Flash memory has emerged as a strong candidate for a storage device because of its fast random access, low power consumption, small and light form, and shock resistance. However, flash memory has different hardware characteristics compared to the traditional storage device, magnetic disk. In particular, flash memory has uniform access speed, asymmetric read and write performance, and no in-place update. To narrow the hardware gap between flash memory and magnetic disks, flash memory-based storage devices employ special software programs such as Flash Translation Layers (FTLs) and flash file systems. These software programs have been improved to reduce the management overheads of flash memory in terms of both time and energy. However, in spite of these efforts, flash memory does not exhibit full perform gain under existing operating systems, which have been optimized under the assumption that secondary storage is composed of magnetic disks. Therefore, it is necessary to revisit operating system policies and mechanisms, and to revise them for flash memory-based secondary storage.
This thesis deals with the software optimization in order to use flash memory as a secondary storage device. First, a new page replacement algorithm, Cost-based LRU (CBLRU) is proposed. The CBLRU analyzes the cost and benefit of two replacement decisions using the information of early evicted clean pages. Based on the precise analysis, this algorithm reduces the number of costly write and erase operations, while avoiding an escalation of cache misses. Second, this research suggests an I/O request handling method that reorders the outstanding requests in the request queue to increase the use of parallel components in flash-based storage devices. In addition, it explores write request mapping methods that also affect the parallel executions of storage components. Simulation results with real workloads show that the I/O performance of the proposed replacement algorithm is enhanced by up to 7.7\% compared with the existing LRU algorithm. Also, the I/O request handling method enhances the performance of flash-based storage by up to 11.8\% without increasing hardware components such as flash memory chips and bus channels.
플래시 메모리는 데이타 접근 속도가 빠르고 전력을 적게 사용하는 등의 장점을 가지고 있다. 이 때문에 최근 모바일 단말기 뿐만 아니라 대형 서버에 까지 사용 범위가 넓혀지는 추세이다. 플래시 메모리는 기존에 저장 장치로 주로 사용되어 온 마그네틱 디스크와는 크게 다른 하드웨어적인 특성을 가지고 있다. 첫째, 플래시 메모리는 데이터 접근 거리와 상관없이 일정한 접근 속도를 가지는 반면 읽기와 쓰기 속도가 서로 다르다. 둘째, 쓰기 속도는 읽기 속도에 비해서 현저하게 느리고 재차 쓰기 시에 반드시 해당 영역을 지워야 하는 제약이 있다. 이러한 하드웨어적인 특성의 차이를 보완하기 위해 FTL이나 플래시 메모리 전용 파일 시스템이 사용되고 있는데, 이들 연구는 플래시 메모리를 관리하는 오버헤드를 줄이기 위한 방향으로 주로 이뤄져 왔다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 기존의 시스템들은 플래시 메모리의 장점들을 최대로 활용하고 있지는 못하다. 이것은 운영 체제의 입출력 관련 서브 시스템들이 마그네틱 디스크 드라이브를 저장 장치로 가정하고 최적화되어 왔기 때문이다. 그러나 플래시 메모리가 사용되는 컴퓨팅 시스템이 늘어남에 따라 플래시 메모리를 저장 장치로 사용하기 위한 운영 체제의 수정이 반드시 필요하다.
본 연구는 플래시 메모리를 저장 장치로 사용하기 위한 운영 체제의 최적화 방법에 대해 다룬다. 특히 저장 장치의 특성에 따라 메카지즘이 크게 바뀌는 운영 체제의 두 가지 서브 시스템을 재설계한다. 첫째, 캐쉬 관리 기법에서 플래시 저장 장치를 위한 페이지 교체 알고리즘인을 제안한다. 제안하는 CBLRU 알고리즘은 플래시 메모리의 읽기와 쓰기 오퍼레이션의 성능 차이를 고려하여 총 교체 비용이 적게 발생하도록 한다. CBLRU 알고리즘은 선택 가능한 두 가지 페이지 교체 방법의 비용을 분석하여 현재 캐쉬 상태가 갖는 이득과 비용을 계산하고 이를 바탕으로 다음 페이지 교체 시에 효율적인 결정을 내림으로써 총 페이지 교체 비용을 최소화 하는 알고리즘이다. 실제 사용되는 어플리케이션의 워크로드를 사용하여 시뮬레이션한 결과, 제안하는 알고리즘은 기존에 많이 사용되는 LRU 알고리즘에 비해서 약 7.7\%까지 성능을 향상 하였다. 둘째, 입출력 요청 처리 방법으로 큐를 재정렬하여 플래시 메모리 내의 병렬 컴포넌트의 사용성을 높이는 알고리즘을 제안한다. 플래시 메모리 칩 내부의 플래인은 요청 순서에 따라 병렬 수행에 큰 영향을 받는다. 따라서 입출력 요청을 재정렬 함으로써 플래인들의 사용성을 높인다. 또한 쓰기 요청 매핑 방법은 플래시 저장 장치 내에 전체 컴포넌트들의 병렬 수행에 큰 영향을 미치기 때문에 실험을 통하여 효과적인 매핑 방법을 찾는다. 제안하는 방법은 저장 장치 내의 추가 플래시 컴포넌트의 추가 없이 성능을 향상시킬 수 있는 방법으로 SLC 플래시에서는 약 9.2\% 그리고 MLC 플래시에서는 약 11.8\%까지 성능을 향상 하였다.
