1. 대용량 저장장치

대용량 저장장치의 구조에 대해서 알아보자.

주로 하드디스크(HDD)와 비휘발성 메모리(NVM)에 대한 이야기.

하드디스크

다음과 같이 생겼다.

CD처럼 생긴 부분은 플래터라고 한다.
- 플래터는 자기 물질로 덮여있다.
- 정보를 플래터에 자기적으로 기록하여 저장하고, 패턴을 감지해 정보를 읽는다.
CD를 긁을 것 같은 바늘을 암(arm)이라고 한다.
- 검은색 부분을 읽기-쓰기 헤드라고 한다.
- 암(arm)들이 걸려있는 부분을 암 어셈블리라고 한다.
CD를 고정하는 부분을 스핀들이라고 한다.

플래터의 구조를 자세히 파보자.

플래터를 껍질처럼 나눠놓은 것을 트랙이라고 한다.
트랙을 쪼개 놓은 것을 섹터라고 한다.
- 하나의 트랙은 수백 개의 섹터를 포함할 수 있다.
- 1섹터의 크기: 과거 512byte, 이후 4kb.
동일한 암(arm)위치에 있는 같은 반지름의 트랙들을 실린더라고 한다.
- 하나의 디스크 드라이브에는 수천 개의 동심원 실린더가 존재할 수 있다.

작동방식 & 성능측정

작동방식 : 디스크 드라이브 모터를 고정으로 회전해서 데이터를 읽음.

대부분의 드라이브 : 분당 회전수(RPM)으로 표현
초당 60~250회 회전. RPM 5400, 7200, 10000, 15000
이러한 회전 속도는 전송 속도와 관련이 있음.

일부 드라이브는 사용하지 않을 때 전원이 꺼지고, I/O 요청을 받으면 회전.

성능을 측정하는 단위

전송 속도 : 드라이브와 컴퓨터 간 데이터 흐름의 속도
위치 지정 시간 (=임의 액세스 시간)
1. 탐색 시간 : 디스크 암을 원하는 실린더로 이동하는데 필요한 시간
2. 회전 지연 시간 : 원하는 섹터가 디스크 헤드 위치까지 회전하는 데 걸리는 시간

일반적인 디스크는…

초당 수백 메가바이트의 데이터를 전송
수 밀리초 정도의 탐색 시간 & 회전 지연 시간을 가짐.

성능을 향상시키기 위해 DRAM 버퍼를 사용.

이외 특징

읽기-쓰기 헤드가 디스크(플래터) 표면에 직접 닿지는 않음.
- 이 사이에 공기나 헬륨과 같은 가스가 미세하게 얇은 층을 이루고 있음.
만약 닿을 경우 디스크 표면에 손상이 일어나며 이를 헤드 충돌이라고 함.
- 헤드 충돌 발생시에는 전체 디스크를 교체해야 함.
- 디스크의 데이터는 RAID나 타 저장장치로 보호하지 않는 이상 무조건 손상됨.
하드디스크 자체는 밀봉되어 있음.
- 일부 섀시(뼈대)는 시스템 또는 저장장치 섀시를 종료하지 않고도 제거 가능

디스크 전송률

디스크에 써 있는 성능 수치 ≠ 실제 성능 수치 ex. 명시된 전송률 > 실질 전송률

전송률 = 읽기-쓰기 헤드가 플래터에서 비트를 읽는 비율 그치만 실제 전송률은 운영체제에 블록이 전달되는 비율도 포함. 따라서 두 값이 달라질 수 밖에 없음.

비휘발성 메모리

non-volatile memory(nvm)

모양, 구조, 예시

이렇게 생겼다.

NVM의 구조

하드디스크의 섹터 = 페이지.
페이지를 모은 것 = 블록.

NVM의 사용예시

하드디스크를 대체할 용도로 쓰이면 = SSD
들고 다닐 수 있게 만들면 = USB 드라이브 또는 DRAM 스틱
스마트폰의 저장장치 = 마더보드에 표면 부착

여러가지 특징

전기식이다
- 컨트롤러 + 저장용 플래시 낸드(NAND) 반도체 칩
- 움직이는 부품이 없다 = 안정성이 높다
- 전력 소모량도 적다.
속도가 빠르다.
- 움직이는 부품이 없기 때문.
- 탐색 시간이나 회전 지연시간이 없다.
좀 가격이 비쌌다.
- 초기 가격은 상당히 높았음.
- 지금은 대중화 된 편.
시스템 버스에 직접 연결한다.
- 하드디스크보다 더 빠르므로, 표준 버스 인터페이스가 오히려 속도를 제한할 수 있다.
- 따라서 시스템 버스(ex. PCIe)에 직접 연결하도록 설계
자체적인 저장 및 신뢰성 문제를 가짐.
- 읽고 쓰기는 되도 덮어쓰기가 안된다.
  - 덮어쓰기 : NAND 셀을 먼저 지워야 함.
- 삭제가 읽고 쓰기보다 시간이 더 걸린다.
  - 연산이 병렬로 이뤄지는 점을 이용해 보통 이 시간을 줄인다.
  - NVM 플래시 장치가 각 다이에 대한 여러 경로로 이뤄진 여러 개의 다이로 이뤄져 있기 때문.
- 삭제를 할 때마다 힘이 약해진다.
  - 특정 횟수 이상으로 삭제를 하면 데이터가 날라간다.
  - 이러한 제한을 막을 개선 알고리즘이 고안됨. 단, 운영체제 단에서는 신경 쓸 필요 없음.
수명 측정 단위 = DWPD
- Drive Writes Per Day의 약자
- 하루에 몇 번이나 드라이브 용량에 해당하는 데이터를 쓸 수 있는지
- ex. 5 DWPD 등급의 1TB NAND 데이터 = 보증 기간 내 장애 없이 5TB 쓰기 가능.

컨트롤러 알고리즘

NVM 저장장치는 NAND 반도체로 만들어진 경우가 많다.

앞서 보았듯, NAND 반도체는 읽고 쓰기는 되도 덮어쓰기가 안된다.

그럼, 어떻게 삭제하고 어떻게 유효한 데이터를 찾는가?

어떻게 삭제하는가?
- 1번째 페이지 = 유효하지 않은 데이터
- 2번째 페이지 = 유효한 데이터
- 이 경우 유효한 데이터를 포함하는 논리 블록을 추적하기 위해 컨트롤러가 플래시 변환 계층을 유지.
  - 이 테이블은 현재 유효한 논리 블록을 포함하는 물리 페이지를 매핑
  - 또한 물리 블록 상태(= 유효하지 않은 페이지)만 포함하고 있음.
  - 이를 통해 삭제할 수 있는 블록을 추정
NVM이 가득 찬 경우
- 가비지 수집을 한다.
  - 유효한 데이터 ⇒ 삭제 후 특정한 저장 공간에 보냄.
  - 무효한 데이터 ⇒ 그냥 삭제
- 이러한 특정한 저장공간을 과잉 공급 공간이라고 한다.
  - 언제나 쓸 수 있도록 마련해 놓는 공간.
  - 전체 용량의 약 20% 정도 된다.

과잉 공급 공간은 마모 평준화에도 도움이 된다.

위에서 언급되었듯, 모든 NVM = 삭제 횟수에 제한이 있음.
따라서 일부 블록만 계속 지워진다면 해당 블록이 마모됨(=수명이 단축됨).
삭제 횟수가 적은 블록에 데이터를 배치 → 삭제
블록들의 마모 횟수를 어느 정도 평준화 시켜줌.

데이터 보호의 측면에서 NVM은 오류 수정 코드 제공.

기록될 때 계산되어 데이터와 함께 저장됨.
읽을 때 데이터와 함께 읽어 오류를 감지 & 가능한 경우 오류 수정
오류가 자주 발생하면 해당 페이지는 불량으로 표기

일반적으로 NVM 1개를 사용할 경우 데이터가 오염되는 등 치명적인 오류 발생 가능

이때, RAID 보호가 사용되어 데이터 복구 가능.

휘발성 메모리

RAM 드라이브는 보조저장장치처럼 작동.

그렇지만 시스템 DRAM의 한 영역을 할당해 저장장치인 것처럼 나머지 시스템에 제공하는 장치 드라이버에 의해 생성됨.

이러한 “드라이브”는 일반적으로 표준 파일 연산을 위한 파일 시스템이 생성됨.

왜 DRAM을 임시 데이터 저장장치로 사용하는가?

RAM 드라이브를 사용하면 사용자와 프로그래머가 표준 파일 연산을 사용해 데이터를 메모리에 임시로 보관할 수 있음.
고속 임시 저장 공간으로 유용함.
- 부팅 시 리눅스 : 저장장치를 이해하는 운영체제 부분이 적재되기 전 시스템의 타 부분이 루트 파일 시스템 및 해당 내용에 액세스 할 수 있도록 하는 임시 루트 파일 시스템(initrd)를 생성.
RAM 드라이브 기능은 많은 운영체제에서 사용됨.
- 리눅스의 /dev/ram
- macOS의 diskutil

저장장치 연결법

저장장치는 시스템 버스나 I/O 버스를 이용해 컴퓨터와 연결한다.

ex. ATA, SATA, eSATA, SAS, USB, FC 등등
가장 흔한 것은 SATA

NVM 장치는 NVMe라는 전용 인터페이스가 존재.

시스템 PCI 버스에 직접 연결하는 것보다 처리량이 더 높고, 빠르다.

버스에서의 데이터 전송은 컨트롤러로 수행.

컨트롤러 (=호스트 버스 어댑터) : 특수한 전자 프로세서라고 보면 된다.
호스트 컨트롤러 : 버스의 컴퓨터 쪽에 있는 컨트롤러
장치 컨트롤러 : 장치 속에 있는 컨트롤러

대용량 저장장치에서 I/O는 다음과 같이 수행된다.

컴퓨터는 매모리에 매핑된 I/O 포트를 통해 명령을 호스트 컨트롤러에 둠
호스트 컨트롤러는 메세지를 통해 명령을 장치 컨트롤러에 전송
장치 컨트롤러가 하드웨어를 작동, 명령 수행
- 장치 컨트롤러 안에는 일반적으로 내장 캐시가 존재.
저장 매체에서 캐시로 데이터 전송.
캐시에서 호스트 DRAM으로 다시 데이터를 전송.

주소 매핑

저장장치에서도 논리 주소, 물리 주소가 있으며 이를 매핑하는 방법 또한 존재한다.

가장 작은 전송 단위를 논리 블록이라고 한다.
HDD : 각 논리 블록이 물리 섹터(또는 반도체 페이지)으로 매핑된다.
- 매핑은 트랙 1개를 다 채우는 순서로 진행.
- 1번 트랙 채우고 → 2번 트랙 채우고 → 3번 트랙 …
NVM : 각 논리 블록이 칩, 블록 및 페이지(유한순서 리스트)으로 매핑됨.

관련 알고리즘은 물리적인 주소보다는 논리적인 주소를 사용하는 것이 더 쉽다.

이러한 논리적인 주소를 LBA, 논리 블록 주소라고 한다.

매핑의 한계

이러한 매핑은 하드디스크에서 한계를 보인다.

대부분의 드라이브에는 결함이 있는 섹터가 있지만, 해당 부분을 예비 섹터로 대체한다.
- 논리 블록 주소는 순차적으로 유지. 물리적 섹터 위치는 변경
트랙 당 섹터 수는 일정하지 않다.
- 기본적으로는 고정 선형 속도를 사용하므로, 1개의 트랙이 가지는 비트는 일정하다.
- 그런데 플래터는 원형이므로 바깥쪽으로 갈수록 더 많은 섹터를 가지게 된다.
- 이러한 점을 극복하기 위해 크게 두 가지 대안이 있다.
  1. 안쪽에서 바깥쪽으로 갈 수록 속도를 늘린다.
  2. 안쪽에서 바깥쪽으로 갈 수록 밀도를 줄인다. ⇒ HDD는 이 방법을 사용. 이를 고정각 속도라고 한다.
디스크 제조 업체는 논리 블록 주소와 물리 주소 간 매핑을 자체적으로 관리.

따라서 현재 드라이브에서는 논리 블록 주소와 물리적 섹터 간의 관계가 거의 없음.

물론, 이러한 차이에도 불구하고 HDD 처리 알고리즘은 논리적 주소가 물리적 주소와 관련이 있다고 가정하고 만들어진다.