An Efficient Cache Replacement Algorithm for Nonvolatile RAMs

Abstract

Due to recent advances in semiconductor technologies, storage class RAMs (SCRAMs) such as FRAM and PRAM are emerging rapidly. Since SCRAMs are nonvolatile and byte-accessible, there are attempts to use these SCRAMs as part of nonvolatile buffer caches. A nonvolatile buffer cache provides improved consistency of file systems by absorbing write I/Os as well as improved performance. In this thesis, we discuss the optimality of cache replacement algorithms in nonvolatile buffer caches and present a new algorithm called NBM (Nonvolatile-RAM-aware Buffer cache Management). NBM has three salient features. First, it separately exploits read and write histories of block references, and thus it estimates future references of each operation more precisely. Second, NBM guarantees the complete consistency of write I/Os since all dirty data are cached in nonvolatile buffer caches. Third, metadata lists are maintained separately from cached blocks. This allows more efficient management of volatile and nonvolatile buffer caches based on read and write histories, respectively. Trace-driven simulations show that NBM improves the I/O performance of file systems significantly compared to the NVLRU algorithm that is a modified version of LRU to hold dirty blocks in nonvolatile buffer caches.;플래시 메모리가 폭넓은 환경에 탑재됨에 따라 그 제품의 형태에 따라 MLC, SLC, 또는 SSD와 같이 다양한 성능과 가격을 제공하게 되었다. 이들은 그 입출력 성능과 가격, 수명 등에 있어서 서로 크게 다른 특성을 갖고 있기 때문에 최근 서로 다른 플래시 메모리를 함께 사용하는 환경에 대한 연구가 다수 이루어지고 있다. 한편 대표적인 메인 메모리 시스템인 DRAM은 많은 에너지 소모와 집적화 문제로 한계에 이르렀고, 2차 저장장치인 하드디스크는 빠른 CPU발전에 비해 느린 성능 향상으로 전체 컴퓨팅 시스템 성능 향상을 저해시키고 있다. 최근 MRAM, PRAM, FeRAM 등의 차세대 비휘발성 메모리 기술이 기존의 DRAM과 하드디스크를 대체될 수 있는 매체로 부각되고 있다. 이 메모리들은 바이트 단위 접근이 가능해 메인 메모리로 사용될 수 있으면서 비휘발성이기 때문에 이들을 메인 메모리 버퍼캐시의 일부로 탑재하고 메모리에 요청된 쓰기 연산들을 최대한 흡수하는 용도로 사용하면 시스템 붕괴 시에도 파일 시스템의 일관성을 보장할 수 있다. 본 논문은 이와 같이 메모리 기술의 발전과 함께 새로이 대두된 이기종 저장장치 환경과 함께 휘발성 및 비휘발성 메모리를 동시에 버퍼캐시로 사용하는 시스템을 위한 버퍼 캐시 관리 기법인 NBM(Nonvolatile-RAM-aware Buffer cache Management) 알고리즘을 소개하였다. 이러한 시스템에서 운영체제는 파일시스템 일관성보장을 위해 모든 더티페이지는 비휘발성 메모리에 저장하고 실제 쓰기 입출력은 비휘발성 메모리로부터 페이지를 추방하는 경우에만 발생한다. 제안하는 알고리즘은 3가지 특징을 가지고 있다. 첫 번째는 캐시 페이지에 대한 읽기 참조와 쓰기 참조 여부를 별도로 기록한다. 두 번째로 NBM은 모든 더티 페이지를 비휘발성 메모리에 저장하여 쓰기 참조에 대해서도 항상 완전한 파일시스템 일관성을 보장한다. 마지막으로 페이지의 메타데이터 리스트들을 캐시 페이지가 저장된 메모리 장치와 관계없이 참조 종류에 따라 구성한다. 트레이스 기반 시뮬레이션을 통해 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리를 각각 LRU로 관리하는 NVLRU알고리즘에 비해 NBM알고리즘이 전체 입출력 횟수 측면에서 더 나은 성능을 가짐을 보였다.