- 디스크 저장 장치와 SSD (CSAPP)

김민우·2022년 5월 9일

메모리

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6.1.2. 디스크 저장장치

📌 디스크 (Disk)

수백~수천 GB 단위의 엄청난 양의 데이터를 저장하는 저장장치
디스크에서 정보를 읽는 데는 ms 단위로 걸림
- SRAM보다 백만 배 더 길고 DRAM보다는 십만 배 더 걸림

- 디스크의 구조

원판(Platter)

각 원판들은 두 개의 옆면, 즉 표면으로 이루어져 있으며, 이들은 자성을 띤 기억 물질로 코딩되어 있다.

디스크는 일반적으로 한 개 이상의 원판들을 가짐

축(Spindle)
- 원판의 중심부에 위치하며, 원판을 고정된 회전율로 돌려줌
(평균 5,400~15,000번 회전하는 비율(RPM)을 가짐)

트랙(Track)
- 디스크 표면(Platter)에 있는 여러 개의 동심원
- 각 트랙은 섹터1들의 집합으로 나누어지며
- 섹터 위에 자성 물질로 인코딩된 동일한 수의 데이터 비트(일반적으로 512바이트)를 가짐

헤더
- 구동 팔(Head Arm)끝에 연결되어 있으며 자성 표면에 저장된 비트를 읽거나 쓴다
- 하나의 원판(Platter)당 2개 존재

실린더 (Cylinder) : 다중 원판 드라이브

자기 디스크 장치에서, 디스크 팩의 각 장에 있는 트랙을 동일 순번으로 집합시킨 것

축의 중심으로부터 동일한 거리를 갖는 모든 트랙들의 개수

- 디스크 용량

하나의 디스크에 기록될 수 있는 최대 비트 수는 디스크의 최대 용량 또는 간단히 용량이라고 부름
디스크 용량을 결정하는 기술 요소
1. 기록밀도(bits/in) : 1인치의 트랙에 집어넣을 수 있는 비트의 수
2. 트랙밀도(tracks/in) : 원판 중심에서 반지름의 1인치 길이에 넣을 수 있는 트랙의 수
3. 면적밀도(bits/in2) : 기록밀도 * 트랙밀도

※ 디스크의 면적밀도(용량)를 높이기 위한 연구 동향

과거의 방식
- 모든 트랙을 같은 수의 섹터로 나누어 바깥쪽 트랙의 섹터들은 거리가 멀어지게 된다
-> 만약 섹터에 결함이 생길 경우, 해당 섹터의 전부를 사용하지 못하는 상태가 된다.

ZBR 방식
- 디스크 외곽의 헐거운 기록 밀도에서 오는 낭비를 없애기 위해 외곽에 더 많은 섹터를 배치

- 디스크 동작

디스크가 동작하는 영상
0:27 - 폴더 삭제, 0:55 - 복사/붙여넣기, 1:24 - Quick format

디스크는 데이터를 섹터 크기의 블록으로 읽고 기록한다.
섹터에 접근하는 시간은 3개의 주요 부분으로 이루어지며 다음과 같다.
1. 탐색 시간 : 팔을 이동하기 위해 소요되는 시간
  - 특정 타깃 섹터의 내용을 읽기 위해서 팔은 먼저 헤드를 타깃 섹터를 보유 트랙 위로 위치시킨다.
2. 회전 지연시간
  - 헤드가 트랙 위에 위치하면 드라이브는 타깃 섹터의 첫 번째 비트가 헤드 아래로 지나가는 것을 기다린다.
3. 전송시간
  - 타깃 섹터의 첫 번째 비트가 헤드 아래에 있을 때, 드라이브는 섹터의 내용을 읽거나 쓰기를 시작할 수 있다.

- 논리적 디스크 블록

과거의 디스크들은 다중 표면은 가지고, 표면에 여러 기록 영역을 가지는 복잡한 구조를 가진다.
OS로부터 이러한 복잡성을 감추기 위해 요즘의 디스크들은 0, 1, ... , B-1의 번호를 붙인 B 섹터크기의 논리블록의 배열로 구조를 좀 더 단순화시킨다.

논리 블록 주소 지정(Logical block addressing, LBA)은 컴퓨터 기억 장치에 저장되는 데이터 블록의 위치를 지정하는데 쓰이는 공통 Scheme으로,
일반적으로 하드 디스크 드라이브와 같은 보조 기억 장치에 쓰인다.

LBA는 특히 단순한 선형 주소 지정 스킴이며, 블록은 정수 색인에 의해 위치되며, 첫 블록은 LBA 0, 두 번째는 LBA 1로 된다.

IDE 표준은 22비트 LBA를 옵션으로 포함하였으며, 더 나아가 ATA-1 출시와 함께 28비트로 확장되었고 ATA-6 출시와 함께 48비트로 확장되었다.

반면, 주소를 보유하고 있는 디스크와 메모리 내의 자료 구조의 엔트리들의 크기는 일반적으로 32비트나 64비트이다.

1996년 이후에 출시된 대부분의 하드 디스크 드라이브들은 논리 블록 주소 지정을 구현하고 있다.

- 입출력장치 연결하기

시스템 버스 (≒ 메모리 버스, 전면 버스, 호스트 버스)
- CPU의 내부와 외부를 연결하는 것이 주요 목적
- CPU, 메인메모리, 칩셋 사이의 정보 교환 통로
- 주로 CPU와 메인메모리 사이의 메모리 버스
- 메인메모리는 고속전송을 위해 주로 메모리 컨트롤러보다 시스템버스에 직접 동기 되도록 설계

입출력버스 (I/O 버스)
- I/O 컨트롤러와 입출력장치 사이의 버스
- 시스템 버스에서 갈라져 나와 다양한 입출력장치 연결

시스템 버스와 I/O 버스

- 디스크 접근하기

CPU는 메모리 매핑 I/O라고 부르는 기술을 사용해서 I/O 디바이스에 명령들을 보낸다.
메모리 매핑 I/O를 사용하는 시스템에서 주소 공간에 있는 한 개의 주소 블록은 I/O 디바이스들과 통신하기 위해 예약되어 있다.
(각각의 주소는 I/O라고 알려져 있다.)
각 디바이스는 버스에 연결될 때, 한 개 이상의 포트와 관련된다(또는 매핑된다)

※ 메모리 매핑 I/O
- CPU가 입출력 장치를 액세스할 때, 입출력과 메모리의 주소 공간을 분리하지 않고 하나의 메모리 공간에 취급하여 배치하는 방식

6.1.3. SSD (Solid State Disks)

📌 SSD (Solid State Disks or Drive)

일종의 저장장치 기술로 플래시 메모리2를 사용
Solid-State : 고정 상태와 소체(트랜지스터)를 뜻함

- SSD의 기본 동작 원리

SSD패키지는 I/O 버스 (USB or SATA3)의 표준 디스크 슬롯에 삽입

논리 디스크 블록을 읽고 쓰기 위해 CPU로부터의 요청을 처리

※ SSD패키지란?
- 회전하는 디스크에서 기계적인 드라이브를 대체한 하나 이상의 플래시 메모리 칩, 디스크 컨트롤러4 같은 역할을 하는 하드웨어/펌웨어 장치
- 논리블록들에 대한 요청들을 하부 물리 디바이스에 대한 접근으로 번역하는 플래시 번역 계층으로 이루어짐

SSD의 장점
1. 반도체 메모리로 이루어져 움직이는 부품이 없으며, 더 견고함
2. 회전하는 디스크보다 랜덤 접근시간이 훨씬 더 빠름
3. 적은 전력을 소모함
SSD의 단점
1. 플래시 블록의 반복적인 쓰기 작업으로 인해 노후할 가능성이 있음
2. 회전하는 디스크에 비해 가격이 더 비싸고, 저장용량이 적음

6.1.4. 저장장치 기술 동향

저장장치의 종류에 따라 Trade-off는 존재 (속도, 가격 등)
저장장치의 발전은 선형적인 발전을 이뤄왔음에도 불구하고, CPU의 비약적인 발전에 뒤처짐 -> 병목현상으로 이어짐
이를 극복하기 위해 SRAM-기반 캐시를 많이 사용하며,
이 방법은 지역성(Locality)이라고 알려진 응용프로그램의 근본적인 특성 때문에 동작
참고자료 : CPU와 메모리간 병목현상 극복