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국문요약

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목차

I. 서론 10

II. 관련연구 15

1. 스토리지 클래스 메모리 관련 연구 15

2. 플래시 메모리 관련 연구 16

III. 차세대 메모리 계층 구조 19

IV. 전력 소모량과 성능 분석 22

1. 실험 환경 22

2. 메모리 계층 구조별 성능 분석 23

3. 전력 소모량 분석 26

V. 고성능 컴퓨팅을 위한 SCM 관리기법 28

1. SCM을 위한 소프트웨어 계층 구조 28

2. 구현 내용 33

1) SCM driver 33

2) SCM manager 34

3. 실험 결과 39

VI. 고성능 컴퓨팅을 위한 플래시 메모리 관리 기법 42

1. 블록 클리닝 비용과 성능 모델 42

2. 모델 검증 및 비용 분석 47

3. 순수도 기반 페이지 할당 기법 50

4. 실험 결과 52

VII. 저전력 컴퓨팅 기법 57

1. 영속적 컴퓨팅 기법 설계 및 구현 57

2. 실험 결과 61

VIII. 결론 63

참고문헌 65

Abstract 73

표목차

〈표 1〉 SCM, 플래시 메모리, DRAM의 특성 11

〈표 2〉 내장형 시스템 하드웨어 명세 23

〈표 3〉 conversion manager가 제공하는 새로운 인터페이스 36

〈표 4〉 새로운 인터페이스 사용을 위해 수정된 코드 라인 수 38

〈표 5〉 기존 YAFFS와 MODA간의 성능 비교 53

그림목차

〈그림 1〉 SCM을 활용하여 구축 가능한 메모리 계층 구조 19

〈그림 2〉 SCM이 장착된 실험용 보드 22

〈그림 3〉 응용 프로그램의 수행 시간 측정 결과 24

〈그림 4〉 Bytebench와 Ubench 실험결과 25

〈그림 5〉 전력 소모량 비교 결과 27

〈그림 6〉 제자리 갱신(In-place update)의 예 29

〈그림 7〉 SCM manager의 개념적인 구조 30

〈그림 8〉 새로운 인터페이스의 효율성 31

〈그림 9〉 SCM을 위한 소프트웨어 계층 구조 32

〈그림 10〉 SCM driver의 동작 34

〈그림 11〉 SCM manager의 구조 35

〈그림 12〉 객체 이동의 예 37

〈그림 13〉 새로운 인터페이스 사용을 위한 코드 수정 예 37

〈그림 14〉 단일 객체 관리 기법이 적용되지 않은 성능 평가 결과 39

〈그림 15〉 단일 객체 관리 기법이 도입된 성능 평가 결과 40

〈그림 16〉 전통적인 메모리 계층 구조와 SCM manager가 도입된 SCM-Only 구조의 성능 비교 41

〈그림 17〉 플래시 메모리 구조 42

〈그림 18〉 플래시 메모리의 데이터 갱신 43

〈그림 19〉 페이지의 상태와 전이 44

〈그림 20〉 성능 인자 설명(u＝i＝0.4일 때) (a) p＝0.2 (b) p＝0.6 (c) p＝1 45

〈그림 21〉 계층별 플래시 메모리 각 연산의 수행시간 비교 47

〈그림 22〉 FSST와 FBCT의 사용 예 48

〈그림 23〉 FSST와 FBCT를 이용한 모델 검증 결과 49

〈그림 24〉 클리닝 비용과 성능 인자 관계 50

〈그림 25〉 변경 특성을 고려한 데이터 분류 51

〈그림 26〉 다양한 이용률에서의 벤치마크 수행 결과 55

〈그림 27〉 YAFFS, DAC, MODA 간의 성능 비교 56

〈그림 28〉 컴퓨터 사용 모드별 전력 사용량 비교 58

〈그림 29〉 기존 부팅 순서와 인스턴트 부팅 순서 60

〈그림 30〉 전원 차단 탐지 및 문맥 저장 61

〈그림 31〉 부팅 시간 비교 62

초록보기

최근 스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory, 이후 SCM)와 플래시 메모리(Flash Memory)를 기반으로 한 SSD(Solid State Disk)와 같은 저장장치가 다양한 시스템에 활발히 적용되고 있다. SCM은 DRAM의 바이트 단위 임의 접근성과 디스크의 비휘발성 특징을 모두 가지고 있기 때문에 메인메모리와 저장장치 모두로 사용될 수 있다. 또한 대표적인 기존 저장장치인 하드디스크와 달리 기계적인 동작 부위가 없는 플래시 메모리 기반 저장장치는 특히 저전력 및 고성능 컴퓨팅 측면에서 큰 장점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 SCM과 플래시 메모리가 도입된 새로운 메모리 계층 구조의 제안 및 저전력 고성능 컴퓨팅을 위해 이를 효율적으로 관리하기 위한 시스템 소프트웨어에 대해 연구한다.

본 논문의 연구내용은 크게 네 가지로 구분된다. 첫째, SCM과 플래시 메모리를 도입함으로써 구축 가능해진 새로운 메모리 계층 구조를 제안한다. 각각의 계층 구조는 플래시 메모리를 도입한 전통적인 메모리 계층 구조인 RAM-Flash 구조, SCM을 저장장치로 사용하는 RAM-SCM 구조, SCM을 메인메모리로 사용하는 SCM-Flash 구조 그리고 SCM을 저장장치와 메인메모리로 동시에 사용하는 SCM-Only 구조의 네 가지로 구분 된다. 또한 SCM의 일종인 FeRAM을 실제 장착한 보드를 제작하였으며, 이를 기반으로 다양한 벤치마크 프로그램의 수행을 통해 제안된 네 가지의 계층 구조의 성능과 전력 소모량 간의 상관관계를 분석하였다. 실험결과 SCM-Only 구조가 가장 높은 에너지 효율성을 제공하나, 기존 SDRAM 대비 SCM의 느린 접근 속도로 인해 비교적 낮은 성능을 보임을 확인할 수 있었다.

둘째, SCM-Only 메모리 계층 구조에서의 고성능 컴퓨팅을 위해 SCM이 저장장치와 메인메모리로 동시에 사용될 수 있도록 해주는 소프트웨어 구조를 제안한다. 제안된 구조는 크게 SCM driver와 SCM manager로 구성된다. SCM driver는 SCM을 직접 관리하며, FAT이나 Ext2와 같은 전통적인 파일시스템이나 버디할당자와 같은 전통적인 메모리 관리자, 혹은 SCM manager 등의 상위 소프트웨어 계층에 저수준 인터페이스를 제공한다. SCM manager는 파일 객체와 메모리 객체를 통합하여 관리함으로써 이들 간에 부가적인 비용이 없는 변환을 가능케 한다. 제안된 기법은 FeRAM이 도입된 실제 시스템에서 구현 및 실험 되었으며, 실험 결과를 통해 SCM driver가 효율적으로 전통적인 파일시스템과 메모리 관리자가 요구하는 기능을 제공할 수 있음을 보였다. 또한 기존을 파일시스템과 메모리 관리자를 통해 SCM을 각각 관리하는 것보다 SCM manager가 수십 배 빠른 성능을 보임을 확인 할 수 있었다.

셋째, 플래시 메모리를 저장장치로 사용하는 시스템의 고성능 컴퓨팅 기법에 대해 연구하였다. 우선 플래시 메모리 기반 파일시스템 성능의 가장 큰 병목 요소로 블록 클리닝을 정의하였다. 블록 클리닝에 영향을 끼치는 성능인자로써 이용률, 무효율, 순수도를 정의하였고, 이를 바탕으로 블록 클리닝 비용을 예측할 수 있는 비용 모델을 수립하였다. 또한 모델의 예측 값과 실제 시스템에서의 측정 결과를 비교함으로써 모델을 검증하였다. 더불어 수립한 모델에 따라서 블록 클리닝 비용을 최소화 할 수 있는 MODA(MODification-Aware) 할당 정책을 설계하였고, YAFFS 파일시스템에 실제 구현하였다. 실험결과 MODA는 YAFFS의 순차 할당 기법이나 기존 유사 연구에 비해 최대 43초, 평균 10.2초의 성능 향상을 보였다.

넷째, SCM이 도입됨으로써 가능해지는 새로운 컴퓨팅 패러다임에 대해 살펴본다. 구체적으로 시스템의 문맥을 SCM에 저장/복원함으로써 인스턴트 온/오프 기법을 구현하였으며 이를 통한 영속적인 컴퓨팅 시스템에 대해 연구하였다. 이를 통해 사용자는 부팅/사용/종료가 아닌 사용/비사용의 개념만이 존재하는 새로운 컴퓨팅 환경을 제공받을 수 있으며, 비사용 시 전원을 즉각 차단함으로써 DTV나 스마트 폰 등의 다양한 전자제품에서 극 저전력 소모 시스템의 구축이 가능함을 보인다.

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