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[컴퓨터 구조] External Memory

16 Jun 2018

Reading time ~5 minutes

출처 : Willian Stallings. (2013). Computer Organization and Architecture. London:Pearson

External Memory

외부 메모리는 내부 메모리에 비해 고용량의 내용을 보관하기 위해서 사용합니다. 이런 외부 메모리의 종류는 크게 3개로 나뉠 수 있습니다.

자기 디스크
- RAID
- HDD
광학 디스크
- CD-ROM
- CD-R
- CD-RW
- DVD
자기 테이프

Magnetic Disk

먼저 자기 디스크에 관해서 알아보도록 하겠습니다. 자기 디스크는 자화 물질인 산화철(\(Fe_2O_3\))로 자기 기판을 코팅을 시키도록 합니다. 이러한 기판에는 알루미늄을 사용하기도 합니다. 하지만 현대에는 유리에다 산화철을 발라서 동작 시킵니다. 이러한 방식은 아래와 같은 특징이 있습니다.

표면의 균일성을 높여주도록 합니다.
- 이는 신뢰도를 올립니다.
표면의 오염을 줄이도록 합니다.
- 읽고 쓰는 데의 오류를 감소시킵니다.
헤드가 뜨는 정도를 좀 더 낮출 수 있습니다.
외부변형에 대한 저항 강도가 강해집니다.
충격이나 상해로부터 강해집니다.

이러한 자기 디스크는 헤드를 통해 읽고 쓰게 됩니다. 그리고 이러한 읽기 및 쓰기의 도중에 헤드는 정적으로 있으나 플래터는 회전을 하게 됩니다. 각각의 동작 방법에 대해 기술을 하면 아래와 같이 됩니다.

쓰기
- 전류를 코일에 보내어 자기장을 형성 시킵니다.
- 펄스(pulse)들이 헤드에 보내집니다.
- 자기 패턴이 표면에 기록되게 됩니다.
읽기(전통적 방법)
- 자기장의 움직임이 코일에 전류를 생산을 합니다.
- 이 때 코일은 쓰기용 코일과 같은 것을 사용합니다.
읽기(현대의 방법)
- 쓰기 헤더 가까이에 MR 센서¹를 활용한 읽기 헤더를 분리해서 둡니다.
- MR 센서에 다른 자기장의 영향을 차폐를 시키기 위해 쉴드(shield)를 사용합니다.
- 이러한 MR 센서는 자기장의 방향으로 전기 저항을 발생시키도록 합니다.
- 이런 MR 센서를 사용한 디자인은 많은 수의 명령을 처리할 수 있습니다.
  - 이는 더 높은 저장 용량과 속도를 가지게 됩니다.

이 내용만으로는 이해가 힘드니 실질적인 모형은 아래와 같습니다.

HDD

이런 디스크는 원형이기 때문에 속도의 차이 문제²가 발생하게 됩니다. 그래서 하드디스크의 데이터 저장 방법에는 2가지가 있습니다.

CAV(Constand Angular Velocity) 방식
- 데이터를 처리하는 방법이 매우 쉽습니다.
- 데이터의 집적도가 낮으므로 낭비하는 공간이 많습니다.
Zone들을 사용한 방식
- 제어 속도를 달리하여 데이터를 처리하여 방법이 복잡합니다.
- 데이터의 집적도가 높아집니다.

전자는 좌측의 그림과 같이 나타나고, 후자는 우측의 그림과 같이 나타납니다.

Layout

다음은 초창기의 디스크 방식인 윈체스터 디스크 방식입니다.

Winchester

여기서 gap은 섹터와 섹터 사이의 구분자(delimiter)의 역할을 하는 것입니다. 그리고 ID field는 이 섹터에 관한 정보를 가집니다. 여기서 유의 사항으로 synch byte가 있는 데 이는 동기화를 의미하는 것이 아니라 현재 이 섹터가 가리키는 것이 데이터를 의미하는 것인지 새로운 패턴인지를 확인하는 일종의 프리앰블(preamble)의 역할을 합니다. 그리고 CRC에서 오류를 확인을 하도록 합니다. 또한 이런 윈채스터의 하드디스크 특징 중 하나는 헤드가 공기층위에 살짝 떠서 이동하는 데 이 떠 있는 정도는 연기의 입자보다 더 작습니다.

그렇다면 디스크의 속도는 어떻게 재는지 알아보도록 하겠습니다. 이런 디스크는 탐색 시간, 지연 시간, 접근 시간, 전송 비율, 추가 지연 시간들로 나타낼 수 있습니다. 이것들은 아래와 같이 나타날 수 있습니다.

탐색 시간(Seek Time)
- 보통 평균 탐색 시간은 10ms 밑 입니다.
회전 지연(Rotate Delay)
- 15,000 rpm³ = 250 r/sec
- 250 r/sec은 다시 말해 1 회전은 4ms임을 의미합니다.
- 따라서, 평균 회전 지연은 \(1/(2r)\)이므로 2ms가 됩니다.
전송 시간(Transfer Time)
- 결과 식 : \(T = (b/N) * (1/r)\)
- b : 전송하는 바이트의 수
- N : 트랙의 바이트
- r : 회전 속도
총 평균 접근 시간
- 결과 식 : \(T_a = T_s + 1/(2r) + b/(rN)\)
- \(T_s\) : 평균 탐색 시간
- \(1/(2r)\) : 평균 회전 지연
- \(b/(rN)\) : 전송 시간

그럼 아래의 예제를 위의 식을 활용하여 풀어보도록 하겠습니다. 디스크는 아래의 사양을 가진다고 가정하겠습니다.

평균 탐색 시간 : 4ms
회전 속도 : 7,200rpm
전송 속도 : 512 bytes/sec
트랙 당 색터 : 500 sector/track

여기서 위의 각각을 구하면

평균 탐색 시간 : 4ms
평균 회전 지연 : \(72,000 rpm = 1200 r/sec →1/(2 \times 1200) →약\ 4ms\)

이제 2500개의 섹터를 읽는다고 하도록 하겠습니다. 트랙이 최적화가 되었다는 가정하에 5개의 트랙이 인접해 있을겁니다.(이유 : 500 sector/track이므로 2500 섹터의 읽기는 5개의 트랙으로 구성) 이에 따라, 먼저 첫 번째 트랙을 읽는데 필요한 계산은 아래와 같습니다. 먼저 트랙의 전송 시간을 구하도록 해야합니다. 앞에서 우리는 트랙이 최적화가 되었다고 했으므로 \(b/N = 1\)이 됩니다. 따라서, 아까 평균 회전 시간이 4ms이므로 트랙의 전송 시간은 8ms가 되게 됩니다. 따라서, 아래와 같은 식으로 첫 번째 트랙을 읽는 데 걸리는 시간을 구할 수 있습니다.

\[4ms(평균 탐색 시간) + 4ms(평균 회전 지연) + 8ms(트랙 전송)\]

그리고 나머지 4개의 트랙들은 추가적인 탐색 시간이 필요하지 않으므로 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있습니다.

\[4(트랙 갯수) \times \{4ms(평균 회전 지연) + 8ms(트랙 전송 시간)\}\]

결과적으로, 총 걸리는 시간은 아래와 같습니다.

\[( 4 + 4 + 8 ) + \{ 4 \times ( 4 + 8 ) \} = 64(ms)\]

RAID

RAID는 Redundant Array of Independent Disks의 약자입니다. 6개 레벨의 사용법이 있으며, 데이터가 물리적 드라이브간 분산된 것이라 볼 수 있습니다. 각 RAID에 관해서 알아보도록 하겠습니다.

_{참고사항 : RAID 0, 1, 3, 4, 5, 6, 0+1 그림의 출처는 https://www.golinuxhub.com/2014/04/raid-levels-0-1-2-3-4-5-6-01-10.html 이며 RAID 2는 http://ict.udlap.mx/people/carlos/is215/raid/04_01_02.html 를 따릅니다.}