최근 스마트폰, 디지털 카메라, 자동차 블랙박스와 같은 소형 전자기기들의 저장장치로써 가볍고 외부 충격에 강한 비휘발성 메모리인 플래시 메모리가 널리 이용되고 있다. 플래시 메모리는 읽기연산과 쓰기연산의 연산 속도가 다르며, 덮어쓰기가 불가능한 특징을 가지고 있기 때문에 삭제연산을 추가하여 이러한 문제점을 해결한다. 또한, 플래시 메모리의 삭제횟수가 제한적이기 때문에 마모도 평준화를 고려해야 한다. 최근 플래시 메모리의 이러한 특성을 고려한 플래시 메모리 기반 버퍼 교체 알고리즘에 관한 많은 연구들이 진행되고 있다. 따라서, 본 논문은 기존 플래시 메모리 기반 버퍼 교체 알고리즘의 문제점을 해결하기 위해 페이지를 그룹으로 나누어 관리하며 교체 대상 페이지 선정 시 참조 횟수와 참조 시간을 함께 고려하였다.
최근 스마트폰, 디지털 카메라, 자동차 블랙박스와 같은 소형 전자기기들의 저장장치로써 가볍고 외부 충격에 강한 비휘발성 메모리인 플래시 메모리가 널리 이용되고 있다. 플래시 메모리는 읽기연산과 쓰기연산의 연산 속도가 다르며, 덮어쓰기가 불가능한 특징을 가지고 있기 때문에 삭제연산을 추가하여 이러한 문제점을 해결한다. 또한, 플래시 메모리의 삭제횟수가 제한적이기 때문에 마모도 평준화를 고려해야 한다. 최근 플래시 메모리의 이러한 특성을 고려한 플래시 메모리 기반 버퍼 교체 알고리즘에 관한 많은 연구들이 진행되고 있다. 따라서, 본 논문은 기존 플래시 메모리 기반 버퍼 교체 알고리즘의 문제점을 해결하기 위해 페이지를 그룹으로 나누어 관리하며 교체 대상 페이지 선정 시 참조 횟수와 참조 시간을 함께 고려하였다.
Flash Memory which is light and strong external shock as storage of small electronics like smartphone, digital camera, car black box has been widely used. Since the operation speed of the read operation and the write operation are different from each other, and the flash memory has the feature that ...
Flash Memory which is light and strong external shock as storage of small electronics like smartphone, digital camera, car black box has been widely used. Since the operation speed of the read operation and the write operation are different from each other, and the flash memory has the feature that it is not possible to overwrite, the delete operation is added to solve these problems. Wear-leveling must also be considered, since the number of erase times of the flash memory is limited. Many studies have been conducted on the substitutional algorithms of flash memory based on these characteristics of recent flash memories. So, to solve the problem that has existing buffer replacement algorithm this thesis divide page into 6 groups and when proposed algorithm select victim page, it consider reference page frequency and page recency.
Flash Memory which is light and strong external shock as storage of small electronics like smartphone, digital camera, car black box has been widely used. Since the operation speed of the read operation and the write operation are different from each other, and the flash memory has the feature that it is not possible to overwrite, the delete operation is added to solve these problems. Wear-leveling must also be considered, since the number of erase times of the flash memory is limited. Many studies have been conducted on the substitutional algorithms of flash memory based on these characteristics of recent flash memories. So, to solve the problem that has existing buffer replacement algorithm this thesis divide page into 6 groups and when proposed algorithm select victim page, it consider reference page frequency and page recency.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 두 종류의 플래시 메모리 중 대용량 데이터를 저장하기 적합한 낸드 플래시 메모리를 바탕으로 설명한다. 그림 1 은 낸드 플래시 메모리의 구조를 보여준다[3,7,8,9].
본 논문에서는 플래시 메모리의 수명을 높이기 위하여 삭제연산을 고려정책을 제시하였다. 교체 대상 페이지를 선택함에 있어서 삭제 연산을 최우선으로 고려하는 정책이다.
본 절에서는 최근 관련 논문을 통해 기존의 연구들이 어떤 방식으로 진행되었는지에 대해 살펴본다.
제안 방법
버퍼 내 페이지의 데이터가 프로세서에 의하여 변경되지 않으면 클린 페이지로 간주하며 변경이 되면 더티 페이지로 간주한다. 다음으로, 두 번째 기준은 더티 페이지를 두 가지 종류인 풀 더티 페이지, 파셜 더티 페이지로 나누어 세분화 하였다. 그림2 처럼 버퍼내의 페이지 하나를 동일크기로 8개의 서브 페이지로 나누었을 때 서브페이지가 모두 더티 서브 페이지로만 구성되는 페이지를 풀더티 페이지라 하고 일부 클린 서브 페이지를 포함하고 있다면 파셜 더티 페이지라 한다.
따라서 본 논문에서는 교체 대상 페이지를 선정 할 때, 페이지의 클린 및 더티, 참조 시간 정보와 더불어 단순히 이진형태로써 참조 여부를 확인하던 기존 알고리즘과 달리 참조 횟수 정보를 활용하고 플래시 메모리의 특징인 삭제 연산 횟수를 고려하여 기존 알고리즘들 보다 플래시 메모리의 하드웨어적 속성까지 고려한 알고리즘을 제시하였다.
따라서, 본 논문은 우선 페이지를 6그룹으로 나누어 기존 연구들보다 상세하게 분류 하였으며, 핫 콜드 구분 알고리즘을 제시하여 참조횟수와 참조시간을 함께 고려하였다.
본 논문에서 제안하는 효율적인 버퍼 교체 알고리즘은 교체 대상 페이지를 선정하기 위하여 버퍼 내의 페이지를 3가지의 기준에 따라 6그룹으로 분류 하였다.
이와 같이 본 논문에서는 위와 같은 3가지 기준에 따라 페이지를 Hot Full Dirty, Hot Partial Dirty, Hot Clean, Cold Full Dirty, Cold Partial Dirty, Cold Clean 이와 같이 6가지로 분류하였다.
평가를 위해 읽기와 쓰기 연산을 포함하는 랜덤 트랜잭션을 20만, 40만, 60만 80만 100만 번을 수행하였다.
대상 데이터
그림 3 에서 보듯이 교체 대상 페이지를 버퍼내의 페이지들의 삭제연산 횟수를 고려하기 위하여 평균보다 작거나 같은 삭제연산 횟수를 가지는 페이지들을 후보군으로 선정하며 이 후보군 페이지들 가운데 본 논문에서 제안한 교체 우선순위를 고려하여 교체대상 페이지를 선정한다. 교체 우선순위에 따르면 교체우선순위 1～3번째가 콜드 페이지이고 4～6번째가 핫 페이지이기 때문에 페이지의 콜드 핫 여부를 제일 먼저 고려한다.
삭제연산 고려 정책에 의하여 EraseCount의 평균값보다 값이 같거나 낮은 교체대상 페이지 후보군들을 선별한다. 따라서 P1, P3, P5, P6, P10의 후보군들로 선정되며 후보군들은 삭제연산 고려 정책을 따라 교체 대상 우선순위가 가장 높은 Cold Clean 페이지인 P1이 교체대상으로 선정된다. 그 다음으로 교체대상 페이지를 선정 할 경우에는 위와 같은 방식으로 선정한다.
이론/모형
버퍼 내 페이지가 프로세서에 의해 자주 참조되는 페이지를 핫페이지라 하고 자주 참조되지 않는 페이지를 콜드페이지라 한다. 핫페이지와 콜드페이지는 핫콜드-구분 알고리즘을 이용하여 구분한다.
성능/효과
그림 5와 같이 삭제 연산 횟수를 고려하였을 때가 하지 않았을 때 보다 평균 20 ~ 30% 전체 쓰기 연산 수가 줄어든 것을 확인하였다.
두 번째, 플래시 메모리는 하드디스크와 달리 덮어쓰기(Overwrite)가 불가능하다. 플래시 메모리는 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 삭제는 블록 단위로 처리된다.
표 1 에서와 같이 플래시 메모리의 모든 연산 속도는 하드디스크의 연산 속도보다 빠르다는 점을 알 수 있다. 또한, 하드디스크의 읽기연산 쓰기연산 속도는 동일하지만 플래시 메모리의 경우 쓰기연산이 읽기연산에 비해 약 10배 느리고 삭제연산은 쓰기연산에 비해 약 10배 느리며 읽기연산에 비해선 약 100배 느린 것처럼 플래시 메모리는 각기 다른 연산 속도를 가진다는 점을 알 수 있다.
세 번째, 플래시 메모리는 삭제 연산 횟수가 최소 100,000번에서 최대 1,000,000번으로 제한적인 삭제 횟수를 가지고 있으며 삭제 횟수가 초과된 블록은 더 이상 데이터를 저장할 수 없게 된다.
플래시 메모리에 데이터를 저장 시 다음과 같은 플래시 메모리가 갖는 특징들을 고려해야 한다. 첫 번째, 플래시 메모리는 읽기 속도에 비해 쓰기 및 삭제 속도가 느리다. 표 1 은 저장 장치에 따른 연산 처리 속도를 나타낸다.
플래시 메모리는 외부 충격에 강하며, 무게가 가볍다는 특징 때문에 최근 스마트폰, 디지털 카메라, 자동차 블랙박스와 같은 소형 전자기기 제품에서 널리 이용되고 있다. 플래시 메모리의 집적도의 향상으로 인해 저장 할 수 있는 데이터의 용량도 증가하였다. 따라서 플래시 메모리는 하드디스크를 대체하는 차세대 대용량 저장장치로 각광받고 있다[4,6].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플래시 메모리가 하드디스크와 다른 특징은 무엇인가?
플래시 메모리는 하드디스크와는 다른 특징을 갖는다. 읽기연산과 쓰기연산의 연산 속도가 다르며, 덮어쓰기(Overwrite)가 불가능한 특징을 가지고 있기 때문에 삭제연산을 추가하여 이러한 문제점을 해결한다. 또한, 플래시 메모리의 삭제횟수가 제한적이기 때문에 마모도 평준화(Wear-Leveling)를 고려해야 한다[1,3].
플래시 메모리의 하드웨어적인 특징은 무엇인가?
플래시 메모리는 외부 충격에 강하며, 무게가 가볍다는 특징 때문에 최근 스마트폰, 디지털 카메라, 자동차 블랙박스와 같은 소형 전자기기 제품에서 널리 이용되고 있다. 플래시 메모리의 집적도의 향상으로 인해 저장 할 수 있는 데이터의 용량도 증가하였다.
플래시 메모리는 어떻게 구분되는가?
플래시 메모리는 내부의 전자회로 구조에 따라 낸드(NAND) 플래시 메모리와 노어(NOR) 플래시 메모리로 구분된다[2]. 낸드 플래시 메모리는 저장단위인 셀이 직렬로 연결되어 있으며 노어 플래시 메모리는 셀이 병렬로 연결 되어 있다.
참고문헌 (11)
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Bez, R., Camerlenghi, E., Modelli, A., and Visconti, A., "Introduction to Flash Memory," Journal of Proceedings of IEEE, Vol.91, No.4, 2003, pp.489-501.
Li, H., Yang, C., and Tseng, H., "Energy-Aware Flash Memory Management in Virtual Memory System," Journal of IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems, Vol.16, No.8, 2008, pp.952-964.
No, J., "Hybrid File System Using NAND-Flash SSD," Proc. of Int. Conf. on Cyber-Enabled Distributed Computing and Knowledge Discovery, 2011, pp.380-385.
Wei, Y., and Shin, D., "NAND Flash Storage Device Performance in Linux File System," Proc. of Int. Conf. on Computer Sciences and Convergence Information Technology, 2011, pp.574-577.
Yim, K., Kim, J., and Koh, K., "A Fast Start-Up Technique for Flash Memory Based Computing Systems," Proc. of the ACM Symposium on Applied Computing, 2005, pp.843-849.
Samsung Electornics, 1Gb E-die NAND Flash, 2013.
Segate, Segate Desktop HDD, 2013.
Noh H., K & Kang N., H., "Efficient Buffer Management Scheme for Mitigating Possibility of DDoS Attack," Jounal of IIBC, Vol.12, No.2, 2012, pp.1-7.
Kim D., H. & Bahn H., K., "Buffer Cache Management of Smartphones Exploiting Write-Only-Once Characteristics", Jounal of IIBC, Vol.15, No.6, 2015, pp.129-134.
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