Write Amplification, WA and Write Amplication Factor, WAF (Storage)

참고한 것들

• 어느 회사 사이트
• 위키피디아

쓰기 작업 (write) 이 증폭 (amplification) 되는 것 §

• 뭐 비유를 해보자면 난 100만원을 입금했는데 실제로는 150만원이 입금되는 거다.
  • 이렇게 비유하면 개꿀이네 싶지만 스토리지 입장에서는 원하지 않은 작업이 이루어지는 것이기 때문에 당연히 손해다.
• 지금의 SSD 에는 이것이 성능 저하의 중요한 원인으로 손꼽히고 있다고 한다.
  • 옛날 HDD 시절에도 Write Amplification 문제가 있었지만, 별로 중요한 문제는 아니었다.

WA 로 인해 발생하는 문제 §

• WA 로 인해 추가적인 쓰기 작업이 발생한다는 것은 두 문제점을 초래한다:
  1. 수명 단축: NAND 플래시 메모리는 PE Cycle Limit 이 있기 때문에 당연히 수명이 짧아질 수 밖에 없다.
  2. 성능 저하: 그만큼 대역폭을 소모하는 등의 퍼포먼스 저하가 발생하게 된다.

WA 가 발생하는 이유들 §

File system operations §

• 보통 파일시스템은 파일의 데이터 뿐 아니라 메타데이터 (이름, 권한, 생성/변경 시간 등) 도 같이 저장한다.
• 그럼 당연히 이 메타데이터를 어딘가에 저장해야 될 것이기에 WA 가 발생하게 된다.
• 다만 이건 OS 의 영역에서 핸들링하는 부분이기에 넓게 보면 WA 가 맞지만 Storage 관점에서 보면 내 알바 아니다.

Garbage collection §

• NAND 플래시에서는 write 하기 위해 GC 가 수행되기도 하는데
• 이때 invalid block 들을 옮기는 작업 때문에 추가적인 write 가 발생하게 되고, 따라서 WA 가 발생하게 된다.
• 이를 해결하기 위해 다음과 같은 기술들이 도입되었다고 한다… (출처)
  • ~1991 년: Over Provisioning
  • ~2007-2008 년: TRIM, Deallocation
  • 2022 년: ZNS, FDP

Wear leveling §

• Wear Leveling 도 WA 를 증가시킬 수 있다고 한다.
  • 데이터가 여러 block 에 분산되어 저장된다는 것은 그만큼 데이터 rewrite 시에 invalid 로 마킹되는 page 들이 여러 block 들에 분산된다는 것이고, 따라서 GC 를 수행할 때 더 많은 page 들을 이동시켜야 하기 때문.
    • 좀만 생각해보면 당연하다: GC 는 어찌보면 invalid page 들을 모아서 지우는 것이기 때문에 invalid page 들이 한 블럭에 이미 모여있으면 옮겨야 할 page 가 더 적어지기 때문이다.
  • 또한 Wear Leveling 방식에 따라 위와는 다른 이유로 데이터를 옮겨야 할 수도 있다.
• 즉 Wear Leveling 과 WA 사이에는 어느정도의 trade-off 가 있는 것.
• 따라서 조금이라도 WA 를 줄이기 위해 Hot cold separation 와 같은 방법을 사용할 수 있다.

Read/Write Page, Erase Block §

• SSD 의 Read, Write 와 Erase 의 단위가 다른 특징 도 WA 를 유발한다.
• 즉, write 작업은 page 단위로 이루어 지기 때문에, 데이터의 크기가 page 사이즈에 딱 맞지 않으면 비는 만큼 불필요한 write 가 발생하는 것.
  • 이러한 것을 방지하기 위해 page 크기에 맞게 데이터의 크기를 맞추거나 (Align writes), 아니면 여러 데이터를 합쳐서 쓰는 방법 (Buffer small writes) 을 사용하기도 한다고 한다.

Read Disturb §

• Read Disturb 현상도 WA 를 증가시킨다.
  • Read disturb 를 막기 위해 block 을 종종 옮겨줘야 하고, 이것은 마찬가지로 추가적인 GC 를 유발하기 때문

Write Amplification Factor (WAF) §

• WA 의 정도를 나타내는 수치로 WAF (Write Amplification Factor) 를 사용한다.
• 이것은 “배수” 로 생각하면 된다. 즉, WAF 가 2라면 실 데이터의 2배 양의 write 가 발생한다는 것.
  • 따라서 1보다 작아질 수는 없다. (더 적은 양의 write 가 발생할 수는 없으므로)
• 일반적인 SSD 에서는 이 수치가 4를 넘어가기도 하며, 이 문제를 해결하기 위해 등장한 ZNS 가 이론적으로는 WAF 가 1이라고 한다.