Efficient Management for Emerging Memory and Storage Techniques

Abstract

With the wide adoption of multi-core systems in modern computers, there is an increasing demand for large capacity, low energy, and high performance storage systems. Due to these issues, several emerging storage technologies, such as Phase Change Memory (PCM) and MEMS (micro-electromechanical systems)-based storage, are drawing more attention in recent years. PCM is a promising memory technology to replace conventional DRAM-based main memory systems that are starting to hit the power wall and cost limit. However, write operations on PCM make its lifespan worn out and deteriorate the overall performance. To address these weak points, we analyze the characteristics of memory write references. Based on these observations, we propose a novel page replacement algorithm that significantly reduces the number of write operations on PCM, thereby achieving longer lifespan and better performance. MEMS-based storage promises inexpensive green high-density storage systems as a Hard Disk Drive (HDD) alternative. Unlike HDD, MEMS-based storage has multiple heads that can access data simultaneously. To exploit this parallelism, we propose a new request scheduling algorithm that considers characteristics of MEMS-based storage device. The proposed algorithm takes into account the number of pending requests, the age factor and the positioning delays on a specific (x, y) location in the two dimensional square structure. Simulation results show that the proposed algorithm improves the performance of MEMS-based storage by up to 39.2% in terms of the average response time and 62.4% in terms of starvation resistance. ;고성능 멀티코어 기반 컴퓨팅 환경의 확대에 따라 스토리지 시스템에 대한 고용량, 고성능, 저전력에 대한 요구가 증가하게 되었다. 대표적인 메인 메모리 시스템인 DRAM은 많은 에너지 소모와 집적화 문제로 한계에 부딪치게 되었고 2차 저장장치인 기존의 하드 디스크는 빠른 CPU 발전에 비해 정체된 성능향상으로 전체 컴퓨팅 시스템 성능 향상을 저해시키고 있다. 이에 따라 한계에 부딪친 기존의 DRAM과 하드디스크를 대체할 수 있는 PCM (Phase Change Memory)과 MEMS(micro-electromechanical systems) 기반 저장장치와 같은 새로운 저장장치의 연구가 활발하게 진행되었다. PCM 메모리는 저전력, 고집적도, 비휘발성, 경쟁력 있는 가격으로 DRAM메모리 시스템의 대안으로 제시되고 있는 차세대 메모리이다. 그러나PCM은 DRAM과 다르게 쓰기 연산이 읽기 연산에 비해 지연시간이 7배 크고 쓰기 연산 횟수에 제한이 있는 등 쓰기 연산에 대해 취약성을 가지고 있다. 이러한 특성은 메모리 시스템의 성능뿐만 아니라 메모리 수명에 심각한 영향을 미치게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위해, PCM에 적은 양의 DRAM을 혼합한 hybrid메모리 시스템을 구성하였다. Hybrid 메모리 시스템에서DRAM은 메모리에 요청된 쓰기 연산들을 최대한 흡수하여 PCM의 쓰기 연산 부담을 완화시키는데 그 목적이 있다. 이를 위해 메모리 쓰기 참조에 대한 시간 참조 지역성(temporal locality)과 참조 빈도(frequency)를 분석하고 이 분석에 근거하여 PCM의 쓰기 연산을 줄이고 PCM의 수명을 증가시킬 수 있는 새로운 페이지 교체 알고리즘을 설계하였다. MEMS 기반 저장장치는 높은 대역폭과 낮은 가격, 저전력의 장점을 갖고 있어 대표적인 2차 저장장치인 하드디스크를 대체할 것이라 기대되는 차세대 저장장치이다. MEMS 기반 저장장치는 하드디스크와 같이 전자적 신호가 아닌 헤드의 움직임을 통해 데이터에 접근하는 기계적 저장장치이다. 이러한 기계적 저장장치에서는 성능을 평가함에 있어서 헤드의 움직임을 최소화하는 것이 중요한 요소가 된다. 때문에 저장매체의 다양한 물리적 위치에 산재해 있는 요청들을 어떤 순서로 서비스하는가를 결정하는 요청 스케줄링 기법은 성능향상에 있어 핵심적인 소프트웨어 관리기법이라 할 수 있다. 또한, MEMS 저장장치는 디스크와 다르게 데이터를 읽을 수 있는 다중의 헤드를 가지고 있어 동시에 데이터를 읽고 쓸 수 있는 물리적 특징을 가지고 있다. 이러한 기계적 저장장치의 특성과 MEMS 저장장치의 병렬성을 극대화하여 새로운 스케줄링 알고리즘을 제안하였다. 제안한 스케줄링 방법에서는 대기 중인 요청에 대한 빠른 응답과 요청 처리 순서에 있어서의 공정함을 고려하였다. 요청에 대한 빠른 응답 시간을 얻기 위해 MEMS 기반 저장장치의 물리적 특징인 병렬성과 시크 타임을 줄이기 위한 헤드의 위치 정보를 이용하였고 또한 기아 상태를 방지하기 위해 요청들의 대기 시간을 스케줄링에 반영하였다. 실험을 통해 요청들의 응답시간은39.2%, 기아상태는 62.4%까지 각각 향상되었음을 보여줄 수 있었다.