[논문]플래시 스토리지의 성능 지연 방지를 위한 비휘발성램 기반 쓰기 증폭 감소 기법

이은지; 정민성; 반효경

doi:10.7236/jiibc.2016.16.4.15

[국내논문] 플래시 스토리지의 성능 지연 방지를 위한 비휘발성램 기반 쓰기 증폭 감소 기법
NVM-based Write Amplification Reduction to Avoid Performance Fluctuation of Flash Storage 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.16 no.4, 2016년, pp.15 - 20

이은지 (충북대학교 소프트웨어학과) , 정민성 (충북대학교 소프트웨어학과) , 반효경 (이화여자대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

플래시 메모리는 초소형 전자기기부터 미디어 서버에 이르기까지 현대의 다양한 시스템에서 스토리지로 활용되고 있다. 플래시 메모리의 쓰기 증폭 (Write Amplification)은 가비지 컬렉션에서 발생하는 것으로 불규칙적인 성능의 주요 원인으로 지적되고 있다. 갑작스러운 속도지연은 실시간성 미디어를 위한 스토리지 시스템에서 치명적인 단점이 될 수 있다. 본 논문은 비휘발성램을 플래시 메모리 스토리지의 버퍼캐시로 사용하고 두 계층 간의 협동적 데이터 관리를 통해 플래시 메모리의 쓰깆 WAF를 절감하는 기법에 대해 제안한다. 비휘발성램에 캐쉬된 데이터는 플래시 메모리에서 가비지 컬렉션 수행 시 복사하지 않도록 한다. 이것은 복사되는 페이지의 수를 감소시켜 스토리지의 성능 및 내구성을 향상시킨다. 제안된 기법은 ssdsim 시뮬레이터에 구현되었으며 WAF와 응답시간의 표준편차를 각각 51.4%와 35.4% 개선할 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Write amplification is a critical factor that limits the stable performance of flash-based storage systems. To reduce write amplification, this paper presents a new technique that cooperatively manages data in flash storage and nonvolatile memory (NVM). Our scheme basically considers NVM as the cache of flash storage, but allows the original data in flash storage to be invalidated if there is a cached copy in NVM, which can temporarily serve as the original data. This scheme eliminates the copy-out operation for a substantial number of cached data, thereby enhancing garbage collection efficiency. Experimental results show that the proposed scheme reduces the copy-out overhead of garbage collection by 51.4% and decreases the standard deviation of response time by 35.4% on average.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

바이트 단위의 접근이 가능하면서도 내구성을 제공하는 비휘발성 메모리는, 기존 DRAM 기반의 컴퓨터 스토리지 계층구조에서 다양한 형태로 사용되어 성능 및 내구성을 향상시키는 데 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다^[2]. 본 논문에서는 NVM(Non-volatile Memory)을 플래시 스토리지의 캐쉬장치로 사용할 때 두 계층 간의 협동적인 데이터 관리를 통해 플래시 메모리의 쓰기 증폭현상을 감소시키는 방법을 제안하고자 한다.
본 논문은 NVM이 캐쉬에 적용될 때 플래시 스토리지를 위한 새로운 데이터 관리 기법을 제안했다. 제안된 기법은 비휘발성 캐쉬와 플래시 스토리지에서 데이터를 협동적으로 관리함으로써 GC(Garbage Collection)의 효율성을 향상시키고 전체적인 성능 및 편차를 개선한다.
본 논문은 플래시 메모리의 쓰기 증폭을 완화시키기 위해 비휘발성램 버퍼캐시에 캐쉬 된 데이터를 플래시 메모리의 삭제 연산 시 새로운 블록에 복사하지 않고 지울 수 있도록 허용하는 기법을 제안한다. 비휘발성램은 전원이 없이도 데이터를 영속적으로 저장할 수 있기 때문에 향후 데이터를 복구할 수 있다.
최근 NVMe나 Universal PCI Express 같은 스토리지 인터페이스는 사용자 특성에 맞게 인터페이스를 확장하는 것이 가능해지고 있지만^[13], 빈번한 정보 교류는 상당한 성능저하로 이어질 것이다. 본 연구는 향후 이러한 오버헤드를 최소화할 수 있는 방안을 고안하고자 한다.
또한 수정이 필요한 계층도 FTL로 단일화가 되기 때문에 개발 용이성 측면에서도 좋다. 이에 본 논문에서는 후자의 아키텍쳐를 타겟으로 성능평가를 진행하였다.
이에 우리는 비휘발성램이 메인메모리로 사용될 때, 버퍼캐시와 플래시 메모리의 협동적인 데이터 관리를 통해 플래시 메모리의 WAF를 감소시키는 기법에 대해 제안한다.
제안된 기법은 크게 두 가지의 아키텍쳐에서 적용 가능하다. 첫 번째는 호스트 페이지 캐시를 비휘발성램으로 사용할 때 스토리지와 호스트 캐쉬 간에 협동적인 데이터 관리를 하는 것이다. 이 경우 상대적으로 대용량의 비휘발성램을 탑재할 수 있기 때문에 WAF 감소효과가 클 것으로 예상되나 호스트와 디바이스 간의 커뮤니케이션 오버헤드가 상당히 발생할 수 있다.

제안 방법

제안된 협동적 데이터 관리 기법은 Microsoft Research에서 개발한 DiskSim의 SSD 확장 버전인 SSDsim 시뮬레이터에 구현되었다. SSDsim 은 SLC NAND 플래시 메모리를 에뮬레이트 해주는 플래시 시뮬레이터로 디폴트 환경설정 값으로 실험을 진행하였다. 우리는 SSDsim 시뮬레이터에 비휘발성 캐쉬 모듈을 추가하고 FTL 내부에 CDM 기법을 구현하였다.
측정을 시작하기 전에 자유 블록의 수를 전체 플래시 블록의 5% 미만이 될 때까지 순차적으로 데이터를 씀으로써 시뮬레이터를 준비시켰다. 결과들은 각 워크로드마다 10번씩 반복 실행하여 측정하였다. 그림 1에서 보는 바와 같이 Random 쓰기의 경우 WAF가 평균 2.
또한 가비지 컬렉션 모듈을 수정하여 “removable” 상태의 페이지는 copy-out 을 하지 않고 무효화 시키도록 하였다.
WAF(Write Amplification Factor)란 플래시 메모리가 물리적으로 덮어쓰기를 허용하지 않기 때문에 데이터를 변경하기 위해서는 반드시 원래의 데이터를 지우고 다시 쓸 때 발생하는 엄청난 수의 불필요한 쓰기 이다. 상용 SSD의 내부 정보는 사용자에게 제공되지 않는 이유로 우리는 높은 정확도를 가지는 SSD 시뮬레이터인 SSDsim을 사용하여 SSD의 WAF를 조사하였다(실험의 환경설정에 대한 자세한 설명은 4장에서 할 예정임). 우리는 2개의 합성 워크로드(Random과 Sequential) 과 2개의 실제 워크로드(JEDEC과 OLTP)를 사용하여 WAF를 측정하였다.
실제 워크로드인 경우 대부분 Random 과 Sequential 접근이 혼합된 형태로 나타내기 때문에 우리는 Random과 Sequential 접근이 혼합된 워크로드를 발생시켜 각 비율에 따른 WAF 변화를 조사해보았다. 그림 2는 SSD가 32GB 일 때 Random과 Sequential 접근 비율 변화에 따른 WAF를 보여준다.
상용 SSD의 내부 정보는 사용자에게 제공되지 않는 이유로 우리는 높은 정확도를 가지는 SSD 시뮬레이터인 SSDsim을 사용하여 SSD의 WAF를 조사하였다(실험의 환경설정에 대한 자세한 설명은 4장에서 할 예정임). 우리는 2개의 합성 워크로드(Random과 Sequential) 과 2개의 실제 워크로드(JEDEC과 OLTP)를 사용하여 WAF를 측정하였다. 합성 워크로드는 SSDsim에서 내부 워크로드 생성기를 사용하여 500만개의 random 패턴 쓰기 명령과 sequential 패턴 쓰기 명령을 생성하였다.
SSDsim 은 SLC NAND 플래시 메모리를 에뮬레이트 해주는 플래시 시뮬레이터로 디폴트 환경설정 값으로 실험을 진행하였다. 우리는 SSDsim 시뮬레이터에 비휘발성 캐쉬 모듈을 추가하고 FTL 내부에 CDM 기법을 구현하였다. 비휘발성램 캐쉬는 LRU 교체 정책을 사용하며 4KB 페이지 단위로 관리된다.
또한 가비지 컬렉션 모듈을 수정하여 “removable” 상태의 페이지는 copy-out 을 하지 않고 무효화 시키도록 하였다. 우리는 협동적 관리기법(CDM)을 비휘발성램을 기존 DRAM 과 같은 일시적인 캐쉬로 사용하는 방식(NVM-basic)과 비교하며 성능을 측정하였다.
비휘발성램은 전원이 없이도 데이터를 영속적으로 저장할 수 있기 때문에 향후 데이터를 복구할 수 있다. 이를 위해 버퍼캐시는 비휘발성램에 저장된 캐쉬 데이터를 일시적인 데이터가 아니라 데이터 원본으로 관리하여 기존 시스템과 동일한 수준의 내구성과 일관성을 제공하도록 한다. 비휘발성 버퍼캐시와 플래시 메모리 간의 협동적인 데이터 관리는 PCIe 등의 최신 스토리지 인터페이스에서 구현 가능한 기법으로 신뢰성 저하 없이 스토리지 시스템의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있다^[5-8].
본 논문은 NVM이 캐쉬에 적용될 때 플래시 스토리지를 위한 새로운 데이터 관리 기법을 제안했다. 제안된 기법은 비휘발성 캐쉬와 플래시 스토리지에서 데이터를 협동적으로 관리함으로써 GC(Garbage Collection)의 효율성을 향상시키고 전체적인 성능 및 편차를 개선한다. 구체적으로 데이터가 비휘발성 캐쉬에서 영속성을 보장받는 경우 플래시 내부에서는 해당 데이터를 다른 곳으로 복사(copy-out) 없이 블록을 삭제할 수 있도록 하는 것이다.
제안된 협동적 데이터 관리 기법은 Microsoft Research에서 개발한 DiskSim의 SSD 확장 버전인 SSDsim 시뮬레이터에 구현되었다. SSDsim 은 SLC NAND 플래시 메모리를 에뮬레이트 해주는 플래시 시뮬레이터로 디폴트 환경설정 값으로 실험을 진행하였다.
제안하는 기법은 Microsoft Research 에서 개발한 DiskSim의 SSD 확장버전인 SSDsim에 구현하였다^[9^]. 다양한 워크로드 기반 실험에서 플래시 메모리의 쓰기 증폭 지수(Write Amplification Factor, WAF)를 평균 51.
좀 더 현실적인 아키텍쳐는 플래시 스토리지 내부 버퍼로 NVM을 사용하고, 해당 버퍼와 플래시 사이에서 데이터를 협동적으로 관리하는 것이다. 이러한 구조에서는 FTL(Flash Translation Layer)에서 비휘발성램과 스토리지 내부의 존재하는 데이터의 상태를 일괄적으로 관리하기 때문에 캐쉬와 스토리지 간의 데이터 공유로 인한 성능저하가 발생하지 않는다.
비휘발성램 캐쉬는 LRU 교체 정책을 사용하며 4KB 페이지 단위로 관리된다. 플래시와 캐쉬 내의 데이터의 상태정보를 저장하기 위하여 FTL 페이지 테이블 엔트리에 상태를 나타낼 수 있는 비트정보를 추가하였다. 또한 가비지 컬렉션 모듈을 수정하여 “removable” 상태의 페이지는 copy-out 을 하지 않고 무효화 시키도록 하였다.
우리는 2개의 합성 워크로드(Random과 Sequential) 과 2개의 실제 워크로드(JEDEC과 OLTP)를 사용하여 WAF를 측정하였다. 합성 워크로드는 SSDsim에서 내부 워크로드 생성기를 사용하여 500만개의 random 패턴 쓰기 명령과 sequential 패턴 쓰기 명령을 생성하였다. 각 명령은 8 섹터 (4KB) 단위와 총 footprint 가 20GB이다.

성능/효과

그림에서 보는 바와 같이 제안된 기법은 기존 캐슁 방식 대비 복사되는 페이지의 수를 크게 감소시켰다. 구체적으로, CDM은 NVM-basic 대비 복사되는 페이지의 수를 JEDEC과 OLTP에서 각각 48.3% 와 54.4% 줄였다. 특히 캐쉬 크기가 증가함에 따라 감소되는 복사 페이지의 수는 더욱 증가한다.
그림 6과 7은 CDM과 NVM-basic의 평균 응답 시간과 응답 시간의 표준편차를 보여준다. 그래프에서 보여주는 바와 같이, CDM은 기존 방식 대비 JEDEC과 OLTP에서 각각 평균 응답 시간은 9.7%와 20.3%, 평균표준 편차는 31%와 39%를 감소시켰다. 특히 표준편차의 감소는 플래시 메모리의 갑작스러운 성능저하로 사용자의 불편함을 초래하고 있는 서버 환경에서 QoS(Quality of Service)를 제공하는 데에 크게 기여할 것으로 기대된다.
. 다양한 워크로드 기반 실험에서 플래시 메모리의 쓰기 증폭 지수(Write Amplification Factor, WAF)를 평균 51.4% 감소시켰으며 그로 인해 응답 시간이 평균 15% 감소되었고, 쓰기 증폭 현상 결과에 따라 응답 시간의 표준편차는 35.4% 감소하였다.
구체적으로 데이터가 비휘발성 캐쉬에서 영속성을 보장받는 경우 플래시 내부에서는 해당 데이터를 다른 곳으로 복사(copy-out) 없이 블록을 삭제할 수 있도록 하는 것이다. 제안된 기법은 SSDsim을 통해 성능을 평가하였으며, 실험결과 GC의 copy-out 페이지의 수를 평균 51.4% 감소시켰다.
그림 5는 버퍼캐시 사이즈에 따른 WAF를 보여준다. 제안된 기법은 기존 방식 대비 WAF를 JEDEC과 OLTP 워크로드에서 각각 2.1-17.6% 와 4.3-38.2% 감소시켰다. 이것은 GC 발생 시 복사되는 페이지의 수를 상당히 절감한 결과이며, 쓰기량의 감소는 플래시 메모리의 성능과 내구성 향상에 크게 기여할 수 있다.
a)와 유사하게 나타났다. 즉 플래시 메모리를 스토리지로 사용하는 경우 요청된 쓰기보다 평균 2.07배 많은 쓰기가 플래시 내부에서 발생하고 용량이 작은 경우에는 쓰기량이 5.7배까지 증가할 수 있다는 것이다. 이러한 쓰기 증폭 현상은 플래시 메모리의 응답시간 지연을 심화시키고 셀의 노화를 가속화시켜 스토리지 수명에도 심각한 악영향을 줄 수 있다.

후속연구

본 논문은 플래시 메모리의 쓰기 증폭을 완화시키기 위해 비휘발성램 버퍼캐시에 캐쉬 된 데이터를 플래시 메모리의 삭제 연산 시 새로운 블록에 복사하지 않고 지울 수 있도록 허용하는 기법을 제안한다. 비휘발성램은 전원이 없이도 데이터를 영속적으로 저장할 수 있기 때문에 향후 데이터를 복구할 수 있다. 이를 위해 버퍼캐시는 비휘발성램에 저장된 캐쉬 데이터를 일시적인 데이터가 아니라 데이터 원본으로 관리하여 기존 시스템과 동일한 수준의 내구성과 일관성을 제공하도록 한다.
3%, 평균표준 편차는 31%와 39%를 감소시켰다. 특히 표준편차의 감소는 플래시 메모리의 갑작스러운 성능저하로 사용자의 불편함을 초래하고 있는 서버 환경에서 QoS(Quality of Service)를 제공하는 데에 크게 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플래시 메모리의 쓰기 증폭이 발생하는 곳은?	플래시 메모리는 초소형 전자기기부터 미디어 서버에 이르기까지 현대의 다양한 시스템에서 스토리지로 활용되고 있다. 플래시 메모리의 쓰기 증폭 (Write Amplification)은 가비지 컬렉션에서 발생하는 것으로 불규칙적인 성능의 주요 원인으로 지적되고 있다. 갑작스러운 속도지연은 실시간성 미디어를 위한 스토리지 시스템에서 치명적인 단점이 될 수 있다.
	WAF란?	WAF(Write Amplification Factor)란 플래시 메모리가 물리적으로 덮어쓰기를 허용하지 않기 때문에 데이터를 변경하기 위해서는 반드시 원래의 데이터를 지우고 다시 쓸 때 발생하는 엄청난 수의 불필요한 쓰기 이다. 상용 SSD의 내부 정보는 사용자에게 제공되지 않는 이유로 우리는 높은 정확도를 가지는 SSD 시뮬레이터인 SSDsim을 사용하여 SSD의 WAF를 조사하였다(실험의 환경설정에 대한 자세한 설명은 4장에서 할 예정임).
	플래시 메모리의 갑작스러운 속도지연으로 발생하는 것은?	플래시 메모리의 쓰기 증폭 (Write Amplification)은 가비지 컬렉션에서 발생하는 것으로 불규칙적인 성능의 주요 원인으로 지적되고 있다. 갑작스러운 속도지연은 실시간성 미디어를 위한 스토리지 시스템에서 치명적인 단점이 될 수 있다. 본 논문은 비휘발성램을 플래시 메모리 스토리지의 버퍼캐시로 사용하고 두 계층 간의 협동적 데이터 관리를 통해 플래시 메모리의 쓰깆 WAF를 절감하는 기법에 대해 제안한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
Y. Li and K. N. Quader, "NAND Flash memory: challenges and opportunities," Computer, pp. 23-29, 2013.

상세보기
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JEDEC, Master trace for 128 GB SSD, http://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd219a_mt.
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F. Shu, "Data set management commands proposal for ATA8-ACS2," T13 Technical Committee, United States: At Attachment:e07154r1, 2007.
A. Huffman, "NVM Express: Going Mainstream and What's Next", Intel Developers Forum, 2014.

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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