성능 및 확장성 평가를 위한 SSD 시스템의 신속한 프로토타이핑

Abstract

비휘발성 메모리인 낸드 플래시 메모리는 충격내구성, 낮은 전력소모, 빠른 임의접근속도 등의 장점들을 가지고 있다. 이러한 장점들로 인하여 플래시 메모리는 다양한 시스템에서 저장장치로서 널리 사용되어 왔다. 과거에는, 플래시 메모리의 작은 용량과 높은 가격 때문에 주로 임베디드 시스템의 저장장치로 사용되어 왔다. 최근 플래시 메모리 반도체 공정기술의 발전으로 플래시 메모리의 집적도가 높아지고 비트 당 가격이 낮아졌다. 이러한 발전에 힘입어 다수의 플래시 메모리를 구성한 대용량 저장장치인 SSD가 개발되었다. 플래시 메모리의 장점들을 이어받은 SSD는 데스크톱 PC, 서버, 워크스테이션 등에서 HDD를 대체하는 고성능 저장장치로서 각광받고 있다. 그러나 SSD는 셀 특성 및 인터페이스 한계로 인한 플래시 메모리의 단점들 또한 고스란히 가지고 있고, 이 문제들을 극복하기 위하여 SSD는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 컴포넌트들로 구성된 복잡한 내부 구조를 가지고 있다. 최근 SSD는 성능을 높이기 위하여 플래시 메모리들이 동시에 명령을 수행하는 다양한 병렬기법들을 사용하는데, 이 기법을 지원하기 위한 알고리즘과 하드웨어 구조로 인하여 SSD의 복잡도는 더욱 높아지고 있다. 고성능에 대한 사용자의 요구를 만족시키기 위하여 제조사는 더 나은 성의 SSD를 개발하기 위하여 노력을 기울이고 있다. SSD가 최대 성능을 발휘하기 위해서는 설계 단계에서부터 성능 분석을 통하여 문제점을 찾고 이를 개선하는 과정을 반복하여야 한다. 그러나 SSD의 성능을 SSD를 구성하는 다양한 컴포넌트들의 상호작용에 의한 결과이기 때문에, SSD의 복잡성은 정확한 성능 분석을 어렵게 만든다. 본 논문은 SSD 시스템의 신속한 프로토타이핑을 제시하고, 이를 통하여 SSD 시스템의 성능 및 확장성을 평가한다. 제시한 프로토타이핑 시스템은 다음과 같은 특징을 갖는다. 첫째, 프로토타이핑 시스템은 실제 호스트 시스템에서 실제 어플리케이션을 실시간으로 동작시키고 그에 대한 정량적이고 자세한 성능을 분석할 수 있다. 둘째, 프로토타이핑 시스템은 SSD의 하드웨어 소프트웨어 컴포넌트들을 모두 포함하고, 컴포넌트들을 손쉽게 교체하고 기능을 확장할 수 있다. 셋째, 프로토타이핑 시스템은 플래시 메모리들에 대한 최신의 병렬기법을 지원한다. 마지막으로, 소프트웨어와 하드웨어 컴포넌트의 성능을 사이클 단위로 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 본 논문에서는 FPGA 프로토타이핑 플랫폼을 이용하여 프로토타이핑 시스템의 유효성을 실제 호스트 시스템에서 검증하였다. 실험에서는 호스트 리퀘스트의 처리 시간과 과정을 측정 및 분석되고, CPU 및 버스와 같은 하드웨어 컴포넌트의 성능과 병렬기법들이 성능에 미치는 영향 등을 측정되었다. 또한, 본 논문에서 제안한 동적인 병렬기법들 및 소프트웨어 가속 기법을 프로토타이핑 시스템에 적용하여 성능을 평가하였다. 프로토타이핑을 이용하여 측정된 결과는 SSD 시스템의 성능분석, 호스트 리퀘스트와 처리과정에 대한 이해 및 성능 최적화를 돕기 위한 기초 데이터로 사용될 수 있다.| Non-volatile NAND flash memories have merits such as shock resistance, low power consumption, and fast random access. Due to these advantages, these flash memories have been widely used in various systems as storage. In the past, flash memories were mainly used as storage in embedded systems because of their small capacity and high cost. However, thanks to recent developments in flash memory fabrication, their density has increased and the cost per bit has been reduced. Owing to these developments, the solid state disk (SSD), a mass storage device made up of many flash memories, was developed. The SSD, which inherited the benefits of flash memories, has come to the fore as a high-performance storage replacing the hard disk drives (HDDs) of desktop PCs, servers, workstations, and so on. However, SSDs also has the drawbacks of flash memories caused by their cell characteristics and interface limitations; to overcome these problems, they have a complex internal structure made up of various hardware and software components. Currently, to raise performance, the SSD involves various parallelization mechanisms where flash memories perform requests concurrently, and the complexity of the SSD is increasing due to the algorithms and hardware structures used to support these mechanisms. Manufacturers are making extensive effort to develop SSDs with better performance in order to satisfy the user need for high-performance. To ensure that the SSD displays maximum performance, it is necessary to identify problems continuously through performance analyses from the design stage and improve these problems as necessary. However, because the SSD’s performance hinges on interactions between its diverse components, the complexity of the SSD makes accurate analyses difficult. This dissertation suggests the prompt prototyping of the SSD system, and evaluates the performance and scalability of this approach. The suggested prototyping system has the following characteristics. First, it can operate real applications in real host systems and analyze their quantitative and detailed performance. Second, the prototyping system can include all the hardware and software components of the SSD, replace them easily, and extend their functions. Third, the system can support state-of-the-art parallelization mechanisms for flash memories. Finally, it can accurately measure the performance of hardware and software components in the cycle. In this dissertation, the usefulness of the prototyping system was verified using the FPGA prototyping platform in a real host system. During the experiments, processing time and the procedures of host requests were measured and analyzed, while the performance of hardware components such as the CPU and bus and the effects of parallelization mechanisms on the performance were examined. In addition, performance was evaluated by applying dynamic flash operation scheduling and software acceleration technique proposed in this dissertation to the prototyping system. The results obtained using this prototyping system can be employed as raw data to help in analyzing SSD system performance, understanding host requests and their processing procedures, and optimizing performance.; Non-volatile NAND flash memories have merits such as shock resistance, low power consumption, and fast random access. Due to these advantages, these flash memories have been widely used in various systems as storage. In the past, flash memories were mainly used as storage in embedded systems because of their small capacity and high cost. However, thanks to recent developments in flash memory fabrication, their density has increased and the cost per bit has been reduced. Owing to these developments, the solid state disk (SSD), a mass storage device made up of many flash memories, was developed. The SSD, which inherited the benefits of flash memories, has come to the fore as a high-performance storage replacing the hard disk drives (HDDs) of desktop PCs, servers, workstations, and so on. However, SSDs also has the drawbacks of flash memories caused by their cell characteristics and interface limitations