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웨어 레벨링

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목차

1. 개요

웨어 레벨링은 EEPROM 및 플래시 메모리 미디어의 제한된 삭제 주기를 해결하기 위해 데이터를 분산하는 기술이다. 플래시 메모리의 경우, 삭제 및 다시 쓰기가 매체 전체에 고르게 분산되도록 데이터를 정렬하여 특정 블록의 과도한 사용을 방지한다.

웨어 레벨링에는 동적, 정적, 글로벌의 세 가지 주요 유형이 있으며, 각각 논리 블록 주소를 물리적 메모리 주소에 매핑하는 방식을 사용한다. 동적 웨어 레벨링은 데이터가 다시 쓰여질 때마다 새 위치에 기록하고, 정적 웨어 레벨링은 변경되지 않는 정적 블록을 주기적으로 이동시킨다. 글로벌 웨어 레벨링은 플래시 메모리의 모든 칩에서 모든 블록을 단일 풀로 관리한다.

웨어 레벨링은 SD 카드나 USB 플래시 드라이브와 같은 하드웨어에서 마이크로컨트롤러를 통해 구현되거나, JFFS2, YAFFS, UDF와 같은 특수 파일 시스템에서 소프트웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 방식은 주소 변환 테이블을 사용하여 논리 주소를 물리 주소로 매핑하고, 소프트웨어 방식은 로그 구조 파일 시스템을 활용하여 쓰기를 분산시킨다.

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웨어 레벨링
기본 정보
종류기술
목적플래시 메모리의 수명 연장
대상SSD, USB 플래시 드라이브 등
설명
웨어 레벨링플래시 메모리 등에서 특정 저장 위치에 대한 쓰기 및 삭제 집중을 완화하여 메모리 수명을 연장하는 기술
작동 방식모든 메모리 블록에 균등하게 쓰기 및 삭제 작업 분산
장점플래시 메모리의 수명 연장, 성능 향상
종류
정적 웨어 레벨링자주 사용하지 않는 데이터 블록과 자주 사용하는 데이터 블록의 스왑을 통해 쓰기/삭제 횟수 균등화
동적 웨어 레벨링사용 빈도가 높은 블록에 우선적으로 데이터를 기록하여 전체적인 수명 연장
활용
사용 분야SSD
USB 플래시 드라이브
기타 플래시 메모리 기반 저장 장치
참고 사항
중요성플래시 메모리의 특성상 필수적인 기술
관련 기술오버 프로비저닝

2. 이론

EEPROM 및 플래시 메모리 미디어는 개별적으로 지울 수 있는 세그먼트를 가지며, 각 세그먼트는 신뢰성이 떨어지기 전까지 제한된 횟수의 삭제 주기를 거칠 수 있다. 일반적으로 약 3,000/5,000회[5][6]이지만, 많은 플래시 장치는 플래시 메모리 컨트롤러에서 세그먼트 전체의 데이터 이동 및 마모를 추적하는 데 사용할 수 있는 100,000회 이상의 주기를 가진 블록을 가지고 있다. CD-RW 및 DVD-RW와 같은 지울 수 있는 광학 미디어는 최대 1,000회(DVD-RAM 미디어의 경우 100,000회)의 삭제 주기를 가진다.

웨어 레벨링은 삭제 및 다시 쓰기가 매체 전체에 고르게 분산되도록 데이터를 정렬하여 이러한 제한을 해결하려고 시도한다. 이러한 방식으로 높은 쓰기 주기 집중으로 인해 단일 삭제 블록이 조기에 실패하지 않는다.[7] 플래시 메모리에서 칩의 단일 블록은 다른 블록보다 긴 수명을 갖도록 설계되어 메모리 컨트롤러가 손상 가능성을 줄이면서 작동 데이터를 저장할 수 있다.[3][8]

FAT, UFS, HFS/HFS+, EXT 및 NTFS와 같은 기존 파일 시스템은 원래 자기 디스크용으로 설계되었으므로, 디렉터리와 같은 데이터 구조를 동일한 영역에 반복적으로 다시 쓰는 경향이 있다. 이러한 시스템을 플래시 메모리 미디어에 사용하면 문제가 된다. 일부 파일 시스템이 마지막 액세스 시간을 추적하여 파일 메타데이터가 지속적으로 제자리에 다시 작성될 수 있다는 사실로 인해 문제가 더욱 악화된다.[9]

컴퓨터의 기억 매체 중에는, 보존 데이터를 다시 쓸 때마다 조금씩 열화(劣化)되어 가는 것이 몇 가지 있다. 전원을 꺼도 내용이 보존되는 매체에서 그것은 현저하며, CD-RW, DVD-RW, 플래시 메모리 등 다시 쓰기 가능 횟수가 수백에서 수천 회 정도인 것이 최근에는 많이 사용되고 있다.

일반적으로 이러한 기억 매체의 다시 쓰기 제한 횟수는 매체 전체가 아닌, 기억 소자 1개에 대한 횟수이다. 따라서 다시 쓰기가 하나의 소자에 집중되지 않고, 1개의 매체 내 각 소자에 가능한 한 균등하게 분산되도록 제어할 수 있다면, 매체 전체로서의 다시 쓰기 제한 횟수는 비약적으로 향상될 것이다.

데이터의 다시 쓰기를 매체 내 기억 소자에 가능한 한 균등하게 분산시키는 기술을 웨어 레벨링(Wear leveling)이라고 부른다. 웨어 레벨링 기술을 사용하면 매체로서의 다시 쓰기 제한 횟수는 각 소자의 다시 쓰기 제한 횟수의 수백에서 수천 배가 된다.

2022년, 시라큐스 대학교와 플로리다 국제 대학교의 연구자는 "웨어 레벨링은 내구성의 한계가 수백 회 정도로 되어 있는 현황에서는 유용성보다 해가 더 크다"라는 연구 결과를 발표했다.[14] 이 논문에서는 기존의 웨어 레벨링 알고리즘을 여러 종류 조사하여, 어느 경우에서든 쓰기 증폭률이 큰 것을 보여주고 있다. 그리고 기존의 고정 용량 블록 장치로서 SSD를 추상화하는 것이 아니라, 가변 용량 추상화 방식을 채용함으로써 2.94배 수명을 연장할 수 있다고 한다. 추상화 기술로는 F2FS나 NVMe에서 새롭게 정의된 Zoned Namespace(ZNS) 등이 예시로 제시되고 있다.

3. 유형

EEPROM 및 플래시 메모리 미디어는 개별적으로 지울 수 있는 세그먼트를 가지며, 각 세그먼트는 제한된 횟수의 삭제 주기를 견딜 수 있다. 웨어 레벨링은 데이터를 매체 전체에 고르게 분산시켜 이러한 제한을 해결한다. 플래시 메모리 칩의 특정 블록은 다른 블록보다 긴 수명을 갖도록 설계되어, 메모리 컨트롤러가 손상 가능성을 줄이면서 작동 데이터를 저장할 수 있게 한다.[2]

웨어 레벨링은 크게 세 가지 유형으로 나뉜다.


  • 동적 웨어 레벨링
  • 정적 웨어 레벨링
  • 글로벌 웨어 레벨링

3. 1. 동적 웨어 레벨링 (Dynamic Wear Leveling)

동적 웨어 레벨링은 운영 체제(OS)의 논리 블록 주소(LBA)를 실제 플래시 메모리에 연결하기 위해 맵을 사용한다. 데이터가 다시 쓰여질 때마다 맵이 업데이트되어 원래의 물리적 블록은 "유효하지 않은" 데이터로 표시되고 새 블록이 해당 맵 항목에 연결된다. 즉, 데이터 블록이 플래시 메모리에 다시 쓰여질 때마다 새 위치에 기록된다. 그러나 대체 데이터를 전혀 받지 않는 플래시 메모리 블록은 추가적인 마모를 겪지 않는다. 이러한 특성 때문에 동적 데이터가 재활용된다는 의미에서 동적 웨어 레벨링이라는 이름이 붙여졌다. 동적 웨어 레벨링을 적용한 장치는 웨어 레벨링이 없는 장치보다 오래 지속될 수 있지만, 장치가 더 이상 작동하지 않더라도 여전히 활성 상태로 남아 있는 블록이 존재한다.[2][3]

3. 2. 정적 웨어 레벨링 (Static Wear Leveling)

정적 웨어 레벨링은 논리 블록 주소(LBA)를 물리적 메모리 주소에 연결하기 위해 맵을 사용한다. 정적 웨어 레벨링은 동적 웨어 레벨링과 동일하게 작동하지만, 변경되지 않는 정적 블록도 주기적으로 이동시켜 사용 빈도가 낮은 셀을 다른 데이터에서 사용할 수 있도록 한다. 이러한 회전 효과를 통해 SSD는 대부분의 블록이 수명이 다할 때까지 계속 작동할 수 있다.

3. 3. 글로벌 웨어 레벨링 (Global Wear Leveling)

여러 칩으로 구성된 플래시 메모리에서 모든 칩의 모든 블록을 단일 풀로 관리하여, 모든 셀이 균등하게 마모되도록 한다. 낸드 플래시 메모리 내 서로 다른 칩의 불량 블록 수는 다양하다. 주어진 칩의 모든 데이터 블록이 마모된 반면, 동일한 장치의 다른 칩은 모든 블록이 여전히 활성 상태일 수 있다. 글로벌 웨어 레벨링은 플래시 메모리의 모든 칩에서 모든 블록을 단일 풀로 함께 관리하여 이 문제를 해결한다.

3. 4. 비교

다음 표는 정적 마모 평준화와 동적 마모 평준화를 비교한 것이다.[3]

항목정적동적
내구도더 긴 수명더 짧은 수명
성능더 느림더 빠름
설계 복잡성더 복잡함덜 복잡함
일반적인 사용솔리드 스테이트 드라이브(SSD),[2] 산업용 플래시 드라이브[12]소비자용 플래시 드라이브


4. 기술적 구현

웨어 레벨링은 하드웨어나 소프트웨어 방식으로 구현할 수 있다.


  • 하드웨어 방식: SD 카드나 USB 플래시 드라이브처럼 내장된 마이크로컨트롤러를 통해 구현된다.[12] 이 경우 웨어 레벨링은 투명하며, FAT 같은 기존 파일 시스템을 그대로 사용할 수 있다.
  • 소프트웨어 방식: 플래시 미디어의 JFFS2, YAFFS, 광학 미디어의 UDF 같은 특수 파일 시스템에서 구현된다. 이들은 미디어를 원형 로그로 취급하고 순차적으로 쓰기를 하는 로그 구조 파일 시스템이다.[13] 카피-온-라이트 전략을 구현하는 ZFS 같은 파일 시스템도 웨어 레벨링 형태를 구현한다.


EEPROM이나 플래시 메모리는 개별적으로 지울 수 있는 세그먼트로 구성되며, 각 세그먼트는 제한된 횟수의 삭제 주기를 거칠 수 있다. CD-RW, DVD-RW 같은 광학 미디어는 최대 1,000회, DVD-RAM은 100,000회까지 가능하다. 웨어 레벨링은 데이터를 고르게 분산시켜 특정 블록의 조기 실패를 막는다.

FAT, UFS, HFS/HFS+, EXT, NTFS 같은 기존 파일 시스템은 자기 디스크용으로 설계되어 플래시 메모리에는 문제가 될 수 있다.

미디어 수명을 늘리는 기술은 다음과 같다:

  • 각 블록이나 섹터에 체크섬 또는 오류 정정 코드 유지.
  • 오버 프로비저닝된 예비 공간 풀 유지.
  • LFU 대기열에서 블록이나 섹터 추적.
  • 가비지 컬렉션.


2022년, 시라큐스 대학교와 플로리다 국제 대학교 연구진은 웨어 레벨링이 수백 회 정도의 내구성 한계에서는 유용성보다 해가 더 크다는 연구 결과를 발표했다.[14]

4. 1. 하드웨어 방식

SD 카드와 USB 플래시 드라이브에는[12] 내장된 마이크로컨트롤러를 통해 하드웨어에서 웨어 레벨링 기술이 구현된다. 이러한 장치에서 웨어 레벨링은 투명하며, FAT와 같은 기존 파일 시스템을 그대로 사용할 수 있다.

하드웨어 레벨의 웨어 레벨링은 읽기/쓰기를 수행하려는 메모리 소자(블록)를 CPU 등이 지정할 경우, 해당 주소를 직접 사용하는 것이 아니라 주소 변환 테이블 등을 이용하여 실제로 접근되는 메모리 소자를 간접적으로 지정하는 방식으로 동작한다. 저장 매체에 쓰기를 수행할 때, 이 주소 변환 테이블의 값을 조정함으로써 아직 재기록 횟수가 많지 않은 소자에서 실제 재기록 작업이 발생하도록 한다.

구체적으로 메모리 소자의 각 블록별 갱신 횟수를 장치에서 기록, 관리하고, (예를 들어 파일 시스템의 관리 정보 등) 갱신이 빈번한 블록과 변경 횟수가 적거나 비어있는 블록을 물리적으로 "스왑"한다. 즉, 특정 블록의 갱신 횟수 값이 전체 블록의 상태에서 계산된 값 등 일정 값을 밑돌 경우, 해당 블록의 내용을 비어있는 블록으로 전송하고 이동시킨다(비어있는 블록이 적거나 없는 경우, 변경 횟수가 적은 블록과의 사이에 블록을 전송하고 교체한다). 이와 같이 저장 매체 전체의 변경 횟수를 평준화시키고, 해당 블록을 "스왑"한 후에는 앞서 언급한 주소 변환 테이블을 갱신한다. 이를 통해 소프트웨어에서는 웨어 레벨링 동작을 (적극적으로) 인지하지 않고 읽기/쓰기를 계속할 수 있다.

이러한 방식은 컴팩트 플래시와 같이 메모리 소자에 대한 액세스 제어 회로가 세트로 구성된 상태로 취급되는 경우에 유효하다. 최근에는 NAND형 플래시 메모리를 사용한 저장 매체에서 이 기술을 채택한 제품의 출시가 시작되었다.
참고: 한국의 경우, 삼성전자, SK하이닉스와 같은 주요 반도체 제조업체들이 SSD 컨트롤러에 고도화된 웨어 레벨링 기술을 적용하여 제품의 성능과 수명을 향상시키고 있다.

4. 2. 소프트웨어 방식

웨어 레벨링은 JFFS2, YAFFS, UDF와 같은 특수 파일 시스템에서 소프트웨어로 구현할 수 있다. 이 파일 시스템들은 미디어를 원형 로그로 취급하고 순차적으로 쓰기를 수행하는 로그 구조 파일 시스템이다.[13] 카피-온-라이트 전략을 구현하는 ZFS와 같은 파일 시스템도 웨어 레벨링 형태를 구현한다.

5. 한계 및 비판

2022년, 시라큐스 대학교와 플로리다 국제 대학교 연구진은 현대 SSD 환경에서 웨어 레벨링이 유용성보다 해가 더 클 수 있다는 연구 결과를 발표했다.[14] 이들은 기존 웨어 레벨링 알고리즘이 쓰기 증폭을 유발하며, F2FS나 NVMe에서 새롭게 정의된 Zoned Namespace(ZNS) 등 가변 용량 추상화 방식을 통해 SSD 수명을 더욱 연장할 수 있다고 주장했다.

6. 관련 기술

미디어 수명을 연장하기 위한 몇 가지 기술은 다음과 같다.


  • 각 블록 또는 섹터에 대해 체크섬 또는 오류 정정 코드를 유지하여 오류를 감지하거나 수정할 수 있다.
  • 오버 프로비저닝된 예비 공간 풀을 유지할 수도 있다. 블록 또는 섹터에 오류가 발생하면 해당 풀의 대체 공간으로 향후 읽기 및 쓰기를 리디렉션할 수 있다.
  • 미디어의 블록 또는 섹터는 최소 사용 빈도 (LFU) 대기열에서 추적할 수 있다. 대기열 자체의 데이터 구조는 장치 외부에 저장되거나 사용 공간 자체가 웨어 레벨링되도록 저장되어야 하거나, 플래시 메모리의 경우 수명이 특별히 연장된 블록에 저장되어야 한다. 그러나 일반적인 캐시 알고리즘은 RAM 기반 캐시로 데이터를 관리하도록 설계되었기 때문에 읽기는 일반적으로 쓰기보다 훨씬 빠르며, 지우기 작업은 한 번에 하나의 "블록"만 수행할 수 있는 플래시 메모리 기반 저장 장치에는 직접적으로 적합하지 않다.[13]
  • 가비지 컬렉션


SD 카드와 USB 플래시 드라이브에서는[12] 내장된 마이크로컨트롤러를 통해 하드웨어에서 기술이 구현된다. 이러한 장치에서 웨어 레벨링은 투명하며, FAT와 같은 기존 파일 시스템을 그대로 사용할 수 있다.

웨어 레벨링은 플래시 미디어의 JFFS2 및 YAFFS 또는 광학 미디어의 UDF와 같은 특수 파일 시스템에서 소프트웨어로 구현할 수도 있다. 이 세 가지는 모두 미디어를 원형 로그로 취급하고 순차적으로 쓰기 때문에 로그 구조 파일 시스템이다. 카피-온-라이트 전략을 구현하는 ZFS와 같은 파일 시스템은 웨어 레벨링 형태도 구현한다.

참조

[1] US특허 Wear leveling techniques for flash memory systems
[2] 웹사이트 Wear Leveling Application Note http://www.eettaiwan[...] Spansion 2010-04-30
[3] 웹사이트 USB Flash Wear-Leveling and Life Span http://www.corsair.c[...] Corsair Gaming 2007-06-00
[4] 웹사이트 Western Digital AV Hard Drive Product Information http://wdc.com/en/pr[...] Western Digital 2010-06-01
[5] 웹사이트 So you wanna buy a SSD? Read this first. https://hardwarecanu[...] 2011-01-10
[6] 웹사이트 SSDs Shifting to 25nm NAND - What You Need to Know | StorageReview.com - Storage Reviews https://www.storager[...] 2019-12-05
[7] 논문 Algorithms and data structures for flash memories 2005
[8] 웹사이트 Optimizing Linux with cheap flash drives https://lwn.net/Arti[...] LWN.net 2011-02-18
[9] 웹사이트 Once upon atime https://lwn.net/Arti[...] LWN.net 2007-08-08
[10] 웹사이트 Wear Leveling https://www.transcen[...] 2019-11-20
[11] 간행물 Wear Leveling – Static, Dynamic and Global https://www.cactus-t[...] 2019-11-20
[12] 웹사이트 Swissbit Industrial SD Memory Cards http://eu.mouser.com[...] Mouser Electronics 2017-04-21
[13] 웹사이트 Why Standard Cache Algorithms Won't Work For SSDs http://www.velobit.c[...] velobit.com 2012-02-25
[14] 웹사이트 Wear Leveling in SSDs Considered Harmful https://dl.acm.org/d[...] 2022-07-07
[15] US특허 Wear leveling techniques for flash memory systems
[16] 웹인용 Wear Leveling Application Note http://www.eettaiwan[...] Spansion 2010-04-30
[17] 웹인용 USB Flash Wear-Leveling and Life Span http://www.corsair.c[...] Corsair Gaming 2007-06-00


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