0. 학습의도

HDD와 SSD의 순차 I/O 시간은 거의 비슷하다는 말 자체가 이해가 되지 않았다. 전기적 접근이 이루어지는 SSD가 HDD보다 당연히 모든 면에서 월등해야 하는 것 아닌가?? 해당 물음에 답하기 위해 먼저 HDD와 SSD의 작동원리에 대하여 살펴보았다.

1. HDD에 대하여

(1) 구성요소

hdd

Platter(플레터)
- 데이터를 저장하는 원형 자기(magnetic) 디스크
  실제 데이터를 뜻하는 자성물질들로 외부가 코팅되어 있음.
Spindle(스핀들)
- 모든 플레터를 관통 및 고정하고 회전시키는 축
- 플레터를 회전시켜서 arm이 사용자가 원했던 데이터가 있는 섹터를 읽을 수 있도록 하는 역할
Track(트랙)
- 플래터 위에 동심원 모양으로 배열된 데이터의 저장 단위
- 하나의 플래터에 수천 ~ 수만 개의 트랙이 존재

Sector
- 트랙을 여러개의 부채꼴로 나눈 가장 작은 데이터 저장 단위
- 보통 1섹터 = 512 byte ~ 4096 byte 저장
- 실제 읽기와 쓰기 작업은 이 섹터 단위로 이루어진다.
- 바깥 동심원의 트랙이 섹터가 상대적으로 더 많고, 안쪽 동심원의 트랙이 섹터가 상대적으로 적다.
Read-Write Head
- 플레터 표면에 데이터를 읽거나 쓰는 자기 센서
- Read 시: 자기장으로, 섹터내의 자성물질들을 감지
- write 시: 자기장으로 자성물질들을 변화시켜서 기록
- 플래터와 직접 접촉하지 않고 공기압으로 뜬 채로 자성만으로 read or write

(2) 데이터를 읽는 과정 (공통)

순차 I/O, 랜덤 I/O 상관없이 공통적으로 거치는 과정에 초점을 맞추어 설명

I/O 요청 도착
- OS 또는 DBMS가 파일 혹은 블록을 읽기 위해 디스크에 read system call 호출
- 디스크 스케줄러(I/O 큐)에 요청 등록
LBA ➜ 물리주소 변환
- LBA(Logical Block Adress)를 플래터 번호, 트랙 번호, 섹터 번호로 매핑
- 디스크의 펌웨어 혹은 컨트롤러가 이 매핑 과정을 수행한다.
헤드 이동
- read/write header를 원하는 트랙 위치로 옮긴다.
- 이때 걸리는 시간을 Seek Time 이라고 한다.
  (거리가 가까운 트랙이면 ms의 시간, 멀 경우 초단위로 걸릴 수 있음 /가장 오래 걸림)
플래터 회전
- 디스크가 회전하면서, 원하는 섹터가 헤드 아래 올 때까지 기다림
- 이떄 걸리는 시간을 Rotational Latency 회전 시간이라고 함.
  (회전 속도가 7200RPM이면 8.3ms, 평균적으로 4.15ms)
데이터 읽기
- Read-Write Header가 섹터에서 데이터를 읽기 혹은 데이터 조작 과정을 완료하고, 반환해야할 데이터를 디스크 캐시에 저장한다.
- 이때 걸리는 시간을 Transfer Time이라고 한다.
데이터 전송
- 디스크 캐시에서 SATA 혹은 SAS 인터페이스를 통해 메모리를 전송
OS/ 응용 계층에 전달
- 커널의 페이지 캐시 등을 거쳐, 사용자 프로세스에 데이터가 전달됨.

(3) 소결

평균 ns 레벨의 속도를 보여주는 메인보드의 연산 작용 및 메모리 read/write와 달리 기계식 디스크인 HDD를 사용하면, 물리적인 움직임에 따라서 ms ~ s 단위의 시간이 든다. 따라서 디스크 I/O 자체가 병목이 된다.

2. SSD에 대하여

(1) 나온 이유

A. HDD의 최대 병목은 물리적인 지연이라 극복 불가

HDD의 최대 병목인 SEEK TIME (헤드 이동 시간), Rotational Latency(회전 지연)으로 인해 데이터 하나 읽는데 평균 10ms ~15ms가 걸린다.
데이터 하나 읽기가 이 정도인데, 수만 건의 랜덤 read가 발생하는 DB나 OS, 웹서버에서는 사용자에게 데이터가 제공되기 까지 수초가 걸릴 수도 있다.
해당 시간 지연은 디스크가 어느 트랙, 어느 섹터에 데이터를 저장했는가에 따라 생기는 물리적인 것이라 극복 불가!

B. 병렬성에 대한 수요 증가

소프트웨어 발전으로 여러 데이터를 한 번에 읽어오는 병렬 접근에 대한 수요가 커짐

(2) 구성 요소

NAND Flash Memory
- 비휘발성 저장소 (전원 꺼져도 데이터 유지)
- 하드웨어적 구성요소 = 셀: 전자를 저장하는 트랜지스터 구조
- 논리적 구성요소
  - Channel: 컨트롤러와 Package 사이를 잇는 통신선
  - Package: 데이터를 나누는 가장 큰 단위
  - Die: 패키지 내의 데이터 영역을 나누는 단위
  - Plaine: Die 내부를 나누는 단위
  - Block: 여러 페이지들의 집합 (보통 128 ~ 512 Page로 이루어져 있다. HDD의 Track에 해당)
  - Page: 가장 작은 읽기/쓰기 단위 (보통 4KB, HDD의 섹터에 해당)
```
├── Channel (채널)               ← 병렬 데이터 통신 라인
│   ├── Package (NAND 패키지)
│   │   ├── Die (다이)           ← 실제 실리콘 칩. 독립 동작 가능
│   │   │   ├── Plane (평면)    ← 병렬 액세스 가능한 하위 단위
│   │   │   │   ├── Block       ← 지우기 단위 (128~512 Page)
│   │   │   │   │   └── Page    ← 읽기/쓰기 단위 (보통 4KB)
```
Controller
- SSD의 두뇌, 모든 동작을 지휘
- 역할:
  - 논리 주소(LBA) ➜ 물리 주소 매핑(FTL 처리)
  - 쓰기 균형화 (Wear Leveling)
  - 가비지 컬렉션 (GC)
  - ECC (오류 정정)
  - 캐시 관리
  - 인터페이스 (SATA 등)의 신호 처리
FTL (Flash Translation Layer)
- 논리주소와 물리적인 플래시 메모리 주소가 연결되어 있는 추상계층
  (함수와 <논리주소, 물리주소>가 연결된 MAP으로 세부 구성됨)
- 위치: 보통 컨트롤러 내부에 포함되며 DRAM에 자신의 테이블을 유지하고 있다.
- 역할
  - OS가 넘겨준 LBA 주소를 NAND의 Page/Block 주소로 변환
  - 페이지 매핑, 블록 매핑, 하이브리드 매핑 등 알고리즘이 내부에 존재하며 이것을 이용

(3) 데이터를 읽는 과정

I/O 요청이 도착
- OS 또느 DBMS에서 read System call을 발생시켜서 SSD 드라이버로 전달
- SATA 등의 인터페이스를 통해 컨트롤러에 요청
논리 주소 ➜ 물리 주소 변환 (FTL 매핑)
- 요청한 LBA 주소를 실제 플래시 메모리의 페이지 위치로 변환
- 이 매핑 작업은 SSD 내부의 FTL(Flash Translation Layer)가 처리 한다.
  - 페이지 매핑, 블록매핑, 하이브리드 매핑 중 하나의 방법 채택
  - 매핑 후 그 결과를 DRAM 캐시의 FTL 테이블에 저장
NAND 메모리 접근
- 매핑된 Page 단위 위치로 접근
- 전기식 접근임으로 병렬 읽기가 가능해짐 (HDD는 물리적인 접근이라 한 번에 하나의 데이터만 가능함)
데이터 읽기
- 한 페이지(보통 4KB ~ 16KB)를 읽어서 SSD DRAM 캐시 또는 버퍼에 적재
데이터 전송
- SSD 캐시에서 데이터 읽기를 요청했던 메인보드(혹은 서버)의 OS 메모리로 데이터 전송
OS/ 응용 계층에 전달
- 메인보드 혹은 서버의 OS가 커널 레벨에 적재된 데이터를 사용자 공간으로 전달

모르는 단어 정리

SATA, SAS
: 저장장치와 메인보드(컴퓨터 혹은 서버)가 어떻게 데이터를 주고받을지에 대한 전송 규격
SATA는 일반 소비자용, SAS는 데이터 센터, 고성능 서버 등 기업용
DAS, SAN
: 둘 다 저장소(Storage)의 아키텍처임
- DAS: 저장 장치가 직접 서버나 컴퓨터에 물리적으로 연결되어 있는 저장소 아키텍처
- SAN: 전용 스토리지 네트워크를 통해 여러 서버가 공유 스토리지를 사용할 수 있게 만드는 아키텍처