[논문 리뷰] Past, Present and Future of Computational Storage: A Survey

Corne Lukken, Animesh Trivedi|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 13.

Advanced Data Storage Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 QEMU에서 에뮬레이션된 Zoned Namespace (ZNS) SSD를 사용하여 Computational Storage Devices (CSDs)를 위한 광범위하게 적용 가능한 프로토타입을 제안한다. NVMe Zoned Namespace 명령 세트를 활용하여 호스트-장치 의미적 일치 및 액세스 제어에 대한 연구를 가능하게 한다. 주요 기여는 ZNS SSD가 호스트와 장치 간 의미적 갭을 줄일 수 있음을 보여주는 기능성 있는 오픈소스 프로토타입으로, CMake를 통한 전체 개발 및 디버깅 지원을 제공한다.

ABSTRACT

We live in a data-centric world where we are heading to generate close to 200 Zettabytes of data by the year 2025. Our data processing requirements have also increased as we push to build data processing frameworks that can process large volumes of data in a short duration, a few milli- and even micro-seconds. In the prevalent computer systems designs, data is stored passively in storage devices which is brought in for processing and then the results are written out. As the volume of data explodes this constant data movement has led to a "data movement wall" which hinders further process and optimizations in data processing systems designs. One promising alternative to this architecture is to push computation to the data (instead of the other way around), and design a computational-storage device or CSD. The idea of CSD is not new and can trace its root to the pioneering work done in the 1970s and 1990s. More recently, with the emergence of non-volatile memory (NVM) storage in the mainstream computing (e.g., NAND flash and Optane), the idea has again gained a lot of traction with multiple academic and commercial prototypes being available now. In this brief survey we present a systematic analysis of work done in the area of computation storage and present future directions.

연구 동기 및 목표

• ZNS SSD를 사용하여 컴퓨팅 스토리지 장치(CSD) 연구의 가능성을 탐색하기 위해.
• 실제 ZNS SSD의 부족을 보완하기 위해 QEMU에서의 에뮬레이션을 가능하게 하여.
• 기존 기술을 활용하여 광범위하게 적용 가능한 오픈소스 프로토타입을 구축하기 위해.
• ZNS의 존 수준 추상화를 통해 호스트와 장치 간 의미적 갭을 줄이기 위해.
• CSD 워크로드에서 존 수준 액세스 제어 목록(ACL)을 통해 안전성 보장을 탐색하기 위해.

제안 방법

• QEMU의 기존 NVMe Zoned Namespace (ZNS) 명령 세트 지원을 활용하여 ZNS SSD를 에뮬레이션하기 위해.
• ZNS의 존 기반 구조를 활용하여 스토리지 장치 수준에서 계산 기능을 노출하는 CSD 프로토타입을 설계하기 위해.
• 빌드 구성 및 개발 워크플로우를 위해 CMake를 사용하여 프로토타입을 구현하기 위해.
• 기존 오픈소스 도구 및 라이브러리를 활용하여 커스터마이제이션을 최소화하고 이식성을 확보하기 위해.
• 호스트 측 소프트웨어를 통합하여 ZNS 존과 상호작용하게 하여 장치 수준에서의 데이터 처리를 가능하게 하기 위해.
• 재현 가능성을 확보하기 위해 종속성, 구성, 디버깅 절차를 포함한 전체 스택을 문서화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 하드웨어가 없음에도 불구하고 QEMU에서의 ZNS SSD가 컴퓨팅 스토리지 장치(CSD) 연구를 위한 타당한 플랫폼을 에뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 ZNS 추상화는 호스트 애플리케이션과 스토리지 장치 내부 구조 간 의미적 갭을 어떻게 줄이는가?
• RQ3 CSD 프로토타이핑을 위한 QEMU로 에뮬레이션된 ZNS SSD의 실용적 한계는 무엇인가?
• RQ4 존 수준 액세스 제어 목록(ACL)은 CSD 아키텍처에서 효과적으로 모델링되고 시행될 수 있는가?
• RQ5 기존에 안정적인 기술만을 사용하여 광범위하게 적용 가능한 CSD 프로토타입을 구축할 때의 주요 설계 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• QEMU로 에뮬레이션된 ZNS SSD를 사용하여 기능성 있는 오픈소스 CSD 프로토타입이 성공적으로 구현되었으며, 실제 하드웨어 없이도 연구가 가능해졌다.
• NVMe Zoned Namespace 명령 세트는 QEMU에서 네이티브로 지원되어 ZNS SSD 동작을 정확하게 에뮬레이션할 수 있었다.
• 프로토타입은 ZNS의 존 수준 추상화가 호스트와 장치 간 의미적 갭을 줄여 더 예측 가능한 데이터 처리를 가능하게 한다는 것을 보여주었다.
• 존 수준 ACL은 효과적으로 모델링되고 시행될 수 있었으며, CSD 워크로드에서 세밀한 보안을 제공할 잠재력을 지녔다.
• CMake와 기존 툴체인의 사용은 유지보수성, 재현 가능성, 확장성이 보장된 개발 환경을 제공하였다.
• 프로토타입는 설계 결정과 다른 기술 평가가 문서화되어 있어 향후 컴퓨팅 스토리지 연구의 기초가 되었다.