Non-volatile memory devices such as PRAM (Phase-change RAM), FRAM (Ferroelectric RAM) and MRAM (Magnetic RAM) have been developed as next generation memory devices. Among these, PRAM has begun to gain acceptance as an alternative to embedded storage with its notable features such as non-volatility, random access capability, in-place update, low power usage, and long write endurance. In this thesis, we study the use of PRAM for NAND flash memory and main memory system. Several flash file systems have been developed based on the physical characteristics of NAND flash memory. However, previous flash file systems still have performance overhead and scalability problems caused by metadata management in NAND flash memory. Therefore we present a flash file system called PFFS2. PFFS2 stores all metadata into virtual metadata storage which employ Phase-change RAM (PRAM). PRAM is next-generation non-volatile memory and will be good for dealing with word-level read/write of small-size data. Based on the virtual metadata storage, PFFS2 can manage metadata in a virtually fixed location and through byte-level in-place update. Therefore, the performance of PFFS2 is 38% better than YAFFS2 for small-file read/write while matching YAFFS2 performance for large writes. Especially, the virtual metadata storage is very effective to decrease the burden of computational and I/O overhead of garbage collection. In addition, PFFS2 keeps 0.18 second mounting time and 284KB memory usage in spite of increase of NAND flash memory size. We also propose the wear-leveling solution for PRAM in the virtual metadata storage and highly reduce the total write count of NAND flash memory. The life span of PFFS2 is longer than other flash file systems. Also, we consider the OS level support to exploit PRAM in current computer system. First of all, we decide to use PRAM with a small size DRAM to overcome the limitation of PRAM. PRAM and DRAM are mapped into single physical memory address space. Then, the physical main memory of OS consists of one small fast region (DRAM) and one large slow region (PRAM). Therefore, the PRAM is increase the size of main memory and eliminates a lot of page faults. At the same time, we can use DRAM to reduce the overall memory access latency. Based on this main memory architecture, we also propose a new physical page management mechanism. The physical memory pages, which are used by process, are selectively allocated based on the page type. They are also dynamically migrated between DRAM and PRAM. Consequently, we minimize the performance degradation and endurance problems caused by PRAM while achieving a large scale and low power main memory. In addition, we also discuss the file system interface to share the non-volatile main memory pages of PRAM as a storage alternative. It give a lot of advantage for file system to access metadata and small size file because it can read or write the data as single word level and avoid unnecessary seek latency of disk.
본 논문은 차세대 메모리인 상변화 메모리를 이용하여 플래시 파일 시스템을 디자인하여 파일 시스템의 성능을 향상시키고 상변화 메모리(PRAM) 기반의 새로운 메인 메모리구조를 통하여 메인 메모리의 에너지 소비를 감소시킨 논문이다.
제안된 PFFS 파일 시스템에서는 기존의 NAND 플래시에서 관리가 까다로운 파일 시스템의 메타데이터를 상변화 메모리의 non-volatile, word-level access, in-plcae update등의 특성을 이용하여 관리하는 방법을 제시하였다. 이를 통하여 메타데이터 업데이트를 빠르게 처리할 수 있으며 NAND 플래시 메모리의 가비지 컬렉션 성능을 향상 시켜 전체 NAND 파일 시스템의 성능을 40% 증가 시키는 결과를 보였다. 특히 상변화 메모리와 NAND 플래시 메모리를 가상의 메타데이터 관리 공간으로 사용할 수 있는 가상 메타데이터 저장장치 개념을 도입하여 NAND 플래시 파일 시스템의 마운팅 타임과 메모리 사용량을 NAND 플래시 메모리 크기에 상관 없이 최소한으로 유지함과 동시에 작은 크기의 상변화 메모리를 사용할 시에도 파일 시스템이 동작 가능하고 성능을 높일 수 있도록 구현하였다.
DRAM과 상변화 메모리를 Hybrid 형태의 메모리로 구성하여 메인 메모리 구성 비용 및 메인 메모리의 사용 에너지를 줄이는 아키텍쳐를 제시하고 OS 레벨에서 Hybrid 메모리 관리를 위한 선택적 메모리 할당 기법을 통하여 메모리 패이지의 사용 패턴에 따라 페이지를 DRAM과 상변화 메모리에 할당하는 방법을 제시하였다. 이를 통하여 기존의 DRAM기반 메모리의 에너지 소모를 50% 감소 시키는 결과를 보였으며 상변화 메모리의 느린 접근 속도 때문에 발생하는 메인 메모리 접근 성능의 감소를 기존의 메모리 할당 방식에 비하여 50% 정도 줄임으로써 11개 테스트 프로그램 중 6개 프로그램에서 20% 미만의 성능 감소만이 발생하는 결과를 보였다.
최종적으로 앞서 연구한 상변화 메모리의 파일 시스템, 메인 메모리 연구를 통합하여 하나의 상변화 메모리 모듈을 OS레벨에서 소프트웨어적으로 공유하고 통합 관리 할 수 있는 방법을 제시하였다. 상변화 메모리를 하드웨어적으로 메임 메모리 영역에 할당하고 OS에서 통합된 가상 메모리 스토리지로 관리 하고 특별히 스토리지 페이지 테이블을 도입하여 메모리 페이지가 메인 메모리 또는 스토리지 영역에 자유로이 할당 될 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 이러한 가상 메모리 스토리지 상에서 시스템의 상태및 워크로드에 따라 메인 메모리 및 파일 시스템에 할당하고 필요한 경우 DRAM 또는 Disk로 마이그레이션 하는 방법을 제시하여 전체 시스템 성능을 최적화 하였다.
