SSD의 플래시 변환 계층을 위한 변환 페이지의 압축표현

김용석(Yong-Seok Kim) 한국컴퓨터정보학회 2019 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.24 No.2

This paper presents CTP (Compact Translation Page), a compact representation of translation pages, for page mapping-based flash translation layers to improve RAM utilization and reduce the response time of solid state drives. CTP can store translation information twice in a translation page and the total number of translation pages stored in flash is reduced to half. Therefore, CTP halves the RAM size of the directory of translation pages and uses the saved RAM space for translation cache. CTP shows the best response time when compared to existing page mapping-based flash translation layers.

NAND 플래시 메모리 저장 장치에서 블록 재활용 기법의 비용 기반 최적화

이종민(Jongmin Lee),김성훈(Sunghoon Kim),안성준(Seongjun Ahn),이동희(Donghee Lee),노삼혁(Sam H. Noh) 한국정보과학회 2007 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.13 No.7

Flash memory based storage has been used in various mobile systems and now is to be used in Laptop computers in the name of Solid State Disk. The Flash memory has not only merits in terms of weight, shock resistance, and power consumption but also limitations like erasebefore-write property. To overcome these limitations, Flash memory based storage requires special address mapping software called FTL(Flash-memory Translation Layer), which often performs merge operation for block recycling. In order to reduce block recycling cost in NAND Flash memory based storage, we introduce another block recycling scheme which we call migration. As a result, the FTL can select either merge or migration depending on their costs for each block recycling. Experimental results with Postmark benchmark and embedded system workload show that this cost-based selection of migration/merge operation improves the performance of Flash memory based storage. Also, we present a solution of macroscopic optimal migration/merge sequence that minimizes a block recycling cost for each migration/merge combination period. Experimental results show that the performance of Flash memory based storage can be more improved by the macroscopic optimization than the simple cost-based selection. 이동기기의 저장 장치로 사용되는 플래시 메모리는 이제 SSD(Solid State Disk) 형태로 노트북 컴퓨터까지 그 적용 범위가 확대되고 있다. 이러한 플래시 메모리는 무게, 내충격성, 전력 소비량 면에서 장점을 가지고 있지만, erase-before-write 속성과 같은 단점도 가진다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 플래시 메모리 기반 저장 장치는 FTL(Flash-memory Translation Layer)이라는 특별한 주소 사상소프트웨어를 필요로 하며, FTL은 종종 블록을 재활용하기 위하여 병합 연산을 수행해야 한다. NAND 플래시 메모리 기반 저장 장치에서 블록 재활용 비용을 줄이기 위해 본 논문에서는 이주 연산이라는 또 다른 블록 재활용 기법을 도입하였으며, FTL은 블록 재활용시 이주와 병합 연산 중에서 비용이 적게 드는 연산을 선택하도록 하였다. Postmark 벤치마크와 임베디드 시스템 워크로드를 사용한 실험 결과는 이러한 비용 기반 선택이 플래시 메모리 기반 저장 장치의 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다. 아울러 이주/병합 연산이 조합된 각 주기마다 블록 재활용 비용을 최소화하는 이주/병합 순서의 거시적 최적화의 해를 발견하였으며, 실험 결과는 거시적 최적화가 단순 비용 기반 선택보다 플래시 메모리 기반 저장 장치의 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 보여준다.

논리 블록의 접근경향을 활용한 이종 낸드 플래시 기반 저장장치를 위한 Flash Translation Layer

방관후(Kwanhu Bang),박상훈(Sang-Hoon Park),이혁준(Hyuk-Jun Lee),정의영(Eui-Young Chung) 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.5

O(1) 크래시 복구 수행시간을 갖는 FTL의 설계와 구현

박준영(Joon Young Park),박현찬(Hyunchan Park),유혁(Chuck Yoo) 한국정보과학회 2015 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.21 No.10

최근 널리 사용되는 Solid State Drive(SSD), embedded Multi Media Card(eMMC) 등의 플래시 저장장치는 사용자 요구에 의해 점점 그 용량이 증대되고 있다. 플래시 저장장치 내부의 Flash Translation Layer(FTL)은 전원 유실 등의 크래시 상황에서 전체 플래시 영역을 대상으로 복구하는 동작을 하게 되는데, 저장장치의 고용량 화로 인해 그 시간이 길어지는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 저장장치 용량에 비례하지 않도록 O(1) 크래시 복구 수행 시간을 갖는 O1FTL을 제안한다. 이를 위해 본 연구팀은 기존에 플래시 파일 시스템에서 제안된 작업 영역 기법을 FTL에 적용하고 실제 하드웨어 플랫폼에 구현하였다. 실험 결과, 다양한 용량에 대해 유사한 복구 시간을 달성함을 보였으며, I/O 성능, 수명에 대해서는 대단히 적은 오버헤드를 요구하는 것을 검증하였다. The capacity of flash-based storage such as Solid State Drive(SSD) and embedded Multi Media Card(eMMC) is ever-increasing because of the needs from the end-users. However, if a flash-based storage crashes, such as during power failure, the flash translation layer(FTL) is responsible for the crash recovery based on the entire flash memory. The recovery time increases as the capacity of the flash-based storages increases. We propose O1FTL with O(1) crash recovery time that is independent of the flash capacity. O1FTL adopts the working area technique suggested for the flash file system and evaluates the design on a real hardware platform. The results show that O1FTL achieves a crash recovery time that is independent of the capacity and the overhead, in terms of I/O performance, and achieves a low P/E cycle.

카운팅 블룸필터를 활용한 FAST FTL 로그영역 탐색성능 개선

강운학(WoonHak Kang),이상원(SangWon Lee) 한국정보과학회 2011 정보과학회논문지 : 데이타베이스 Vol.38 No.3

낸드 플래시 메모리(NAND flash memory)를 사용한 저장장치는 빠른 읽기/쓰기 성능, 저 전력, 충격에 강한 장점들로 인해 사용영역을 넓혀가고 있다. 지금까지 제안된 많은 FTL 기법 중에서, FAST는 논리적 페이지와 물리적 페이지 사이의 완전연관성을 사용하여 로그영역을 관리함으로써, 임의쓰기 성능이 아주 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 모든 읽기/쓰기/병합 연산마다 해당 페이지의 최신 버전이 로그영역에 존재하는지 먼저 확인해야 하는 부담이 있다. Flash SSD(Solid State Disk)를 포함해서, 낸드플래시 메모리 기반의 저장장치가 대용량화함에 따라, 쓰기버퍼 역할을 하는 FAST의 로그영역도 증가하게 될 것이며, 사상테이블에 대한 스캔 방식의 로그 영역 검색은 확장성에 문제가 있다. 본 논문에서는, FAST 로그영역에 대한 탐색비용을 획기적으로 개선하는 확장성 있는 검색기법으로, 카운팅 블룸필터를 응용하는 방식을 제시한다. 제안한 기법은 플래시메모리 컨트롤러와 같이 메모리 사용량이 제한된 환경에서, 주어진 데이터페이지의 최신 버전이 FAST 로그영역에 존재하는지를 아주 빨리 결정할 수 있다. 성능평가 결과, 제안한 기법이 비트맵 대비 30% 메모리만을 사용하고도 평균 80% 탐색을 회피할 수 있었다. 카운팅 블룸필터가 높은 회피율과 낮은 긍정오류를 보이기 때문에, FAST의 로그영역 탐색에 아주 효과적임을 알 수 있다. NAND flash memory storage devices has been widely adopted in many applications, due to its good characteristics. Unlike hard disk drive, however, flash memory does not allow in-place update so that a block should be erased before a page of the block is overwritten. Several FTL algorithms have been proposed during the past decade, among them, FAST scheme is popular for its random write performance because of its full associativity between logical data pages and physical flash pages in log blocks (called log area). However, on every read/write/merge operations, FAST should check whether the most recent version of a page exists in log blocks. But, even though the mapping table resides in SRAM, this full scan of the mapping table for checking the existence of the up-to-date page in the log block is not any more trivial as the size of flash-based storage grows exponentially and thus the number of log blocks should accordingly increase for reasonable random write performance. As a scalable search scheme for log area, this paper applies the counting bloom filters to efficiently check whether the recent copy of a page exist in the log area of FAST scheme. To be specific, with a very small footprint of memory, which is very common in resource-limited flash memory controllers, the counting bloom filter can quickly determine a recent version of the given data page does not reside in log area when it does not have its recent copy in log area. The performance evaluation shows that our scheme can improve the search cost of log area by more than 80% with only exploit 30% of memory compare to bitmap scheme.

RAID 기반 플래시 저장장치를 위한 수명 인지 신뢰성 향상 기법

이세환(Sehwan Lee),이빛나(Bitna Lee),고건(Kern Koh),반효경(Hyokyung Bahn) 한국정보과학회 2011 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.38 No.4

플래시 메모리 기반 저장 장치는 저전력 고성능의 장점과 더불어 용량이 점차 증가하면서, 서버 시스템에 이르기까지 채용될 것으로 전망되고 있다. 그와 함께 플래시 메모리의 신뢰성 문제 역시 점차 중요해지고 있다. 각 플래시 블록에 허용된 쓰기/삭제 횟수는 제한되어 있으며, 특히 MLC 플래시 메모리의 경우는 그 횟수가 10,000회 이하이다. 또한 플래시 메모리의 쓰기/삭제 횟수가 증가함에 따라 비트에러 발생률이 급격하게 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 RAID 기반의 플래시 저장장치를 위한 수명 기반 신뢰성 관리 기법을 제안한다. 첫째, 제안하는 기법은 쓰기/삭제 횟수 증가에 따라 플래시 메모리의 에러 발생률이 함께 증가하는 문제를 해결하기 위하여 스트라이핑 그룹의 크기를 동적으로 관리한다. 둘째, 제안하는 기법은 플래시 메모리의 특성을 고려한 로그 블록 FTL 기법을 이용한다. 이것은 데이터 영역과 로그 영역이 서로 다른 쓰기 패턴을 갖는 특징을 활용하여 각 영역에 대하여 서로 다른 신뢰성 정책을 적용하는 것이다. 셋째, 제안하는 기법은 임시로 패리티 블록을 저장하는 소량의 SCM을 사용한다. 이는 빈번한 패리티 업데이트가 즉시 플래시 메모리에 적용되지 않도록 함으로써 플래시 메모리의 수명을 연장시킨다. 실험 결과에서 제안하는 기법은 기존의 RAID-5에 비해 적은 공간 오버헤드와 높은 신뢰성을 보이면서 입출력 성능은 패리티 블록을 사용하지 않는 RAID-0과 대등한 성능을 보였다. Due to the ever-growing capacity of flash memory along with its good properties such as low-power consumption and high performance, flash-based SSDs (solid state disks) are anticipated to be used in the storage of high-end server systems. However, the reliability problem of flash devices is becoming increasingly serious. The number of P/E (program/erase) cycles allowed to each flash block is too small, especially less than 10,000 for MLC (multi-level cell) flash memory. Furthermore, the bit error rate of flash memory becomes rapidly high as the number of P/E cycles increases. To relieve these problems, we present a lifespan-aware reliability scheme, which adopts RAID technologies together with ECCs (error correction codes). First, our scheme dynamically manages the size of striping group to cope with the increasing error rates of flash memory as the number of P/E cycles increases. Second, we use a device-aware log block mapping scheme, which uses different reliability policies for data blocks and log blocks by taking advantage of the characteristics of each block type. Third, we use small amount of storage class memory (SCM) to save parity blocks temporarily. By absorbing frequent updates of parity into SCM, we can extend the lifespan of flash memory. Simulation experiments show that our scheme obtains high reliability with minimum space overhead as well as improved I/O performances compared to traditional RAID-5.

고성능 모바일 저장장치 맵 캐시 설계를 위한 어플리케이션의 저장장치 접근 특성 분석

강경구(Gyeong Gu Gang),송용호(Yong Ho Song) 한국정보과학회 2013 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.40 No.6

낸드 플래시 메모리는 기존의 하드 디스크에 비해 저전력, 고성능 등의 장점을 가지고 있지만, 데이터를 쓰기 전에는 삭제를 해야 한다는 단점을 지니고 있다. 이러한 문제 때문에, Flash Translation Layer 이라는 시스템 소프트웨어를 적용하여 논리주소와 물리주소를 매핑 한다. 그 방식으로 하이브리드 매핑이 많이 사용되었지만, 최근에는 빠른 속도의 페이지 매핑에 대한 요구가 증가하고 있다. 하지만 임베디드 시스템의 제한된 SRAM 크기로 인해 페이지 매핑의 사용이 어려워졌고, 이를 해결하기 위해 캐싱기법이 제시되었다. 본 논문에서는 접근 명령의 지역성을 분석하여 맵 캐시에 적용 가능한 인자들을 도출하였다. 실험을 통해 시간적 지역성을 수용할 수 있는 맵 캐시 크기를 예측하였으며, 읽기 명령과 순차적인 명령들은 교체 정책을 적용할 때에 낮은 우선순위를 두어야 하는 것을 알 수 있었다. 또한 128bytes의 좁은 지역에서 공간적 지역성이 우수한 것을 발견하였으며, 이러한 요소들이 맵 캐시의 성능을 높이는 데에 기여할 것이다. NAND flash memory has advantages including low power consumption, high performance, and etc. compared to the existing hard drive. But, it also has disadvantages in that data need to be deleted prior to writing. Because of these problems, it remaps physical address and logical address by using a system software called Flash Translation Layer. Hybrid mapping has been widely used, but the needs for page level scheme is increased as the highly demand of high-performance NAND flash memory recently. But, the use of page mapping became unavailable due to the limited size of SRAM of the embedded system and caching algorithms came out as a solution for this. In our study, we deducted the factors which is applicable for caching by analyzing the locality of access patterns. We have estimated the size of map cache which can accommodate the temporal locality by experiments to make a conclusion that lower priorities need to be placed on read and sequential requests when replacement policy is applied. Also, superior spatial locality was found in the narrow range of 128bytes which is expected to contribute to the enhancement of the performance of map cache.

고성능 대용량 플래시 메모리 저장장치의 효과적인 매핑정보 캐싱을 위한 적응적 매핑정보 관리기법

이용주(Yongju Lee),김현우(Hyunwoo Kim),김희정(Huijeong Kim),허태영(Taeyeong Huh),정상혁(Sanghyuk Jung),송용호(Yong Ho Song) 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.3

TinyFTL: 모바일 저장장치를 위한 확장성 있는 FTL

이종민(Jongmin Lee),오용석(Yongseok Oh),권훈기(Hunki Kwon),이동희(Donghee Lee) 한국정보과학회 2013 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.19 No.11

스마트폰과 타블릿 등에서 이용되는 플래시 메모리 기반 모바일 저장장치는 적은 양의 SRAM과 낮은 성능의 프로세서를 사용하는 등 매우 제한된 자원을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 모바일 환경에 최적화 된 TinyFTL을 제안하였다. 이는 매우 적은 양의 메모리를 사용하면서도 효율적으로 쓰레기 수집, 사상, 캐싱을 수행하며 장치가 빠르게 초기화 될 수 있도록 설계되었다. 또한 장치의 용량의 증가하여도 메모리 사용량은 크게 증가하지 않도록 확장성 있게 설계되었다. 실험을 통해 TinyFTL이 훨씬 더 적은 양의 메모리를 사용함에도 불구하고, 실행 시간이나 장치 초기화 시간에서 최신 FTL보다 높은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. Flash-memory based mobile storage used in smartphone and tablet has small amount of SRAM and low performance processors. In this paper, we propose a practical FTL architecture called TinyFTL that is optimized for the mobile environment. The TinyFTL has low memory requirements even though it implements full essential features of FTL that previous studies overlooked including efficient garbage collection, page-mapping, caching, and fast boot-up. Also it provides scalability such that memory requirement does not increase proportionally to storage capacity. Through experiments, we show that TinyFTL performs better than a state-of-the-art FTL in terms of performance and boot-up time with much smaller memory footprint.

A Cross Layer Optimization Technique for Improving Performance of MLC NAND Flash-Based Storages

박지성(Jisung Park),이성진(Sungjin Lee),김지홍(Jihong Kim) Korean Institute of Information Scientists and Eng 2017 정보과학회논문지 Vol.44 No.11