스토리지 클래스 메모리 (SCM)는 비휘발성 속성과 바이트 단위의 임의 접근이 가능한 속성을 동시에 보유하고 있는 차세대 메모리 기술로써 그 활용 방안에 있어서 귀추가 주목된다. 기존 시스템에 SCM을 도입하면 시스템의 수행 속도와 안전성을 크게 향상할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 시스템에서는 불가능했던 새로운 특징들을 제공할 수 있다. 본 연구는 혁신적인 용도로의 SCM 활용 가능성에 주목하며, 그 일환으로 SCM을 메인 메모리로 활용하여 종료 상태의 시스템에 전원이 인가되는 즉시 종전의 시스템 상태로 되돌아갈 수 있는 SOONN을 제안한다. 본 논문에서는 실제 임베디드 시스템 환경에서 프로토타입 시스템을 개발함으로써 SOONN의 실현 가능성을 제시한다.
PRAM, FRAM, MRAM 등 스토리지 클래스 메모리(SCM)는 가까운 미래에 접근 속도는 DRAM에 용량은 플래시 메모리에 근접할 것으로 예상된다. 따라서 SCM이 컴퓨터 시스템에서 메모리(DRAM)뿐만 아니라 스토리지(하드디스크 혹은 플래시 메모리)를 대체할 수 있을 것이다. 이 논문에서는 SCM 기반 컴퓨터 시스템을 위한 효율적인 파일 접근 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크는 SCM에 파일 저장을 위한 영역과 메모리 사용을 위한 영역을 구분하지 않는다. 또한 제안하는 프레임워크는 파일 관리를 위하여 단일 데이터 접근 경로, 파일 매핑을 통한 제로 카피 데이터 읽기, 카피 온 라이트 기반 데이터 쓰기, 다수 페이지 프리 폴팅 등 다양한 메모리 관련 기술들을 사용한다. 주요 실험 결과를 통해서 논문에서 제안하는 프레임워크는 SCM 기반 컴퓨터 시스템의 운영체제 디자인을 위한 초석이 될 것이다.
최근 기존 스토리지의 물리적 한계를 극복하기 위해 차세대 스토리지로 불리는 스토리지 클래스 메모리(SCM)의 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 SCM의 장점을 활용하기 위한 SCM 전용파일 시스템 또한 많은 연구가 되고 있다. 하지만, 현재까지 연구되어온 SCM 전용 파일 시스템은 빠른 속도에만 중점을 두어 부분적인 일관성 지원 또는 특정한 환경에서의 시스템 성능 저하 등의 문제요인이 있다. 본 논문에서는 SCM과 SCM 전용 파일 시스템을 알아보고 일관성 유지 기법의 비교 및 분석을 통하여 현재까지 연구된 일관성 유지 기법의 문제점을 파악하고 SCM에 최적화된 새로운 일관성 유지 기법의 방향을 모색한다.
최근 등장한 비휘발성 속성과 램의 속성을 동시에 제공하는 스토리지 클래스 메모리(SCM)는 스토리지 시스템의 입출력 성능과 안정성 향상을 위한 시스템 소프트웨어 연구에 있어 새로운 가능성을 열어준다. 이에 본 연구에서는 트랜잭션 단위 쓰기를 보장하는 SCM 버퍼 캐시를 통하여 스토리지 시스템의 안전성과 성능을 동시에 향상 시키는 한편 시스템 붕괴 시 즉각적인 복구를 가능하게 한다. 본 연구에서 제안하는 트랜잭션 단위 쓰기를 보장하는 SCM 버퍼 캐시 기법은 리눅스 저널링 블록 디바이스(JBD)의 트랜잭션 메커니즘을 기반으로 하므로 JBD 만큼의 안정성을 제공 한다. 동시에 실제 시스템에서의 성능 평과 결과에서 트랜잭션 단위 쓰기를 보장하는 SCM 버퍼 캐시를 적용한 EXT3 파일 시스템은 높은 수준의 안정성을 보장하는 동시에 최소한의 안정성만을 제공하는 파일시스템보다 더 좋은 수행성능을 보여주었으며, 시스템 붕괴 시 시스템을 즉각적(약 0.2초)으로 복구함을 보여주었다.
스토리지 클래스 메모리(SCM)는 메모리와 스토리지의 장점을 동시에 가지고 있기 때문에 기존의 스토리지를 대체할 차세대 스토리지로 주목 받고 있다. 하지만 현재까지 제안된 SCM 전용 파일시스템은 데이터 일관성을 충분히 보장하지 않거나 혹은 보장될 경우, 과도한 일관성 유지 비용을 발생시키는 문제점을 지니고 있다. 본 논문에서는 보편적으로 사용하는 WAL(Write Ahead Logging) 방식의 일관성 유지 기법 대신 롤백-복구 방식을 이용하여, 블록내의 변경되는 데이터의 비율에 따라 로그 데이터 기록 방식을 변경하는 데이터 일관성 유지 기법을 제안한다. 본 기법은 데이터 일관성 손실 없이 로그 데이터의 크기를 줄여 데이터 쓰기 및 동기화 비용을 최소화시킬 수 있다. 제안한 기법을 평가하기 위해 리눅스 3.10.2 상에 구현하여 성능을 측정한 결과, 다른 일관성 유지기법에 비해 평균적으로 9배 정도의 데이터 쓰기 성능이 향상됨을 볼 수 있었다.
본 논문에서는 차세대 비휘발성램 기술인 스토리지 클래스 메모리(SCM)와 DRAM을 병렬적으로 메인 메모리로서 도입하고, SCM+DRAM 메인 메모리 시스템을 시스템 신뢰성 측면에서 활용한다. 본 시스템에서는 부팅 없는 즉각적인 시스템 온/오프, 프로세스의 동적인 영속성 또는 비영속성의 선택, 그리고 이를 통하여 전원과 소프트웨어 장애로부터의 빠른 복구를 제공한다. 본 논문에서 제안하는 시스템의 장점은 체크포인팅에서의 문제들, 즉 심각한 오버헤드와 복구 지연을 야기하지 않으며, 특히 응용 프로그램에 대한 완전한 투명성을 제공하기 때문에 보편적인 응용 프로그램에 영속성을 제공할 수 있어 실제 환경에 적용되기가 쉽다. 우리는 이를 검증하기 위해 상용 운영체제인 리눅스 커널 2.6.21을 기반으로 시스템을 구현하였고, 실험을 통해 영속성이 지정된 프로세스가 시스템의 오프-온 후 데이터 손실 없이 즉각적으로 실행을 지속하는 것을 알 수 있었으며, 이를 통하여 우리는 본 시스템에서 가용성과 신뢰성이 향상될 수 있음을 확인하였다.
최근 비휘발성, 바이트 단위 접근이 가능한 스토리지 클래스 메모리 관련 시스템 소프트웨어 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 본 논문에서는 SCM의 성능 및 용량, 가격 측면을 고려하여, NAND 스토리지 시스템 성능 향상을 위한 변화량 기반 저널링 기법을 제안한다. 본 기법은 기존 데이터 대비 바뀐 부분이 임계치보다 작을 경우, 해당 부분을 기록하는 저널 영역으로써 SCM을 활용한다. 분석 결과에서 알 수 있듯이 본 논문에서 제안한 기법은 NAND 페이지 쓰기 횟수를 크게 감소시킴으로써, I/O 성능 및 NAND 스토리지 수명 향상을 가져온다.
비휘발성 나노 저장 소자는 고속의 바이트 단위 접근성과 함께 비휘발성을 동시에 갖고 있다. 이와 같은 특징은 차세대 장치로 주목 받을 만큼 오늘날의 컴퓨터 구조에 큰 변화를 줄 수 있는 잠재력을 갖고 있으며 이를 접목한 시스템적인 개발 역시 활발하게 진행되고 있다. 본 논문에서는 기존의 메인 메모리와 나노 저장 소자가 융합된 스토리지 메모리 클래스(SCM) 환경 하에서 입출력시에 원자성(Atomicity)이 보장되도록 설계, 구현된 새도우 블록 기법을 소개하고, 더불어 캐시를 사용하며 발생할 수 있는 데이터 일관성 처리의 보장을 다루었다. 또한 실제 FRAM이 장착된 하드웨어 환경 하에서 개선된 새도우 블록을 동작하여 측정한 성능 결과를 함께 제공한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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