[비즈월드] 본 발명의 일 실시예를 따른 스토리지 클래스 메모리를 포함하는 컴퓨팅 장치는 파일 시스템을 운영하는 프로그램이 저장된 스토리지 클래스 메모리 및 스토리지 클래스 메모리에 저장된 프로그램을 운영하는 프로세서를 포함한다. 이때 프로세서는 프로그램의 실행에 따라, 스토리지 클래스 메모리에 저장된 데이터를 갱신하기 위한 갱신 요청이 발생하면, 스토리지 클래스 메모리의 로그 영역에 저장된 데이터의 로그를 기록한 후, 로그의 유형에 기반하여 스토리지 클래스 메모리에 갱신 요청에 따라 갱신하고자 하는 데이터로 갱신한다.

성균관대학교산학협력단이 2014년 9월 17일 출원(출원번호 제1020140123442호)해 2015년 7월 28일 등록(등록번호 제101541532호)을 받은 '스토리지 클래스 메모리의 데이터 일관성 유지를 위한 장치 및 방법' 특허의 요약문이다.

컴퓨팅 시스템에서 메모리의 계층 구조(memory hierarchy)는 CPU가 접근할 수 있는 속도에 따라 메모리를 구분한 것이다. 메모리의 계층 구조는 상위 레벨로 갈수록 접근 속도(access speed)가 빠르지만, 용량 단위당 가격이 비싸므로 상대적으로 적은 기억 용량을 가진다. 반대로 하위 레벨로 갈수록 접근 속도는 느리고, 용량 단위당 가격이 저렴하여 상대적으로 많은 기억 용량을 가진다.

메모리의 계층 구조에서 하위 레벨에 속하는 보조 기억 장치(secondary storage)는 CPU의 접근 속도가 느리지만, 가격이 저렴하여 다른 메모리에 비해 많은 기억 용량을 가진다. 또 보조 기억 장치는 비휘발성(non-volatile)이므로 반영구적으로 데이터를 저장할 수 있다. 보조 기억 장치보다 상위 레벨인 주 기억 장치(main storage)는 보조 기억 장치와 비교하면 접근 속도가 빠르지만, 보조 기억 장치보다 가격이 비싸고 적은 기억 용량을 가지며, 휘발성(volatile)이다. 그러므로 보조 기억 장치는 주 기억 장치를 보조하기 위한 저장
장치(storage device)로 사용된다.

이때 보조 기억 장치는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 저장 장치를 통칭하는 것이다.

예를 들어 보조 기억 장치는 콤팩트 플래시(compact flash; CF) 카드, SD(secure digital) 카드, 메모리 스틱(memory stick), 솔리드 스테이트 드라이브(solid-state drive; SSD) 및 마이크로(micro) SD 카드 등과 같은 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive; HDD) 등과 같은 마그네틱 컴퓨터 기억 장치 및 CD-ROM, DVD-ROM 등과 같은 광학 디스크 드라이브(optical disc drive) 등을 포함할 수 있다.

주 기억 장치는 저장된 정보를 유지하기 위해 전기를 요구하는 메모리(memory)를 통칭하는 것이다. 예를들어 주 기억 장치는 FPM DRAM(fast page mode DRAM), EDO DRAM(extended data out DRAM), SDRAM(synchronous DRAM), DDR SDRAM(double data rate SDRAM), DDR2 SDRAM(double data rate 2 SDRAM), DDR3 SDRAM(double data rate 3 SDRAM) 등과 같은 DRAM(dynamic random access memory) 및 bipolar SRAM, CMOS SRAM 등과 같은 SRAM(static random access memory) 등을 포함할 수 있다.

보조 기억 장치는 용량 단위당 가격이 주 기억 장치보다 저렴하며, 비휘발성의 특징이 있어 반영구적으로 데이터를 기록할 수 있다. 그러나 보조 기억 장치는 메모리 계층 구조의 상위 메모리보다 데이터를 읽고 쓰는 것이 느리다는 단점이 있다. 그러므로 이런 단점이 있는 보조 기억 장치는 전체 컴퓨팅 시스템의 성능 저하의 원인이 될 수 있다.

이런 단점을 해결하기 위하여 운영 체제(operating system)의 파일 시스템(file system)은 주 기억 장치 일부를 페이지 캐시(page cache)로 이용한다. 하지만 페이지 캐시는 데이터를 주 기억 장치와 보조 기억 장치 두 군데에서 관리하므로 데이터의 일관성(consistency) 유지 문제가 발생할 수 있다.

이런 주 기억 장치와 보조 기억 장치의 단점을 해결하기 위하여 최근 '스토리지 클래스 메모리(storage class memory)'가 새롭게 개발됐다.

스토리지 클래스 메모리는 비휘발성 메모리의 속성 및 휘발성 메모리의 속성을 동시에 제공하는 비휘발성 메모리이다. 스토리지 클래스 메모리는 고속의 바이트 단위의 랜덤 접근(randomaccess)이 가능하며, 접근 속도가 빠르다. 예를 들어, 스토리지 클래스 메모리는 PCM(phase-change RAM), FeRAM(ferroelectric RAM), MRAM(magnetic RAM), RRAM(resistive RAM), STT-MRAM 등을 포함할 수 있다.

이렇게 비휘발성 속성과 휘발성 속성을 동시에 제공하며, 고속의 바이트 단위 랜덤 접근을 지원하는 스토리지 클래스 메모리는 기존 보조 기억 장치나 주 기억 장치를 대체해 사용할 수 있다.

운영체제나 자주 사용하는 파일을 저장하는 기존 보조 기억 장치 일부분으로 활용할 수 있으며, 비휘발성 속성을 이용해 전원이 차단돼도 지속으로 사용하는 프로그램을 위한 주 기억 장치 일부분으로도 활용할 수 있다.

그리고 스토리지 클래스 메모리는 주 기억 장치와 보조 기억 장치 사이에 일종의 쓰기 버퍼 캐시 공간으로 활용할 수 있다.

하지만 스토리지 클래스 메모리를 보조 기억 장치로 이용하기 위해서 몇 가지 고려할 것이 있다. 기존 보조 기억 장치를 위한 파일 시스템은 블록 단위 접근을 지원하며, 주 기억 장치 일부를 페이지 캐시로 이용해 느린 접근 속도에 따른 전체 컴퓨팅 시스템의 성능 저하를 해결한다.

반면 스토리지 클래스 메모리는 블록 단위로 접근하는 기존의 보조 기억 장치와 달리 바이트 단위로 접근한다. 그러므로 스토리지 클래스 메모리에서 기존 파일 시스템을 사용하는 경우에는 기존과는 다른 스토리지 관리방식이 필요하다.

그리고 스토리지 클래스 메모리가 주메모리만큼 속도가 빠르므로 스토리지와 주메모리의 속도 차이를 감소하기 위한 페이지 캐시를 사용하면 이유 없이 데이터를 중복 관리하게 되어 데이터 쓰기 성능 감소의 문제가 존재할 수 있다.

스토리지 클래스 메모리는 바이트 단위 접근을 지원하기 때문에 주 기억 장치와의 메모리 버스를 공유하므로 캐시 일관성을 유지하기 위해 CPU의 캐시와 동기화가 필요하다. 스토리지 클래스 메모리를 사용하는 컴퓨팅 시스템은 이를 위하여 'cache flush' 명령을 사용한다.

이 명령은 캐시에 로드되어 사용 중인 데이터와 메모리에 존재하는 데이터가 불일치(inconsistency)할 때, 캐시 데이터를 메모리에 갱신하는 명령이다. 그러나 'cache flush'를 사용하는 과정에서 로그 데이터가 생성되고 이로 인해 로그 데이터의 쓰기량 및 캐싱 비용이 증가하게 된다. 이러한 스토리지 클래스 메모리의 특성을 고려하고 데이터의 일관성을 유지하기 위한 파일 시스템이 필요하다.

이에 성균관대학교산학협력단은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 로그 데이터의 사이즈를 줄이고 일관성 유지 비용을 최소화하기 위한 스토리지 클래스 메모리에서의 데이터 일관성 유지 장치 및 방법을 제공하기 위해 스토리지 클래스 메모리를 포함하는 컴퓨팅 장치는 파일 시스템을 운영하는 프로그램이 저장된 스토리지 클래스 메모리 및 스토리지 클래스 메모리에 저장된 프로그램을 운영하는 프로세서를 포함하는 방법을 모색했다.

이때 프로세서는 프로그램의 실행에 따라 스토리지 클래스 메모리에 저장된 데이터를 갱신하기 위한 갱신 요청이 발생하면, 스토리지 클래스 메모리에 포함된 로그 영역에 저장된 데이터의 로그를 기록한 후, 로그의 유형에 기반해 스토리지 클래스 메모리에 갱신요청에 따라 갱신하고자 하는 데이터로 갱신한다.

스토리지 클래스 메모리 기반의 파일 시스템에서의 데이터 일관성 유지 방법은 스토리지 클래스 메모리에 저장된 데이터를 갱신하기 위한 갱신 요청이 발생하는 단계와 스토리지 클래스 메모리에 포함된 로그 영역에 저장된 데이터의 로그를 기록하는 단계 및 로그의 유형에 기반하여 스토리지 클래스 메모리에 갱신 요청에 따라 갱신하고자 하는 데이터로 갱신하는 단계를 포함하는 방안을 강구해 냈다.

해당 특허 기술을 통해 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 장점을 동시에 가진 스토리지 클래스 메모리를 지원하는 데이터 일관성 유지 장치 및 방법을 제공할 수 있으며 이로써 관련 사업 전반에서 다양한 파급 효과를 기대할 수 있다.

해당 발명에 따른 스토리지 클래스 메모리의 데이터 일관성 유지를 위한 장치 및 방법은 기존 파일 시스템에 비해 불필요한 백업 비용을 줄여 스토리지 클래스 메모리에 기록해야 하는 파일의 데이터 양을 줄일 수 있어 스토리지 클래스 메모리에서 기존 파일 시스템보다 빠른 시스템 성능을 제공할 수 있다는 효과가 있는 것으로 나타났다.

앞서 설명한 성균관대학교산학협력단의 새로운 특허와 같이 4차 산업 혁명으로 데이터를 빠르고 안전하게 처리하는 기술이 주목받고 있는 가운데 기존 D램(DRAM)과 플래시 메모리의 장점만을 가지는 스토리지 클래스 메모리 관련 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있는 것으로 나타났다.

스토리지 클래스 메모리(Storage Class Memory)를 간단하게 정리하면 플래시 메모리처럼 비휘발성 속성을 제공하면서 동시에 D램처럼 바이트 단위로 랜덤 접근을 지원하는 메모리이다.
 
최근 각광받고 있는 스토리지 클래스 메모리는 데이터 처리 속도가 D램과 비슷하면서도, 전원 공급이 중단돼도 데이터가 사라지지 않는 우수한 특성이 있어 시스템 속도를 10배 이상 빠르게 개선할 수 있다고 알려져 있다.

이런 스토리지 클래스 메모리를 활용해 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷 등의 상용화와 함께 점점 폭증하는 데이터트래픽을 더욱 빠르고 효율적으로 처리가 가능할 것으로 보인다.

참고로 PC, 스마트폰 등에서 사용되는 메모리는 주기억장치인 D램과 보조기억장치인 플래시 메모리로 엄격히 구분되어 왔다.

D램은 데이터 처리 속도는 빠르지만 전원공급이 중단될 때 데이터가 사라진다는 단점이 있는 반면, 플래시 메모리는 D램과 반대의 특성을 가지고 있다.

특허청에 따르면 2014년 2018년 최근 5년 동안 스토리지 클래스 메모리 관련 출원은 연평균 46건으로, 이전 5년(2009~2013년) 연평균 출원 건수인 11건에 비해 4배 이상 증가한 것으로 나타났다.

세부 기술별 특허출원 동향은 스토리지 클래스 메모리를 주기억장치로 사용하는 기술(58%)이 가장 많고, 스토리지 클래스 메모리를 보조기억장치로 사용하는 기술(19%), 주기억장치와 보조기억장치의 처리 속도 차이에 따른 병목 현상을 개선하기 위해 스토리지 클래스 메모리를 캐시 메모리로 사용하는 기술(17%) 순으로 조사됐다.

최근 10년 동안 출원인별 특허출원 동향은 ▲메모리 반도체 기술 특성상 기업 및 대학·연구소가 대다수(99%)를 차지했다. 주요 출원인으로는 삼성전자(29%), SK 하이닉스(19%), 인텔(16%), 마이크론(10%) 순으로 조사됐다.

삼성전자와 SK 하이닉스는 기존 D램 분야에서 축적한 기술적 우위를 바탕으로 스토리지 클래스 메모리를 주기억장치로 활용하는 방안에 주목했다. 반면 미국의 인텔은 마이크론과 공동 개발한 비휘발성 메모리 기술인 '3DXpoint'를 활용해 주기억장치와 보조기억장치의 데이터 처리 속도 차이에 따른 병목 현상을 개선하는 연구에 중점을 두고 있었다.

여기서 '3DXPoint'란 인텔과 마이크론이 2015년 7월에 발표한 비휘발성 메모리 기술로 저항을 사용하고 비트 주소 할당이 가능한 것이 특징이다.

이동영 특허청 전자부품심사과장은 "D램 및 플래시 메모리 시장 점유율 세계 1위인 우리나라에게는 스토리지 클래스 메모리 등장이 위기일 수 있다"면서 "이런 위기를 기회로 바꾸기 위해서는 스토리지 클래스 메모리에 대한 관련 기술 동향 분석 및 연구개발을 계속할 필요가 있다"라고 말했다.