다이렉트플래시(DirectFlash)란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

퓨어스토리지 ® DirectFlash ® 는 Purity 소프트웨어와 DirectFlash 모듈을 포함하는 선구적인 플래시 관리 솔루션으로, 독립적으로 또는 무중단으로 업그레이드할 수 있습니다.

작동 방식, 차이점, 필요한 이유 등을 소개합니다.

플래시 스토리지 개요

1980년 Toshiba가 발명한 플래시 메모리는 플래시 스토리지라고도 하며, 전자적으로 지우고 다시 프로그래밍할 수 있는 비휘발성 메모리의 한 유형입니다(지속적인 전원 공급 장치가 필요하지 않음을 의미함).

플래시 메모리의 두 가지 주요 유형

플래시 메모리에는 NOR과 NAND의 두 가지 주요 유형이 있으며, 이는 사용하는 로직 게이트의 유형에 따라 회로 레벨에 따라 다릅니다. 현재 NAND 플래시는 플래시 메모리 시장의 95% 이상을 차지하며 거의 모든 비내장 플래시 디바이스에 사용됩니다.

NAND 카테고리에는 메모리 셀당 저장된 비트 수에 따라 분류되는 다양한 유형의 메모리가 있습니다.

• SLC: 셀당 1(단일)비트
• MLC : 셀당 2(또는 다중)비트
• TLC : 셀당 3비트
• QLC : 셀당 4(쿼드)비트

DirectFlash 모듈(DFM) 스토리지란?

DirectFlash 올플래시 어레이가 원시 플래시 스토리지와 직접 통신할 수 있도록 퓨어스토리지가 설계한 플래시 모듈입니다. 올플래시 시스템 구축에 대한 퓨어스토리지의 전체적인 접근 방식은 범용 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)를 구매하는 대신 “원시” 플래시를 활용하여 DirectFlash 모듈을 구축하는 것입니다. 이를 통해 다른 솔리드 스테이트 어레이 공급업체로부터 공급망의 다른 지점에서 플래시를 확보할 수 있습니다. 그러나 DirectFlash의 장점은 공급망 경제성 그 이상입니다.

상용 기성품 SSD를 사용하는 다른 올플래시 또는 하이브리드 어레이는 동일한 블록의 연속 세트와 마찬가지로 레거시 하드 드라이브와 동일한 방식으로 플래시 드라이브와 통신합니다.

하드 드라이브는 트랙과 섹터를 보유하고 있으며, 이러한 모든 섹터를 엔드-투-엔드 방식으로 배치하는 것은 하나의 긴 블록 목록을 확보한 방식이었습니다. SSD는 플래시 변환 레이어(FTL)라고 하는 복잡한 시스템을 시스템과 플래시 사이에 통합하여 동일한 지오메트리를 복제합니다.

DirectFlash는 플래시 메모리와 직접 통신하는 다른 접근 방식을 사용하여 플래시의 기능을 극대화하고 더 나은 성능, 전력 활용 및 효율성을 제공합니다.

특히, DirectFlash는 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• 드라이브 수준과는 달리 시스템 수준 미디어 관리 는 드라이브가 시스템 자체와 함께 작동하여 시스템이 다음을 수행할 수 있도록 합니다.
  • 보다 광범위한 컨텍스트를 기반으로 보다 스마트한 데이터 배치 결정을 내릴 수 있습니다.
  • 블록, 파일 또는 오브젝트 레벨부터 개별 플래시 셀까지 시스템의 활동을 이해합니다 .    
  • 미디어에 최적화된 방식으로 데이터를 배치하여 쓰기 증폭을 방지하고 내구성을 향상시켜 효율성을 극대화 하세요.
  • 가비지 수집, 예비품 및 웨어 레벨링과 같은 기능을 중앙 집중화하여 중복 작업을 방지합니다 .
• 기존 시스템의 모든 드라이브에서 발생하는 중복 작업과 프로세스를 제거하여 전반적인 미디어 비용을 절감합니다. SSD를 활용하는 페타바이트 규모의 시스템은 개별 FTL 매핑 및 메타데이터를 유지하기 위해 시스템 메모리는 물론 드라이브 자체에 테라바이트의 DRAM이 있을 수 있습니다. 또한 각 드라이브에는 FTL의 미디어 관리에 필요한 여분의 공간이 과도하게 프로비저닝되어 있습니다. 이러한 구성 요소 각각은 드라이브 크기가 증가함에 따라 전체 미디어 비용의 더 큰 부분을 차지하는 추가 비용입니다. 지난 몇 년 동안 DRAM 비트당 비용이 향상되지 않았기 때문에 DRAM의 효율적인 사용이 점점 더 중요해질 것입니다.
• SSD에 비해 훨씬 낮은 속도(3~4배)로 장애 발생 시 모듈 안정성이 향상되었으며, 이는 주로 펌웨어가 더 단순하기 때문입니다.

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솔리드 스테이트 드라이브의 작동 방식

SSD는 NAND 플래시 다이라고도 하는 NAND 플래시 칩으로 구성되며, 각 다이는 블록이라고 하는 작은 요소로 나뉩니다.

그러나 플래시 블록은 임의 덮어쓰기를 지원하지 않습니다. 한 페이지에 데이터가 쓰이면, 새로운 데이터를 쓰기 전에 전체 블록을 삭제해야 합니다. 이와 동시에 모든 SSD는 백워드 호환 디스크 섹터 인터페이스를 지원하도록 제작되었습니다.

플래시 번역 레이어(FTL)란?

이러한 모순은 “플래시 변환 레이어” 또는 FTL 로 알려진 펌웨어에 데이터를 논리적 블록에 관계없이 다른 플래시 페이지에 쓸 수 있는 가상 디스크 섹터 인터페이스를 구현하여 해결됩니다. FTL은 자체 메모리 및 메타데이터 스토리지에서 이러한 모든 매핑 메타데이터를 추적합니다.

그러나 이제 새로운 버전의 데이터를 다른 플래시 페이지에 쓰고 있기 때문에, 데이터가 덮어쓰거나 논리적으로 삭제되었기 때문에 “가비지”로 간주될 수 있는 블록에 데이터를 축적하게 됩니다.

SSD에서 가비지 콜렉션이 작동하는 방법

이러한 물리적 용량을 복구하기 위해, 드라이브 펌웨어의 “가비지 수집기” 프로세스는 여전히 유효한 데이터를 가져와서 새로운 위치로 이동시켜 “tombstoned” 데이터가 포함된 전체 블록을 지울 수 있도록 합니다. 이 가비지 수집기가 작동하려면 각 드라이브마다 플래시 메모리가 추가로 필요하며, 이를 \"오버프로비저닝된 공간\"이라고 합니다. 모든 가비지 수집 이벤트는 플래시 프로그램/삭제 주기의 한정된 수 중 하나를 사용합니다. 모든 논리적 쓰기가 소비하는 드라이브에 대한 물리적 쓰기의 양을 “쓰기 증폭 ”이라고 합니다.

오버프로비저닝 및 쓰기 증폭은 SSD의 조기 마모와 수명 단축으로 이어집니다. 또한 이러한 플래시 다이 중 하나가 가비지 수집을 할 때마다 읽기 또는 쓰기가 불가능하기 때문에 이러한 설계는 성능에 영향을 미칩니다. 따라서, 가비지 수집기가 점점 더 활성화되거나 덜 활성화됨에 따라 SSD의 성능은 예측할 수 없을 정도로 변동합니다.

이는 SSD가 가비지 수집 활동을 액세스하는 시스템에 전달할 수 없다는 점에서 더욱 어렵습니다. SSD는 하드 드라이브와 같은 착각을 유지해야 합니다. NAND 플래시의 셀당 비트 수가 증가함에 따라, 프로그램/삭제 주기가 점점 더 길어져 데이터 액세스가 더 오래 걸리기 때문에 이러한 성능 불일치는 더욱 악화됩니다.

DirectFlash 사용의 장점

DirectFlash는 플래시 미디어 관리에 다른 접근 방식을 사용합니다. Purity 운영 체제는 모든 SSD가 자체적인 웨어 레벨링, 가비지 수집 및 오버프로비저닝을 수행하는 대신, 어레이 레벨의 소프트웨어에서 이러한 기능을 수행합니다. 즉, 각 DirectFlash 모듈은 미디어 자체에 대한 액세스를 제공하고 낮은 수준의 데이터 및 신호 작업을 처리해야 하기 때문에 기존의 솔리드 스테이트 디스크보다 간단합니다.

DirectFlash가 하드 디스크 드라이브(HDD)를 어떻게 종료하는지 자세히 알아보세요.

이러한 장점은 다음과 같습니다.

• 집적도 및 효율성 향상. DFM(DirectFlash Module)은 스토리지 집적도가 2~3배 더 높으며, 현재 가장 가까운 경쟁업체보다 테라바이트당 39%~54% 적은 와트를 소비합니다. 퓨어스토리지의 DFM은 기계식 HDD를 모방하지 않으므로, COTS SSD에 비해 성능, 스토리지 밀도, 유효 용량, 미디어 내구성 및 사용 가능한 TB당 비용을 크게 개선하는 방식으로 실리콘 기반 플래시 미디어를 최적으로 관리할 수 있습니다. 퓨어스토리지는 현재 48TB DFM을 배송하고 있으며, 올해 말에는 75TB DFM을 추가하고, 18개월 이내에 150TB DFM을 추가할 예정이며, 2026년까지 300TB DFM을 계획하고 있습니다. 본 백서에서 확인해보세요
• 스마트 데이터 배치. 각 SSD가 데이터 배치 및 미디어 관리에 대한 결정을 내리는 대신, Purity는 현재 IO 활동, 데이터 절감 운영, 계류 중인 가비지 수집 주기, 전반적인 어레이 워크로드 및 상태와 같은 모든 진행 중 및 예정된 시스템 작업에 대해 잘 알고 있습니다. 이를 통해 Purity는 단일 드라이브 자체보다 훨씬 더 스마트한 배치 및 스케줄링 결정을 내릴 수 있습니다.
• 보다 스마트한 데이터 배치 결정을 통해 유사한 예상 수명의 데이터를 동일한 블록에 공동 배치하여 블록의 일부 데이터가 “tombstoned” 상태인 반면 다른 페이지는 여전히 유효한 인스턴스를 최소화할 수 있습니다. Purity는 특정 페이지가 모두 동일한 파일 또는 오브젝트의 일부인지 또는 동일한 호스트 시스템에서 오는 것인지를 알고 있습니다. 따라서 파일 또는 오브젝트가 삭제될 때 해당 페이지를 유사한 블록으로 그룹화하면 다른 라이브 데이터를 다시 쓰거나 쓰기 증폭을 일으키지 않고 전체 블록을 한 번에 풀 수 있습니다.
• 뛰어난 성능과 내구성을 제공합니다. 가비지 수집을 수행하지 않고 쓰기 증폭을 일으키지 않음으로써 DirectFlash 모듈은 상용 모듈을 능가하고 오래 지속됩니다. 쓰기 횟수가 적기 때문에 마모가 줄어들고 드라이브 수명이 깁니다. 쓰기 횟수가 적기 때문에 “실제” 클라이언트 IO에 더 많은 IO 사이클을 제공할 수 있습니다. 또한, Purity는 현재의 IO 활동에 대해 잘 알고 있으며 전체 시스템에 대한 가시성을 확보하고 있기 때문에, 이러한 프로그램/삭제 주기 중 하나가 데이터에 대한 액세스를 차단한다는 사실에 놀랄 일이 없습니다. 최악의 경우, Purity는 프로그램/삭제 주기가 완료될 때까지 기다리는 대신 패리티에서 데이터를 재구성할 수 있습니다. 이를 통해 QLC 플래시를 사용하는 경우에도 시스템의 최악의 지연 시간을 크게 줄일 수 있습니다.
• 시간이 지나면서 개선됩니다. 소프트웨어에서 이러한 모든 미디어 관리 작업을 수행하기 때문에 시간이 지나면서 이 소프트웨어를 개선할 수 있습니다. 인터넷에 연결된 모든 퓨어스토리지 시스템은 가정 원격측정 데이터를 안전하게 전송하며, 퓨어스토리지는 기본 플래시 메모리의 상태와 활동에 대한 심층적인 통찰력을 보유하고 있기 때문에, 이 데이터를 집계 및 분석하여 소프트웨어가 실제 환경에서 작동하는 방식을 개선합니다. 이는 시간이 지남에 따라 정기적인 소프트웨어 업데이트로 시스템의 안정성과 성능이 향상될 수 있음을 의미합니다.
• 더 간단하고 안정적입니다. 퓨어스토리지는 소프트웨어 어레이 수준에서 이러한 모든 작업을 수행하기 때문에, DirectFlash 모듈은 이러한 모든 작업을 자체적으로 수행하는 데 복잡한 컨트롤러와 대용량 RAM이 필요하지 않습니다. 따라서, 당사의 모듈은 더 간단하고 안정적이며, 또한 더 효율적입니다. 또한, 드라이브의 복잡성이나 비용을 증가시키지 않고도 NAND 플래시 제조 기술의 발전으로 드라이브의 크기를 확장할 수 있습니다.

이는 SSD를 중심으로 설계된 다른 올플래시 또는 하이브리드 시스템보다 더 높은 성능, 더 일관성, 더 높은 안정성 및 수명을 가진 시스템을 의미합니다.

퓨어스토리지는 데이터센터의 미래가 모두 플래시라는 믿음을 바탕으로 설립되었으며, 이러한 비전을 실현하기 위해 DirectFlash 기술을 구축했습니다. 퓨어스토리지는 올플래시 시스템을 구축하는 가장 좋은 방법이 처음부터 올플래시 시스템을 구축하는 것이라고 믿습니다. 이는 레거시 인터페이스와 패러다임을 중심으로 설계된 시스템의 일부를 제거하고 기술이 진정으로 빛나게 한다는 것을 의미합니다.

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