SSD의 Write Amplification에 대한 수학적 모델의 고찰

Abstract

SSD는 NAND 플래시 메모리에 기반한 저장장치로 기존의 널리 쓰이던 HDD에 비해 외부 충격에 강하고, 속도가 빠르며, 전력소비가 낮은 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여 mp3, 휴대폰 등의 소형기기의 저장장치로 오랜 기간 동안 사용되고 있고, 노트북, 데스크탑PC는 물론 서버이상 급의 컴퓨터에도 HDD를 대체하는 새로운 저장장치로 사용되기 시작했다. NAND 플래시는 in-place 갱신이 불가능하여 out-of-place 갱신 방법을 사용한다. NAND 플래시의 읽기/쓰기 연산은 페이지 단위로 수행되고, 소거 연산은 블록 단위로 수행된다. 덮어쓰기가 발생하면 기존에 저장되어있는 페이지를 무효화시키고 새로운 페이지에 쓰기를 수행한다. 이렇게 발생되는 무효 페이지는 garbage collection을 통하여 소거한다. 일반적으로 victim 블록에는 무효 페이지와 유효 페이지가 섞여있기 때문에, 유효 페이지를 다른 블록으로 복사를 해야 한다. 유효 페이지를 복사함으로 인해 실제로 SSD에서 수행되는 쓰기 연산의 횟수는 요청된 쓰기 횟수보다 많다. 요청된 쓰기 횟수에 대한 실제 SSD에서 수행되는 쓰기 연산 횟수의 비율을 write amplification이라 한다. Write amplification이 커질수록 추가적으로 발생하는 쓰기 연산이 많기 때문에 SSD의 성능은 저하된다. NAND 플래시는 SLC의 경우 약 10만번, MLC의 경우는 약 1만번 정도로 소거 횟수가 제한된다. 따라서 write amplification이 커질 경우 SSD의 수명에도 큰 영향을 미친다. 이러한 문제점 때문에 write amplification 분석법에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 이러한 연구들은 대부분 uniformly distributed workload와 greedy garbage collection을 사용하는 SSD에서 over-provisioning factor에 대한 write amplification의 변화에 대한 내용만 다루고 있다. 이러한 특정 상황에서의 write amplification을 분석 하기 때문에, 실제 SSD의 사용에 적용해서 분석하기에는 무리가 있다. 또한 write amplification이 SSD의 성능과 수명에 어느 정도 영향을 주는지에 대한 연구도 매우 부족하다. 현재의 연구 결과들을 바탕으로 앞으로 좀 더 실용적인 연구를 하기 위해서는 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다. 첫째, real-workload를 적용해서 분석할 수 있어야 한다. 둘째, 다양한 FTL과 garbage collection 정책도 고려해야 한다. 셋째, SSD의 wear-leveling을 고려하여 분석할 수 있도록 해야 한다. 넷째, SSD의 채널과 웨이를 통한 병렬화를 고려해야 한다.