이 자료를 쓰는 강의: 62 memory controller·HBM·PIM·새 memory 와 storage(flash·SSD·RAID)

Lec24-Storage

한국어판 강의자료 · 24쪽

p.1

p.2flash memory(플래시 메모리)

p.3flash memory(플래시 메모리)

electrically modifiable(전기적으로 수정 가능한) non-volatile storage(비휘발성 저장소)
1980년대 초 Toshiba에서 처음 개발됨
ROM 및 EEPROM 장치에서 진화함
작동 원리:
두 번째 'floating gate(플로팅 게이트)'를 가진 트랜지스터
floating gate(플로팅 게이트)는 전자를 포획할 수 있음
트랜지스터 스위칭을 위한 임계 전압(Vt)의 감지 가능한 변화를 유도함
control gate(컨트롤 게이트)
floating gate(플로팅 게이트)
source(소스)
drain(드레인)
Vg (게이트 전압)

p.4NAND flash(NAND 플래시) 읽기 작업 (NAND)

source(소스)와 drain(드레인) 사이의 전류 흐름 강도를 통해 논리적 값 '1' 또는 '0'을 알 수 있음
1: erased state(지워진 상태) = 저저항 = 빠른 전환
임계 전압 == Vt_low
0: programmed state(프로그래밍된 상태) = 높은 저항 (플로팅 게이트 전자로 인해), 느린 전환
임계 전압 == Vt_high
Vt_low
0 또는 1을 읽기 위해 전류 감지
GND
Vt_low 또는 Vt_high에서 전원 켜기?

p.5NAND flash(NAND 플래시) 프로그래밍 및 지우기

플래시 프로그래밍(쓰기)
논리적 값 '1(지워진 상태)'에서 '0(프로그래밍된 상태)'로 변경
control gate(컨트롤 게이트)에 고전압을 인가
• 전자가 floating gate(플로팅 게이트)에 모임
• 'tunnel injection(터널 주입)'
→ Vt 증가 = Vt_low에서 스위칭되지 않음 = 저전류 = '0'
플래시 지우기
floating gate(플로팅 게이트)의 전하를 방전 (전체 block(블록)!) → 다시 '1'로 복귀
기판, source(소스), drain(드레인)에 고전압 인가
• 'tunnel release(터널 방출)'
block-granularity erasure(블록 단위 지우기)의 특성으로 인해, 어떤 오버라이트 작업도 먼저 비용이 큰 지우기 작업을 수행해야 함
0V
'tunnel release(터널 방출)'
drain(드레인)에서 floating gate(플로팅 게이트)의 전하 방출
20V
20V
20V
'tunnel injection(터널 주입)'
floating gate(플로팅 게이트)에 전하 포획
0V
0V

p.6flash memory(플래시 메모리): NAND 모델

NAND flash(NAND 플래시)
모든 셀이 직렬로 전역 GND에 연결됨
• 하나의 셀은 약 Vt_low에서 올라가고, 다른 모든 셀은 약 Vt_high 이상으로 올라감
• 전류가 흐르는지 여부에 따라 1 또는 0 결정
NOR flash(NOR 플래시)보다 더 높은 밀도
→ 대용량 저장 장치 (예: USB, SSD 등)

p.7flash memory(플래시 메모리): NAND 모델

순차적, page(페이지) 또는 block-level operation(블록 단위 작업)
block(블록) = page(페이지)의 그룹
block(블록): 16KB ~ 512KB // erasure granularity(지우기 단위)
page(페이지): 512B ~ 4KB // read & program granularity(읽기 및 프로그래밍 단위)
그림 출처: https://www.cactus-tech.com/resources/blog/details/solid-state-drive-primer-4-nand-architecture-pages-blocks/

p.8flash memory(플래시 메모리): NOR 모델

NOR flash(NOR 플래시)
각 셀은 GND와 비트라인에 연결됨
WL이 활성화되면, 연결된 셀이 비트라인을 낮춤
풀다운 속도(즉, 전류 강도)에 따라 1 또는 0 결정
빠른 워드 단위 프로그래밍 가능
워드 단위 읽기/쓰기 가능
그러나 지우기는 여전히 block(블록) 단위로 수행됨
NAND보다 빠른 읽기 속도
in-place memory(인플레이스 메모리) // 예: EPROM, ROM, ..

p.9NAND flash(NAND 플래시) 기술 비교

+ 고밀도
+ 빠른 쓰기, 지우기
- 느린 읽기
→ 대량 저장소에 사용됨
+ byte-addressable(바이트 주소 지정 가능)
+ 빠른 읽기
- 매우 느린 쓰기 및 지우기
→ 임베디드 시스템에 사용됨
Gb/cm²
$/Gb
Act. (mW)
Idle (mW)
Read
Write
Erase
DRAM
3.03
2.16
228
15
55 ns
55 ns
-
NOR Flash
2.62
122
0.041
75 ns
1.6 us (2B)
3300 us (4K)
700 ms
NAND Flash (SLC)
5.97
0.85
67.5
0.054
25 us
220 us
1.5 ms
NAND Flash (MLC)
11.9
0.3
50 us
680 us
3.3 ms

p.10더 밀도 높은 플래시 – SLC vs. MLC

SLC
전류의 두 수준 = '0' 또는 '1'
MLC
N개의 전류 수준 = log(N) 논리 상태
예: 2비트 MLC는 전류의 네 수준 필요 (= floating gate(플로팅 게이트)에 수집된 4개의 서로 다른 전하 수준에 기반한 4개의 임계 전압)
ECC는 SLC보다 더 중요함

p.11flash memory(플래시 메모리)의 문제점

block-granularity erasure(블록 단위 지우기)
'0' 셀 → 전체 block(블록) 지우기 → '1' 셀
NOR도 랜덤 액세스 재쓰기 또는 지우기를 지원하지 않음
메모리 마모
프로그램-지우기(P/E) 사이클 수가 '유한'함 – SLC의 경우 일반적으로 100,000 P/E cycles (Program/Erase cycles)(P/E 사이클)
wear leveling(웨어 레벨링)
• 쓰기를 다른 block(블록)에 분산
• spare blocks(예비 블록) 사용
→ 백그라운드에서 'garbage collection(가비지 컬렉션)' 트리거
read disturbance(읽기 교란)
NAND 셀에 많은 읽기가 수행되면 인접 셀의 값이 변경됨
오류 정정 코드(ECC) 필요

p.12flash memory(플래시 메모리)의 garbage collection(가비지 컬렉션)

출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Write_amplification#/media/File:Garbage_Collection.png

p.13솔리드 스테이트 드라이브 (SSD)

page(페이지): 512B에서 4KB, block(블록): 32에서 128페이지
데이터는 page(페이지) 단위로 읽거나 쓰임
page(페이지)는 block(블록)이 지워진 후에만 덮어쓸 수 있음
block(블록)은 100,000회 반복 쓰기 후에 마모됨
플래시 변환 레이어 (FTL)
I/O 버스
page(페이지) 0
page(페이지) 1
page(페이지) P-1
...
block(블록) 0
...
page(페이지) 0
page(페이지) 1
page(페이지) P-1
...
block(블록) B-1
flash memory(플래시 메모리)
솔리드 스테이트 디스크 (SSD)
논리 디스크 block(블록) 읽기 및 쓰기 요청

p.14솔리드 스테이트 드라이브 (SSD): 플래시 기반 드라이브

SATA interface(SATA 인터페이스) 커넥터
(캐시)

p.15hard drive(하드 드라이브)가 고장났을 경우?

redundant array of independent disks(독립 디스크의 중복 배열) (RAID)
(David Patterson의 대표적 연구, 1988년)

p.16redundant array of independent disks (RAID)(독립 디스크의 중복 배열)

아이디어: 소수의 대형 디스크를 다수의 소형 디스크로 대체하라!
데이터 용량
볼륨
전력
data rate(데이터 전송 속도)
I/O rate(입출력 속도)
MTTF
IBM 3390 (K)
IBM 3.5" 0061 (IBM 3.5" 0061) ×70
20 GBytes
320 MBytes
23 GBytes
97 cu. ft.
3 KW
15 MB/s
600 I/Os/s
250 KHrs
$250K
0.1 cu. ft.
11 W
1.5 MB/s
55 I/Os/s
50 KHrs
$2K
11 cu. ft.
1 KW
120 MB/s
3900 I/Os/s
??? Hrs
$150K
디스크 어레이의 잠재력:
대용량 데이터 및 높은 I/O rate(입출력 속도)
단위 부피당 고용량, 단위 전력당 고용량
높은 신뢰성(?)

p.17parity(패리티) 또는 mirroring(미러링) 없이 block-level striping(블록 단위 스트라이핑)

space efficiency(공간 효율성): 1
fault tolerance(장애 내성) 없음
높은 대역폭
RAID 0: fault tolerance(장애 내성) 없는 스트라이핑 디스크 어레이

p.18parity(패리티) 또는 스트라이핑 없이 mirroring(미러링)

space efficiency(공간 효율성): ½
단일 디스크 고장에 견딤
RAID 0에 비해 성능 저하
RAID 1(대중적): mirroring(미러링) 및 듀플렉싱
읽기: B == B ?
쓰기: B

p.19bit-level striping(비트 단위 스트라이핑)과 전용 SEC code(단일 오류 정정 코드) (Hamming code(해밍 코드))

모든 디스크 spindle(스핀들)의 회전이 동기화되어 고속 data rate(데이터 전송 속도)를 제공한다.
space efficiency(공간 효율성): Hamming code(해밍 코드) 오버헤드
워드 내에서 1비트 오류를 수정할 수 있다.
단일 노드 장애를 견딜 수 있다.
단일 쓰기 작업을 수행하려면 모든 디스크에 접근해야 한다.
B 데이터: ECC(B 데이터)
RAID 2: Hamming code(해밍 코드) ECC (1비트 수정 가능)
읽기: ECC(B0:B1:B2:B3) == Bx:By:Bz ?

p.20byte-level striping(바이트 단위 스트라이핑)과 전용 parity(패리티)

모든 디스크 spindle(스핀들)의 회전이 동기화되어 고속 data rate(데이터 전송 속도)를 제공한다.
space efficiency(공간 효율성): (n-1) / n
단일 노드 장애를 견딜 수 있다.
단일 쓰기 작업을 수행하려면 모든 디스크에 접근해야 한다.
RAID 3: 바이트 인터리브 parity(패리티)
B0 B1 B2 B3 = B parity(패리티)
block(블록) = B0:B1:B2:B3
읽기: B1 = B0 B2 B3 B parity(패리티) ?

p.21RAID 4: block(블록) 인터리브 parity(패리티)

block-level striping(블록 단위 스트라이핑)과 전용 parity(패리티)
space efficiency(공간 효율성): (n-1) / n
단일 노드 장애를 견딜 수 있다.
단일 접근 시 단일 디스크를 사용한다.
parity(패리티) 디스크는 traffic bottleneck(트래픽 병목)이 될 수 있다.
B1 쓰기: 새로운 B1 이전 B1 이전 B parity(패리티) = 새로운 B 패리티
B1 복원: B0 B2 B3 B parity(패리티)
B1에만 새로운 쓰기를 수행하려면 어떻게 해야 하는가?
B0, B2, B3와 함께 read-modify-write(읽기-수정-쓰기) 수행?

p.22RAID 5 (인기 있음): block(블록) 인터리브 distributed parity(분산 패리티)

block-level striping(블록 단위 스트라이핑)과 distributed parity(분산 패리티)
RAID 4에서 시작한다.
parity(패리티) 생성이 bottleneck(병목)을 일으키지 않는다.

p.23RAID 6: 두 개의 독립된 parity(패리티) 방식을 가진 독립 데이터 디스크

block-level striping(블록 단위 스트라이핑)과 "이중" distributed parity(분산 패리티)
RAID 5에 추가 parity(패리티) block(블록)을 더한다.
space efficiency(공간 효율성): (n-2) / n
두 디스크 장애를 견딜 수 있다.

p.24질문?

`Ctrl K · s`	자료 검색
`[ ]`	이전·다음 강의
`Space`	영상 재생·정지
`j k`	다음·이전 section
`n p`	다음·이전 slide
`b`	강의 목록 접기·펴기
`t`	맨 위
`/`	강의 검색
`Esc`	닫기