비휘발성 버퍼캐시와 플래시 기반 스토리지의 협동적 데이터 관리 기법

Abstract

Flash based storage has a weird characteristic that it cannot perform in-place update. Updated data should be written to another clean page and remained page becomes to dirty. Anothercharacteristic of flash based storage is that pages should become clean before performing write. This operations called ‘ERASE’ is done in block, bigger than page. For these unusual behavior of flash based storage, Garbage Collection is very required to perform erase dirty blocks. However, cost of erase operation is far higher than others, read and write and it is the main causes of performance degradation of flash based storage. When Garbage Collection is running, the process copies valid pages from erased block to allocated new block. This stage amplifies page write in flash based storage. On the other hand, improvement of non-volatile memory technology enable non-volatile memory to be permanent storage. This paper propose software manner with non-volatile memory buffer cache for flash based storage to prevent write amplification during garbage collection. The proposed manner does not copy pages in blocks which will be erased during garbage collection when these are in the buffer cache because data on the buffer cache can be original or final version of itself. For this, the page in flash based storage has additional state, ‘REMOVABLE’, and non-volatile memory buffer cache and flash based storage cooperate to manage data. To simulated unified data management of non-volatile memory buffer cache and flash based storage, we enhanced storage simulator, Disksim[6]. We show decreased valid page copy in flash based storage during garbage collection. Also, there is 6% overall performance improvement of the storage.;플래시 기반 스토리지는 동일 장소에서의 데이터 변경이 불가하기 때문에 새로운 쓰기 연산은 언제나 새로운 페이지에 수행된다. 또한 유효하지 않은 페이지를 재사용하기 위해서는 삭제 연산이 필요한데, 이 연산은 블록단위로만 수행된다. 때문에 플래시 기반 스토리지는 Garbage Collection을 통해 유효하지 않은 페이지가 속한 블록에 삭제 연산을 수행하고 재사용할 수 있게 만든다. 하지만 블록 단위 삭제 연산은 페이지 단위의 읽기, 쓰기보다 매우 큰 비용이 소모되어 Garbage Collection이 스토리지 성능 저하에 큰 요인이 되고 있다. 스토리지에서 Garbage Collection이 수행될 때, 변경되지 않은 페이지들 역시 블록단위 삭제 연산을 위하여 새로운 블록으로 복사되어 쓰기 연산 증가를 야기한다. 한편, 비휘발성 메모리 기술의 발전으로 해당 메모리를 영구적인 데이터 스토리지로 사용할 수 있게 되었다. 본 논문에서는 비휘발성 메모리를 플래시 기반 스토리지의 버퍼캐시로 사용할 때 스토리지 Garbage Collection의 성능 개선을 위한 소프트웨어 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 기법은 비휘발성메모리 버퍼캐시에 적재된 데이터를 원본으로 간주할 수 있을 때, 플래시 기반스토리지에서 Garbage Collection 수행시 버퍼캐시에 적재되어 있는 페이지들에 한하여 추가적인 페이지 복사 연산을 방지한다. 이를 위하여 스토리지 페이지에 Removable 상태를 두고 스토리지와 버퍼캐시가 협동적으로 데이터를 관리한다. 버퍼캐시와 스토리지의 협동적 데이터 관리 기법을 시뮬레이션 하기 위하여 기존의 플래시 기반 스토리지 시뮬레이터를 확장하였으며 Removable 상태를 지원하는 스토리지에서 해당 상태를 지원하지 않는 스토리지에 비하여 유효한 페이지 복사를 97%까지 감소시켰다. 이는 Garbage Collection의 효율성을 개선하여 최종 스토리지의 성능 역시 Removable을 지원하는 스토리지가 지원하지 않는 스토리지에 비해 약 6% 개선되었다.