NVMe 스토리지 시스템의 응답시간 최소화를 위한 입출력 스택 개선 방법

Abstract

SSDs using the PCIe-based NVMe protocol can guarantee the performance of NAND flash memory. For this reason, NVMe SSDs are widely used in high-performance computing systems and data centers. High-performance computing systems and data centers must ensure high QoS through short I/O latency. Therefore, low-latency storage devices are being released. However, the ratio of latency occupied by the host kernel, the interface of the device, and the firmware increases. This study proposes the optimized I/O stack structure for low-latency in NVMe storage system. The proposed architecture including SSD firmware, SSD controller, and NVMe device driver simplifies the NVMe I/O stack. It minimizes latency by eliminating unnecessary processes from the I/O stack structure. The verification of this paper is performed through OpenSSD, an open source-based open SSD project. As a result of the experiment, the proposed structure can reduce the read latency up to 90.4𝜇s compared to the legacy structure. It also reduces write latency by up to 130.1𝜇s.|본 연구는 NVMe 기반의 스토리지 시스템의 응답 지연시간(Latency) 최소화를 위한 개선된 입출력 스택(I/O stack) 구조에 관한 연구이다. 기존 AHCI/SATA 기반 스토리지 시스템의 입출력 인터페이스 성능이 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory)의 최대 성능을 보장하기 못하고 병목현상의 원인으로 지적되면서 PCIe 기반의 NVMe 인터페이스를 사용하는 낸드 플래시 디바이스들이 등장했다. 하지만 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory)의 성능이 꾸준히 향상되고 응답시간이 더 빠른 차세대 메모리들이 등장하면서 전체 스토리지 시스템의 입출력 스택에서 인터페이스가 차지하는 응답시간의 비율이 상대적으로 증가하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 입출력 스택을 개선해 응답시간을 줄일 수 있는 다양한 구조의 스토리지 시스템이 연구되고 있다. 본 논문은 NVMe 기반의 스토리지 시스템에서 최적화된 입출력 스택 구조를 제안한다. NVMe 기반의 스토리지 시스템을 구성하는 펌웨어, 하드웨어 컨트롤러와 디바이스 드라이버에 이르기까지 실제 NVMe 인터페이스를 사용하는 낸드 플래시 디바이스를 구현하여 NVMe 입출력 명령을 처리하는 과정을 단순화했다. 제안하는 구조는 입출력 스택 구조에서 불필요한 동작을 최소화하여 응답시간이 빠른 구조적 특징을 가진다. 본 논문의 검증은 오픈소스 기반의 개방형 SSD 프로젝트인 OpenSSD를 통해 수행되었다. 실험 결과 제안하는 입출력 스택을 최적화한 구조는 기존 OpenSSD의 구조 대비 읽기 응답시간을 최대 90.4𝜇s까지 줄일 수 있었다. 또한 기존 구조 대비 쓰기 응답시간이 최대 130.1𝜇s 감소했다.