[혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제] 07. 보조기억장치

RAM은 휘발성 메모리이기 때문에 이를 보완하기 위해 보조기억장치가 존재함. 대표적인 보조기억장치로는 하드 디스크와 플래시 메모리가 있음

다양한 보조기억장치

하드 디스크

자기적인 방식으로 데이터 저장하는 보조기억장치

 

[하드 디스크 구성]

하드 디스크 구성(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 플래터: 원판 형태로 내부에 수많은 N극과 S극으로 데이터가 저장됨
  • 플래터는 여러개 사용 가능하고, 양면 모두 사용 가능함
• 스핀: 플래터를 회전시키는 것으로, RPM 단위로 회전시킴
• 헤드: 플래터와 아주 미세하게 떠있으며, 자기 물질을 읽는 구성요소
  - 일반적으로 모든 헤드가 디스크 암에 부착되어 함께 이동

[하드 디스크 저장 단위]

하드 디스크 저장 단위(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 기본적으로 트랙(track)과 섹터(sector) 단위로 데이터 저장함
  섹터의 크기: 512 바이트 ~ 4096 바이트
• 실린더(cylinder): 여러 겹의 플래터 상에서 같은 트랙이 위치 한 곳을 모아 연결한 논리적 단위
  - 연속된 정보는 한 실린더에 기록함

[하드 디스크 데이터 접근 과정]

하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간

• 탐색 시간(seek time): 접근하려는 데이터가 저장된 트랙까지 헤드를 이동시키는 시간

탐색 시간(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 회전 지연(rotational latency): 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전시키는 시간

회전 지연(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 전송 시간(transfer time): 하드 디스크와 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 시간

전송 시간(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

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플래시 메모리

전기적으로 데이터를 읽고 쓰는 반도체 기반 저장 장치

* 범용성이 넓기 때문에 보조기억장치에'만' 속한다고 보기는 어려움

* 플래시 메모리(USB, SSD, SD 카드)와 하드 디스크에도 수명이 존재함! 저장장치에 '읽고, 지우고'를 일정 횟수 이상으로 반복하게 되면 보조기억장치로써 수명 끝남

• SSD(Solid State Drive)는 하드 디스크와 달리 자기 디스크 대신 반도체 메모리를 사용하여 데이터 처리 속도가 빠름
• SSD는 기계적 움직임이 없기 때문에 하드 디스크에 비해 충격에 강하고 소음이 없음

 

[플래시 메모리 종류]

• NAND 플래시 메모리: NAND 연산을 수행하는 회로로, 대용량 저장 장치로 많이 사용됨
• NOR 플래시 메모리: NOR 연산을 수행하는 회로
• V-NAND(3D NAND): 셀을 수직으로 쌓아 올려 저장 용량을 높인 기술

[플래스 메모리 구성]

• 셀(cell): 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위로, 이 셀이 모이고 모여 수 MB, GB, TB 저장 장치가 됨
  • 한 셀에 1비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리: SLC(== 한 집에 한 명 사는 구조)
    • 한 셀로 두 개의 정보 표현 → 0과 1
    • 비트의 빠른 입출력 가능
    • 긴 수명
    • 용량 대비 고가격
  • 한 셀에 2비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리: MLC(== 한 집에 두 명 사는 구조)
    • 한 셀로 네 개의 정보 표현(대용량화 유리) → 00, 01, 10, 11
    • SLC보다 느린 입출력
    • SLC보다 짧은 수명
    • SLC보다 저렴
    • 시중에서 많이 사용됨(MLC, TLC, QLC)
  • 한 셀에 3비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리: TLC(== 한 집에 세 명 사는 구조)
    • 한 셀로 여덟 개의 정보 표현(대용량화 유리) → 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111
    • MLC보다 느린 입출력
    • MLC보다 짧은 수명
    • MLC보다 저렴
    • 시중에서 많이 사용됨(MLC, TLC, QLC)
  • 한 셀에 4비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리: QLC

구분	SLC	MLC	TLC
셀당 bit	1bit	2bit	3bit
수명	길다	보통	짧다
읽기/쓰기 속도	빠르다	보통	느리다
용량 대비 가격	높다	보통	낮다

 

→ 같은 플래시 메모리라도 수명, 가격, 성능이 다름!

 

[플래시 메모리 저장 단위]

• 셀들이 모여 페이지(page)
• 페이지들이 모여 블록(block)
• 블록이 모여 플레인(plane)
• 플레인이 모여 다이(die)

플래시 메모리 저장 단위(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 읽기/쓰기 단위와 삭제 단위가 다름
  • 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 이루어짐
  • 삭제는 (페이지보다 큰) 블록 단위로 이루어짐

[페이지 상태]

플래시 메모리는 하드 디스크와 달리 덮어쓰기가 불가능함!

• Free 상태: 어떠한 데이터도 저장하고 있지 않아 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태
• Valid 상태: 이미 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태
• Invalid 상태: 유효하지 않은 데이터(쓰레기 값)를 저장하고 있는 상태

[동작 예시]

1. 블록 x에 데이터 C를 저장(페이지 단위로 저장)

동작 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

 

2. 새롭게 저장된 C와 기존에 저장되어 있는 B는 그대로 둔 채 기존의 A만 A'로 수정

• 삭제는 블록 단위로만 이루어짐
• 기존 A를 Invalid 페이지로 만든 후, 새롭게 저장될 A'를 새로운 페이지로 저장함

동작 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

3. 가비지 컬렉션 수행

유효한 페이지들만 새로운 블록으로 복사한 후 기존 블록을 삭제해 공간을 정리하는 기능

- 유효하지 않은 페이지(쓰레기 값)이 쌓여 공간이 낭비되는 문제 해결

동작 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

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RAID의 정의와 종류

RAID(Redundant Array of Independent Disks): 데이터의 안전성 혹은 높은 성능을 위해 여러 물리적 보조기억장치를 마치 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술
ex) 1TB 장치 다섯 개를 마치 5TB 하나의 장치처럼 사용하는 기술
- 하드 디스크와 SSD로 사용하는 기술

 

RAID 레벨

RAID를 구성하는 기술

• RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6 존재
• 그로부터 파생된 RAID 10, RAID 50, ... 존재
  • RAID 10(또는 RAID 1+0)은 신뢰성을 제공하는 RAID 1과 성능을 제공하는 RAID 0의 장점을 결합한 형태
• 각 RAID 레벨마다 장단점이 존재함
• 어떤 상황에서 무엇을 최우선으로 원하는지에 따라 최적의 RAID 레벨은 달라질 수 있음
• 각 RAID 레벨의 대략적인 구성과 특징을 아는 것이 중요함

RAID 0

데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식

RAID 0(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 각 하드 디스크는 번갈아 가며 데이터 저장함
• 저장되는 데이터가 하드 디스크 개수만큼 나뉘어 저장됨
• 스트라입(stripe): 마치 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터
• 스트라이핑(striping): 분산하여 저장하는 것
• 장점: 입출력 속도 향상

RAID 0 장점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 단점: 저장된 정보가 안전하지 않음(결함 허용 능력 X)

RAID 0 단점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

RAID 1

데이터를 쓸 때 원복과 복사본 두 군데에 쓰는 미러링 방식

미러링(mirroring): 복사본을 만드는 방식

RAID 1(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 장점: RAID 0보다 안전하게 데이터 저장 가능
•  단점
  • 느린 쓰기 속도
  • 하드 디스크 개수가 한정되었을 때 사용 가능한 용량이 적어짐
    - 복사본이 만들어지는 용량만큼 사용 불가능함 → 많은 양의 하드 디스크가 필요 → 비용 증가

RAID 4

RAID 1처럼 완전한 복사본을 만드는 대신 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보(=패리티 비트)를 저장

RAID 4(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

• 패리티를 저장한 장치를 이용해 다른 장치들의 오류를 검출하고, 오류가 있다면 복구
  * 컴퓨터 공학적으로 패리티 비트는 오류 검출만 가능할 뿐 오류 복구는 불가능함. 하지만, RAID에서 사용되는 패리티 비트는 오류 복구도 가능함
• 장점: RAID 1보다 적은 하드 디스크로도 데이터를 안전하게 보관
• 단점: 패리티 디스크의 병목 현상 발생

RAID 4의 단점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

RAID 5

패리티 정보를 분산해 저장하는 방식

• RAID 5를 구성하기 위해 필요한 최소 디스크 개수는 3개

RAID 5의 단점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)

RAID 6

두 종류의 패리티(오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단)

• RAID 5보다 안전하지만, 쓰기는 RAID 5보다 느림

RAID 6의 단점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=19013s)