낸드 플래시 메모리 기반 시스템을 위한 페이지 프레임 회수 기법 연구

Abstract

리눅스를 비롯한 대부분의 운영체제는 기존의 디스크 저장 장치에 최적화 되어 있으며, 페이지 프레임 회수 기법은 전통적으로 더티(dirty) 페이지와 클린(clean) 페이지를 구분하지 않고 전체 페이지들 중에서 가장 재사용 될 가능성이 낮은 페이지를 회수하는 방안을 추구하고 있다. 그러나 이 같은 방법은 데이터 변경 시에 Out-Place-Update를 해야 하는 물리적 특성을 지닌 낸드 플래시 메모리를 기반으로 하는 시스템에서는 최적의 성능을 낼 수 없다. 또한 낸드 플래시 메모리의 경우 쓰기 연산에 소요되는 시간과 에너지가 읽기 연산에 비해 매우 크기 때문에, 쓰기 연산을 수반하는 더티 페이지를 회수하는 것과 단순히 페이지 프레임에서 지우기만 하면 되는 클린 페이지를 회수하는 것은 회수 비용 측면에서도 큰 차이가 있다. 따라서 더티 페이지와 클린 페이지의 회수 비용 차이를 고려한 효율적인 페이지 프레임 회수 기법이 요구된다. 본 논문에서는 기존 페이지 프레임 회수 기법의 목표인 페이지 적중률 향상뿐만 아니라, 낸드 플래시 메모리의 연산 별 비용과 시스템의 동적인 상태를 고려하는 정교한 수준의 페이지 프레임 회수 알고리즘 ARC-RW(Adaptive Replacement Cache with duplicable Read and Write list)를 제안한다. ARC-RW는 읽기 참조와 쓰기 참조의 최근성(recency)을 독립적으로 고려하여 낸드 플래시 메모리상의 쓰기/삭제 연산을 유발하는 더티 페이지의 회수를 보다 정교한 방법으로 보호하며, 이를 통해 전체 입출력 수행 시간 절약에 기여한다. 또한, 읽기/쓰기 요청의 비율 및 패턴, 워킹 셋(working set) 사이즈 등과 같은 변화하는 워크로드의 특성과 메모리 용량에 적응적으로 동작한다는 장점을 가진다. 알고리즘의 효율성 및 타당성 검증을 위해, 실제 프로세스의 가상 메모리 접근 트레이스를 바탕으로 시뮬레이션을 수행하였다. 실험 결과, 제안하는 방식이 기존 알고리즘들에 비해 낸드 플래시 메모리의 전체 입출력 소요 시간 면에서 향상된 성능을 보임을 확인하였다.;Replacement methods of traditional operating systems have been optimized for hard disk drive and only focused on increasing the number of cache hits. However, if NAND flash memory as secondary storage adopts these methods, it is difficult to expect good performance because of the unique characteristics of flash memory such as no seek time delay and asymmetric read/write operation costs. Therefore, replacement method which concerned the unique features is necessarily needed in order to improve the performance of NAND flash based system. This paper presented new page reclamation algorithm for NAND flash based system, called ARC-RW (Adaptive Replacement Cache with duplicable Read and Write list). The objective of the algorithm is reducing the total I/O operation time of NAND flash memory. ARC-RW has the duplicable read and write list, and maintains the information about the recency of read and write references separately. ARC-RW uses this structure to motivate the prevention of evicting dirty pages efficiently. In addition, the algorithm adapts itself to change of workload pattern such as the ratio of read and write references, and the working set size. Simulation results show that the performance of the proposed algorithm is better than existing algorithms in terms of the total I/O operation time. In the future, I will study how to implement the proposed algorithm on linux kernel efficiently. Performance studies with multi process traces are another direction of my future research.