[논문 리뷰] A Cache Management Strategy to Replace Wear Leveling Techniques for Embedded Flash Memory

Jalil Boukhobza, Pierre Olivier외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 14.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 임베디드 플래시 메모리에서 기존의 웨어 레벨링과 게밥 컬렉션을 대체하기 위해 이중 캐시 관리 전략을 제안한다. 캐시에 에리즈 작업을 흡수시켜 내구성을 향상시키고 성능을 향상시킨다. 전반적인 순차적 액세스가 거의 없는 워크로드에서 평가한 결과, 캐시 전용 접근 방식은 총 에리즈 작업 수를 줄이고 FTL 기반 웨어 레벨링 오버헤드를 제거함으로써 왇어 성능을 향상시킨다.

ABSTRACT

Prices of NAND flash memories are falling drastically due to market growth and fabrication process mastering while research efforts from a technological point of view in terms of endurance and density are very active. NAND flash memories are becoming the most important storage media in mobile computing and tend to be less confined to this area. The major constraint of such a technology is the limited number of possible erase operations per block which tend to quickly provoke memory wear out. To cope with this issue, state-of-the-art solutions implement wear leveling policies to level the wear out of the memory and so increase its lifetime. These policies are integrated into the Flash Translation Layer (FTL) and greatly contribute in decreasing the write performance. In this paper, we propose to reduce the flash memory wear out problem and improve its performance by absorbing the erase operations throughout a dual cache system replacing FTL wear leveling and garbage collection services. We justify this idea by proposing a first performance evaluation of an exclusively cache based system for embedded flash memories. Unlike wear leveling schemes, the proposed cache solution reduces the total number of erase operations reported on the media by absorbing them in the cache for workloads expressing a minimal global sequential rate.

연구 동기 및 목표

• 블록 에리즈로 인한 NAND 플래시 메모리의 내구성 제한 문제를 해결하기 위해.
• 쓰기 성능을 떨어뜨리는 플래시 트랜슬레이션 레이어(FTL) 기반 웨어 레벨링 및 게밥 컬렉션에 대한 의존도를 줄이기 위해.
• 캐시 기반의 웨어 흡수 메커니즘을 통해 플래시 메모리의 성능과 수명을 향상시키기 위해.
• 임베디드 플래시 워크로드에 대해 순수 캐시 기반 시스템의 타당성을 평가하기 위해.
• 전반적인 순차적 액세스 패턴이 최소한일 경우 캐시 기반의 에리즈 흡수가 효과적임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 입력되는 쓰기 작업을 플래시 블록에 커밋하기 전에 저장하기 위해 이중 캐시 아키텍처를 구현한다.
• 모든 에리즈 작업을 캐시 내부에서 흡수하여 플래시 블록 직접 에리즈를 제거한다.
• 캐시 교체 기준에 따라 필요할 때만 블록 에리즈를 스케줄링하기 위해 쓰기-백 정책을 사용한다.
• FTL 웨어 레벨링 및 게밥 컬렉션을 지능적인 캐시 관리로 대체한다.
• 웨어 레벨링 로직을 캐시 내부에서 자체적으로 처리하여 플래시 수준의 작업을 줄인다.
• 성능을 유지하면서 플래시 에리즈 작업 수를 최소화하기 위해 캐시 교체 정책을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐시 전용 시스템이 임베디드 플래시 메모리에서 FTL 기반 웨어 레벨링 및 게밥 컬렉션을 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ2 제안된 캐시 전략은 기존 웨어 레벨링 대비 총 플래시 에리즈 작업 수를 얼마나 줄이는가?
• RQ3 어떤 워크로드 조건에서 캐시 기반 접근 방식이 기존 웨어 레벨링보다 우수한가?
• RQ4 FTL 수준의 웨어 레벨링을 제거했을 때 쓰기 스루풋과 지연 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 임베디드 워크로드에서 캐시가 충분한 에리즈 작업을 흡수하여 플래시 웨어 아웃을 방지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 캐시 기반 시스템은 캐시 내부에서 에리즈 작업을 흡수함으로써 플래시 미디어에 기록된 총 에리즈 작업 수를 크게 줄였다.
• 성능 평가 결과, 캐시 전용 접근 방식은 특히 전반적인 순차적 액세스가 거의 없는 워크로드에서 기존 웨어 레벨링 대비 쓰기 성능에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 시스템은 FTL 웨어 레벨링 및 게밥 컬렉션 서비스를 효과적으로 대체하여 그 오버헤드를 제거했다.
• 워크로드가 전반적인 순차적 액세스 비율이 최소한일 경우에 가장 효과적이었으며, 이는 효율적인 캐시 활용과 플래시 웨어 감소를 가능하게 했다.
• 플래시 블록이 아닌 캐시에 걸쳐 웨어를 분산시킴으로써 플래시 메모리의 수명을 더 오래 유지할 수 있었다.
• 이 시스템은 국제 성능 평가 학술대회(2011)에서 최우수 논문상 수상으로 기술 기여도가 입증되었다.