Improving Storage Performances with NVM by Considering Application’s I/O Characteristics

Abstract

Due to the recent advances in non-volatile memory (NVM) technologies, conventional storage architectures need to be revisited. In particular, a redesign of secondary storage hierarchy that adds NVM to the legacy storage system is necessary as NVM will be used in future storage systems but cannot entirely replace current media such as HDD due to its high cost. In this thesis, we analyze the characteristics of various storage workloads and suggest the optimized adoption of NVM for given application environments. Our first analysis shows that a bulk of storage I/O does not happen on a single storage partition, but it is varied significantly for different applications. In particular, journal I/O dominates in database applications, whereas swap I/O dominates in graph visualization applications. In some applications such as video streaming, file I/O dominates. Based on these observations, we recommend the usage of NVM for maximizing the performance gain in each application environment. From the second part of this thesis, we focus on smartphone environments as mobile platforms increasingly grow, which will also be the main target of NVM market. Specifically, we focus on the Android smartphone environment that is reconfigured to support virtual memory swap. Although supporting swap in Android is not impossible, our analysis shows that it increases storage accesses by 4-15 times, slowing down the launch time of applications significantly. However, we further observe that such storage accesses are made by 10-15% of hot data. Based on these observations, we present a new architecture that utilizes NVM in order to eliminate a bunch of storage accesses. In particular, we show that only a small size of NVM is sufficient to absorb hot data accesses by making use of efficient management techniques. Unlike aforementioned suggestions for improving Android swap performances by adding NVM, we also propose a technique that does not use NVM but improve performances by only judicious software management. Specifically, we present a selective swapping scheme, which classifies applications based on their context-saving characteristics, and selectively support swap for applications that do not save context by themselves. Experimental results show that our scheme reduces application’s launch time by 31% on average and up to 77% compared to swap-supported Android. ;지속적인 스토리지의 성능 향상에도 불구하고 메인 메모리와 보조 스토리지의 속도 차이는 좁혀지지 않고 있다. 최근 PCM(phase-change memory) 혹은 STT-MRAM(spin torque transfer magnetic RAM) 같은 비휘발성 램의 출현으로 소량의 비휘발성 램을 스토리지로 추가하는 보조 스토리지 구성요소의 재설계의 필요성이 증가하고 있다. I/O 성능 향상을 위해서는 소량의 비휘발성 램의 효율적인 사용이 중요하다. 본 학위 논문에서는 데스크탑 및 스마트폰 시스템의 애플리케이션 I/O 특징을 고려한 I/O 성능 향상 기법을 제안한다. 스토리지 I/O를 집중적으로 발생시키는 파티션이 파일시스템, 스왑 영역, 저널 영역 중 하나로 고정되지 않고 애플리케이션 카테고리별로 다르게 나타난다는 것과 스토리지 I/O 접근 특징이 1회성 접근 데이터가 40%이상이라는 것을 분석하고 이러한 특성을 고려한 소량의 비휘발성 램을 적용한 아키텍처를 제안한다. 또한 스마트폰 애플리케이션의 신뢰성 향상을 위해 스왑지원에 따른 스토리지 I/O를 분석한다. 스왑지원 안드로이드는 4-15배 스토리지 접근이 증가하고 이러한 스토리지 접근은 10-15%의 블록들에 의해 전체 접근 중 80의 접근이 발생함을 분석한다. 이러한 분석을 기반으로 스왑지원 안드로이드에서 스토리지 접근 중 대부분을 제거하는 아키텍처를 제안한다. 저속의 스왑지원 안드로이드 문제를 효율적으로 감추는 하이브리드 스토리지 아키텍처와 그에 대한 페이지 교체 알고리즘을 제안한다. 마지막으로 애플리케이션의 카테고리를 프로세스 문맥(context) 유지가 꼭 필요하여 스와핑 대상이 되어야 할 앱과 기존 안드로이드처럼 종료 후 재실행을 해도 무관한 앱으로 분류한 후, 이에 기반해 메모리 부족시 선별적인 스와핑과 kill을 시행하는 선택적 스와핑 방안을 제안한다. 각각의 연구 주제에 대해 본 학위 논문에서는 새롭게 제안한 기법의 시뮬레이터 개발과 실측을 통해 성능을 검증한다.