[논문]향상된 NVM에 대한 가격과 IOPS간 트레이드오프 분석

안제민; 강경태

문제 정의

본 논문에서는 NVM이 DRAM수준의 성능과 SSD수준의 저장공간을 가지게 되었을 경우 어느 정도의 가격지표를 보일 것이며, 가격과 성능의 트레이드오프가 어느 정도 발생할 지 알아보기 위해 실험을 진행하였다.
본 논문은 NVM의 성능 지표를 분석하고, NVM 환경의 시스템을 구축하기 위해 적합한 워크로드를 조사하였다. 이 NVM은 DRAM을 대체할 수는 없지만 I/O 성능이 매우 향상되었으며, 저장공간이 커진 매우 향상된 NVM으로 한정한다.

제안 방법

더미파일의 크기는 세 저장장치 모두 1GB로 지정하였고 IOPS (KB/s)를 계산하였다. RAM disk와 I/O 속도를 비교해야 하기 때문에 직접 디스크에 접근하여 더미파일을 read, write하도록 설정한 뒤 실험하였다. 정확한 결과를 위해 5번의 실험을 진행하였고 평균낸 결과로 그래프를 만들었다(Fig.
가격지표 분석은 국내에서 가장 많이 사용되는 DRAM, SSD의 가격을 분석해보았고 각각 1GB 당 DRAM은 8979.88원, SSD의 경우 481.01원으로 조사되었고, 이 지표를 적용하여 IOPS/$를 분석해 보았다(Fig. 2). 이 결과 가격대비 IOPS는 SSD에 비해 RAM disk로 구축한 NVM에서 작업별로 4배에 11배까지 더 좋은 효율을 보였고 평균적으로 7배 정도의 효율차이를 보였다.
I/O의 단위로는 자주 사용되는 page 크기인 4kB, 8kB를 선택하였다. 더미파일의 크기는 세 저장장치 모두 1GB로 지정하였고 IOPS (KB/s)를 계산하였다. RAM disk와 I/O 속도를 비교해야 하기 때문에 직접 디스크에 접근하여 더미파일을 read, write하도록 설정한 뒤 실험하였다.
실험은 더미 파일을 생성해서 read, reread, write, rewrite, random read, random write를 한 세트로 각 작업의 IOPS를 측정하는 방식으로 진행되었다. I/O의 단위로는 자주 사용되는 page 크기인 4kB, 8kB를 선택하였다.
이 NVM은 DRAM을 대체할 수는 없지만 I/O 성능이 매우 향상되었으며, 저장공간이 커진 매우 향상된 NVM으로 한정한다. 이 성능을 시뮬레이션하기 위해 RAM disk를 이용하였고, Solid State Drive (SSD)와 Hard Disk Drive (HDD)의 성능을 분석했다. NVM과 SSD는 70배에서 200배, NVM과 디스크는 98배에서 3000배 이상 차이가 있음을 확인했다.
RAM disk와 I/O 속도를 비교해야 하기 때문에 직접 디스크에 접근하여 더미파일을 read, write하도록 설정한 뒤 실험하였다. 정확한 결과를 위해 5번의 실험을 진행하였고 평균낸 결과로 그래프를 만들었다(Fig. 1).

대상 데이터

I/O 성능측정 환경은 Table 1과 같다. DDR3 DRAM과 Triple Level Cell (TLC) 방식의 대용량 SSD, 그리고 7200rpm 1TB HDD를 사용하였다. SSD, HDD 모두 SATA3 인터페이스를 사용하며 벤치마킹 도구인 IOzone을 이용하였다.

이론/모형

DDR3 DRAM과 Triple Level Cell (TLC) 방식의 대용량 SSD, 그리고 7200rpm 1TB HDD를 사용하였다. SSD, HDD 모두 SATA3 인터페이스를 사용하며 벤치마킹 도구인 IOzone을 이용하였다. RAM disk의 경우 tmpfs, SSD와 HDD는 EXT4 파일시스템 환경으로 설정하고 실험을 진행하였다.

성능/효과

실험 결과 RAM disk의 성능이 모든 작업에서 월등함을 보였다. HDD와 비교해보면 가장 적은 차이를 보인 작업은 rewrite로 약 98배, 가장 많은 차이를 보인 random read/write는 3000배 이상의 성능 차이를 보였다. SSD와 HDD간 성능차이도 SSD가 HDD보다 모든 부분에서 더 나은 모습을 보였지만 역시 RAM disk와 비교해 보았을 때 70배에서 200배 이상의 큰 성능 차이를 보였다.
이 성능을 시뮬레이션하기 위해 RAM disk를 이용하였고, Solid State Drive (SSD)와 Hard Disk Drive (HDD)의 성능을 분석했다. NVM과 SSD는 70배에서 200배, NVM과 디스크는 98배에서 3000배 이상 차이가 있음을 확인했다. 가격지표와 종합하여 분석한 결과, NVM은 SSD 대비 평균 700% IOPS/$가 높은 것으로 확인되었다.
HDD와 비교해보면 가장 적은 차이를 보인 작업은 rewrite로 약 98배, 가장 많은 차이를 보인 random read/write는 3000배 이상의 성능 차이를 보였다. SSD와 HDD간 성능차이도 SSD가 HDD보다 모든 부분에서 더 나은 모습을 보였지만 역시 RAM disk와 비교해 보았을 때 70배에서 200배 이상의 큰 성능 차이를 보였다.
NVM과 SSD는 70배에서 200배, NVM과 디스크는 98배에서 3000배 이상 차이가 있음을 확인했다. 가격지표와 종합하여 분석한 결과, NVM은 SSD 대비 평균 700% IOPS/$가 높은 것으로 확인되었다. RAM disk로 구축한 NVM이 SSD보다 가격대비 높은 IOPS를 가지므로, 영상처리나 데이터베이스와 같은 입출력에 집중화된 워크로드에 활용되어 quality of service(QoS) 향상에 기여할 것으로 기대한다.
본 논문에서는 미래에 DRAM을 대체할 것이라 여겨지는 NVM이 DRAM의 성능을 따라 잡고 높은 용량을 가졌을 때 SSD, HDD와 I/O 성능에 있어 NVM과 SSD는 70배에서 200배, NVM과 디스크는 98배에서 3000배 이상 차이가 있음을 확인했다. 이 IOPS와 가격지표를 통해 NVM을 SSD와 비교하였고 I/O 처리량은 NVM이 평균 7배, 저장공간은 SSD가 평균 18배 유리함을 알 수 있었다.
실험 결과 RAM disk의 성능이 모든 작업에서 월등함을 보였다. HDD와 비교해보면 가장 적은 차이를 보인 작업은 rewrite로 약 98배, 가장 많은 차이를 보인 random read/write는 3000배 이상의 성능 차이를 보였다.
본 논문에서는 미래에 DRAM을 대체할 것이라 여겨지는 NVM이 DRAM의 성능을 따라 잡고 높은 용량을 가졌을 때 SSD, HDD와 I/O 성능에 있어 NVM과 SSD는 70배에서 200배, NVM과 디스크는 98배에서 3000배 이상 차이가 있음을 확인했다. 이 IOPS와 가격지표를 통해 NVM을 SSD와 비교하였고 I/O 처리량은 NVM이 평균 7배, 저장공간은 SSD가 평균 18배 유리함을 알 수 있었다.
2). 이 결과 가격대비 IOPS는 SSD에 비해 RAM disk로 구축한 NVM에서 작업별로 4배에 11배까지 더 좋은 효율을 보였고 평균적으로 7배 정도의 효율차이를 보였다. 결국, I/O 처리량면에서는 NVM을 사용하는 것이 경제적으로 평균 7배정도 효율적이라 할 수 있다.

후속연구

가격지표와 종합하여 분석한 결과, NVM은 SSD 대비 평균 700% IOPS/$가 높은 것으로 확인되었다. RAM disk로 구축한 NVM이 SSD보다 가격대비 높은 IOPS를 가지므로, 영상처리나 데이터베이스와 같은 입출력에 집중화된 워크로드에 활용되어 quality of service(QoS) 향상에 기여할 것으로 기대한다.

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