이지를 TLC 블록으로 이동 복사하고, 해당 블록을 지워야 하는데, 제안된 방법을 통해 유효 페이지 복사 및 지움 동작을 50% 이상 줄일 수 있었다. 시뮬레이션 평가 결과 기존의 SLC 버퍼 대비 버퍼 덮어 쓰기를 통해 2배의 쓰기 성능 개선을 달성 하였다.
In multi-level-cell based storage devices, TLC NAND has been employed solid state drive due to cost effectiveness. Since TLC has slow performance and low endurance compared with MLC, TLC based storage has adopted SLC buffer scheme to improve performance. To improve SLC buffer scheme, this paper prop...
In multi-level-cell based storage devices, TLC NAND has been employed solid state drive due to cost effectiveness. Since TLC has slow performance and low endurance compared with MLC, TLC based storage has adopted SLC buffer scheme to improve performance. To improve SLC buffer scheme, this paper proposes page overwriting method in SLC block. This method provides data updates without erase operation within a limited number. When SLC buffer area is filled up, FTL should execute copying valid pages and erasing it. The proposed method reduces erase counts by 50% or more compared with previous SLC buffer scheme. Simulation results show that the proposed SLC buffer overwrite method achieves 2 times write performance improvement.
In multi-level-cell based storage devices, TLC NAND has been employed solid state drive due to cost effectiveness. Since TLC has slow performance and low endurance compared with MLC, TLC based storage has adopted SLC buffer scheme to improve performance. To improve SLC buffer scheme, this paper proposes page overwriting method in SLC block. This method provides data updates without erase operation within a limited number. When SLC buffer area is filled up, FTL should execute copying valid pages and erasing it. The proposed method reduces erase counts by 50% or more compared with previous SLC buffer scheme. Simulation results show that the proposed SLC buffer overwrite method achieves 2 times write performance improvement.
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문제 정의
본 논문에서는 TLC 낸드를 채용한 저장장치에서 성능 향상을 위해 SLC 블록을 일부 할당하여 버퍼 메모리로 사용하고, 낸드의 erase-before-write 특성으로 인한 성능저하를 최소화하기 위해 페이지 덮어쓰기 방법[6]을 도입하여 해결하고자 하였다. 이를 통해 성능저하에 영향을 주는 가비지 콜렉션(Garbage collection) 동작, 특히 빈 블록을 생성하기 위한 valid 페이지 복사 및 블록 삭제 동작이 50% 이상 현저히 줄어듦을 확인하였다.
본 논문에서는 다중셀에 기반을 둔 TLC 낸드 저장장치에서 성능 향상의 방법으로 기존의 SLC 버퍼 쓰기에 SLC 버퍼 덮어쓰기 기능을 도입하여 해결 하고자 하였다. 기존의 경우 낸드의 특성상 지우기 동작 없이 해당 블록에 데이터를 갱신하는 것이 어려워 FTL의 도움으로 주소 맵핑을 바꾸는 형식을 취하였다.
제안 방법
실험을 위해 TLC 낸드 플래시 메모리의 성능을 모델링 하고 FTL을 포함하는 trace-driven 시뮬레이터를 작성하였고, 이 시뮬레이터는 여러 trace를 입력하여 FTL을 실제 낸드의 동작을 프로파일링 해 준다. FTL의 경우 하이브리드 매핑 기법 대신, 최근 SSD에 사용하는 페이지 매핑을 기본으로 구성하였다.
이 후 시뮬레이션은 TLC 낸드 칩의 용량 저하를 최소화 할 수 있는 크기인 5%, 200개 블록을 SLC 버퍼 영역으로 설정하여 후속 시뮬레이션을 진행하였다.
대상 데이터
실험에 사용한 TLC 낸드는 128GB (16GB) 용량에 16KB 페이지 사이즈와 2-plane으로 구성된 단일 칩으로 다중 채널 및 다중 웨이 구성은 고려하지 않았다.
TLC 낸드의 사양은 표 1과 같으며, TLC 블록은 258개의 페이지로 구성되고, SLC 블록은 86개의 페이지로 구성되어 있다. 총 블록 개수는 4064개이며, SLC 영역은 5～20%까지 설정할 수 있도록 구현하였다.
TLC 낸드의 사양은 표 1과 같으며, TLC 블록은 258개의 페이지로 구성되고, SLC 블록은 86개의 페이지로 구성되어 있다. 총 블록 개수는 4064개이며, SLC 영역은 5～20%까지 설정할 수 있도록 구현하였다. 실험에 사용한 trace는 Workload를 추출 tool (Diskmon)을 활용하여 Windows 기반 SSD에서 일반적인 사용 환경에서 추출한 것으로, 고용량 파일 복사, 파일 다운로드와 함께 인터넷 동작, 게임 또는 프로그램 설치 등 sequential과 random성능을 모두 볼 수 있게 구성하였다.
성능/효과
그림 11은 SLC 버퍼 영역에서 덮어쓰기 회수 별로 블록 지움 회수를 추출한 것이다. 즉, 기존 SLC 버퍼 방식에 대비해서, 제안한 방식의 블록 지움 회수가 50～70% 이하 줄어 있음을 알 수 있다.
본 논문에서는 다중셀에 기반을 둔 TLC 낸드 저장장치에서 성능 향상의 방법으로 기존의 SLC 버퍼 쓰기에 SLC 버퍼 덮어쓰기 기능을 도입하여 해결 하고자 하였다. 기존의 경우 낸드의 특성상 지우기 동작 없이 해당 블록에 데이터를 갱신하는 것이 어려워 FTL의 도움으로 주소 맵핑을 바꾸는 형식을 취하였다.
제안된 SLC 버퍼 덮어쓰기 방식은 낸드 플래시 내부에서 지움 동작 없이 멀티셀에서의 SLC 특성을 활용하여 2～3회 페이지 덮어쓰기가 가능하도록 한 방식이다. 이를 기존에 SLC 버퍼를 포함한 이종 낸드 저장장치에 응용함으로서 지움 동작 회수를 50～70% 감소하였으며, SLC 버퍼 블록에서 TLC 블록으로의 유효 페이지 이동 복사를 최소화함과 동시에 SLC 버퍼 덮어쓰기도 대체함에 따라 내부 동작 시간은 50% 줄어듦에 따라서 2배 이상의 성능 개선이 가능하게 되었다.
후속연구
현재 본 논문은 시뮬레이션을 통해 페이지 덮어쓰기 기능을 구현하였으나 낸드 내부의 명령어 인터페이스 및 알고리즘 수정을 통해 새로운 명령어를 추가함으로서 SLC 블록에 한하여 적용될 수 있으며, 멀지 않은 미래에 채용될 예정에 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FTL의 주요 역할은 무엇인가?
FTL의 주요 역할은 파일시스템의 논리주소를 낸드플래시의 물리 주소로 바꿔 주고, 이들 맵핑 정보를 관리한다. 낸드 플래시는 어떤 데이터를 블록에 쓰기 위해서 먼저 그 블록을 삭제해야하는 제약사항이 있는데, 이를 보통 쓰기 전 지우기 (erase-before-write) 라고 부른다.
Triple-level cell (TLC) 낸드 플래시가 다른 낸드 플래쉬에 비해 낮은 가격을 무기로 SSD에 채용되고 있는 이유는 무엇인가?
최근에는 한 개의 셀(cell)에 하나의 비트(bit)만 저장하는 Single-level cell (SLC) 낸드플래시보다 2 비트 이상의 데이터를 저장하는 Multi-level cell (MLC) 낸드 플래시가 시장을 주도하고 있다. 이는 동일한 면적에 고용량의 메모리를 집적함으로써 우수한 가격 경쟁력을 가질 수 있기 때문이다. 특히 한 개의 셀에 3 비트 데이터를 저장할 수 있는 Triple-level cell (TLC) 낸드 플래시가 낮은 가격을 무기로 SSD에 채용되고 있다.
TLC 낸드 플래시로 구성된 저장 장치는 호스트로부터 쓰기 요청이 들어오는 경우 어떻게 동작되는가?
TLC 낸드 플래시로 구성된 저장 장치에서 호스트로부터 쓰기 요청이 들어오는 경우 내부의 소프트웨어 계층인 FTL은 논리 주소(Logical Address)를 낸드의 물리 주소 (Physical Address)로 매핑하고 페이지 단위로 낸드가 프로그램 동작을 수행 한다. 이 경우 쓰기 요청이 최종 TLC 낸드에 쓰는 방식은 두 가지로 나눌 수 있다.
참고문헌 (6)
L.-P. Chang, "Hybrid solid-state disks: combining heterogeneous nand flash in large ssds," in Proceedings of the 2008 Asia and South Pacific Design Automation Conference, pp. 428-433, 2008.
S. Lee, K. Ha, K. Zhang, J. Kim, and J. Kim, "FlexFS: a flexible flash file system for MLC NAND flash memory," in Proceedings of the 2009 conference on USENIX Annual technical conference (USENIX'09), pp.9-9, 2009.
S. Im and D. Shin, "ComboFTL: Improving performance and lifespan of MLC flash memory using SLC flash buffer," Journal of System Architecture, vol. 56, no. 12, pp. 641-653, Dec. 2010.
S. Lee, K. Ha, K. Zhang, J. Kim, and J. Kim, "Flexfs: A flexible flash file system for mlc nand flash memory," Proc. of USENIX Technical Conf., 2009.
K. Bang, D. Kim, S. -H. Park, E. -Y. Chung, and H. -J. Lee, "Application-aware design parameter exploration of NAND flash memory," Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 13, no. 4, pp. 291-302, Aug. 2013.
S. Won, E-Y. Chung, D. Kim, J. Chung, B. Han and H-J. Lee, "Page overwriting method for performance improvement of NAND flash memories," IEICE Electronics Express, vol. 10, no. 6, pp. 1-6, Mar. 2013.
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