[3주차] Chapter 07. 하드 디스크, 플래시 디스크, RAID

Chapter 07 보조기억장치

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07-1 다양한 보조기억장치

1. 하드 디스크(HDD; Hard Disk Drive)

① 하드 디스크

 -자기적인 방식으로 데이터를 저장하는 보조 기억장치로, 자기 디스크(magnetic disk)의 일종으로 지칭하기도 한다.

 

② 하드 디스크의 구성

 -플래터(platter) : 하드디스크에서 실질적으로 데이터가 저장되는 곳, 자기 물질로 덮여서 N(0)극과 S(1)극을 저장한다.

 -스핀들(spindle) : 플래터를 회전시키는 구성 요소, 스핀들이 플래터를 돌리는 속도는 RPM(Revolution Per Minute, 분당 회전수) 단위로 나타낸다. 

 -헤드(head) : 플래터를 대상으로 데이터를 읽고 쓰는 구성 요소, 디스크 암에 부착되어 있다.

 -많은 양의 데이터 저장을 위하여 플래터 양면을 모두 사용하며, 플래터 당 2개의 헤드가 사용된다.  

 

③ 플래터에 데이터를 저장하는 방법 

 -트랙(track) : 플래터를 여러 동심원으로 나눈 것 중의 하나 

 -실린더(cylinder)

 : 여러 겹의 플래터 상에서 트랙이 같은 위치를 묶은 논리적 단위

 : 디스크 암을 움직이지 않고 데이터에 바로 접근하기 위해 연속된 정보를 하나의 실린더에 저장한다. 

 

-섹터(sector)

 : 트랙을 피자처럼 여러 조각으로 나눈 것 중의 한 조각, 하드 디스크의 가장작은 전송 단위

 : 일반적으로 512바이트 정도의 크기이고, 정확한 크기는 하드 디스크마다 다르다.

 -블록(block) : 하나 이상의 섹터를 묶은 것

 

④ 하드 디스크가 저장된 데이터에 접근하는 시간 

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

 -회전 지연(rotational latency) : 헤드가 있는 곳으로 플래터를 회전 시키는 시간 

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

 -RPM을 높이는 것도 중요하지만, 헤드를 적게 움직일 수 있도록 데이터의 효율적 배치도 중요하다. 

 

⑤ 다중 헤드 디스크와 고정 헤드 디스크

 -단일 헤드 디스크(single-head disk) : 플래터의 한 면당 헤드가 하나씩 달려 있는 하드 디스크

 -이동 헤드 디스크(movable-head disk) : 헤드를 데이터가 있는 곳까지 움직여야 하는 단일 헤드 디스크

 -다중 헤드 디스크(multiple-head disk) : 헤드가 트랙별로 여러 개 달려 있는 하드 디스크(헤드를 움직일 필요가 없다=>탐색 시간이 0)

 -고정 헤드 디스크(fixed-head disk) : 헤드를 움직일 필요가 없는 다중 헤드 디스크    

 

2. 플래시 메모리(flash memory)

① 플래시 메모리

 -전기적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 반도체 기반의 저장 장치, 보조기억장치 범주에만 속하지 않고 다양한 곳에 널리 사용된다.

 -대표적인 플래시 메모리 기반의 보조기억장치 : USB 메모리, SD 카드, SSD

 -크게 두 종류의 플래시 메모리로 나뉜다.

 : NAND 플래시 메모리 : NAND 연산을 수행하는 회로를 기반으로 만들어진 메모리, 대용량 저장 장치로 많이 사용된다.  

 : NOR 플래시 메모리 : NOR 연산을 수행하는 회로를 기반으로 만들어진 메모리

 

② 플래시 메모리의 단위

 -셀(cell) : 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 가장 작은 단위, 한 셀에 일정 횟수 이상 데이터를 쓰고 지우면 데이터를 더 이상 저장할 수 없다.

  이러한 특성을 통해  플래시 메모리에 수명이 있다는 것을 알 수 있다.

 -페이지(page) : 셀들이 모여 만들어진 단위

 -블록(block) : 페이지가 모여 만들어진 단위

 -플레인(plane) : 블록이 모여 만들어진 단위

 -다이(die) : 플레인이 모여 만들어진 단위 

 

③ SLC(Single Level Cell) 타입

 -한 셀에 1비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리

 -MLC나 TLC 타입에 비해 빠른 입출력이 가능하고, 수명도 더 길다.

 -용량 대비 가격이 높다.→데이터를 읽고 쓰는 것이 많이 반복되고 고성능의 빠른 저장 장치가 필요할 때 사용  

 

④ MLC(Multi Level Cell) 타입

 -한 셀에 2비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리→SLC 타입보다 대용화하기 유리하다. 

 -SLC에 비해 입출력이 느리고, 수명이 짧다. 

 -SLC 타입 보다 용량 대비 가격이 낮다.→시중 많은 메모리 저장 장치들이 MLC 타입으로 만들어진다. 

 

⑤ TLC(Triple-Level Cell) 타입

 -한 셀에 3비트를 저장할 수 있는 플래시 메모리  

 -SLC나 MLC 타입보다 입출력이 느리고, 수명이 짧다.

 -SLC나 MLC 타입보다 용량 대비 가격이 낮다. 

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

 

⑥ 플래시 메모리에서 읽기와 쓰기

 -플래시 메모리에서 읽기와 쓰기는 페이지 단위로 일어난다.

 -플래시 메모리에서 삭제는 블록 단위로 일어난다.

 -페이지의 세 개의 상태

 : Free 상태 : 어떤 데이터도 저장하고 있지 않아서 새로운 데이터를 저장할 수 있는 상태  

 : Valid 상태 : 유효한 데이터를 저장하고 있는 상태, 이 상태의 페이지에 새로운 데이터를 저장할 수 없다.

 : Invalid 상태 :  유효하지 않은 데이터(쓰레기 값)를 저장하고 있는 상태 

 -가비지 컬렉션(garbage collection) : 쓰레기 값을 정리하기 위한 기능, 유효한 페이지들만을 새로운 블록으로 복사 후 기존의 블록을 삭제한다.

읽기와 쓰기 단위와 삭제 단위가 달라서 이렇게 쓰레기 값을 정리한다.   

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확인문제

1. ① 플래터, ② 스핀들, ③ 헤드

2. ②, TLC타입은 MLC 타입보다 읽고 쓰는 속도가 느리다.

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07-2 RAID의 정의와 종류

1. RAID의 정의 

① RAID(Redundant Array of Independent Disks)

 -데이터의 안정성 혹은 높은 성능을 위해 여러 개의 물리적 보조기억장치(하드 디스크와 SSD)를 하나의 논리적 보조기억장치처럼 사용하는 기술 

 

2. RAID의 종류 

① RAID 레벨

 -RAID 구성 방법

 -대표적으로 RAID 0, RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4, RAID 5, RAID 6이 있으나, 현재 RAID 2, RAID 3은 잘 사용되지 않는다. 

 -이로부터 파생된 RAID 10(RAID 0과 RAID 1의 혼합), RAID 50(RAID 0과 RAID 5의 혼합) 등이 있다. 이렇게 여러 RAID 레벨을 혼합한 방식을 Nested RAID라고 한다.

 

② RAID 0

 -여러 개의 보조기억장치에 데이터를 단순히 나누어 저장하는 구성 방식

 -스트라입(stripe) : 줄무늬처럼 분산되어 저장된 데이터

 -스트라이핑(striping) : 분산하여 저장하는 것

 -장점 : 데이터를 동시에 읽고 쓸 수 있어서 속도가 빠르다.

 -단점 : 하드 디스크 중 하나에 문제가 생긴다면 모든 하드 디스크의 데이터를 읽는 데에 문제가 생길 수 있어서 저장된 정보가 안전하지 않다.    

 

③ RAID 1

 -복사본을 만드는 방식, 거울처럼 완전한 복사본을 만드는 구성이라 미러링(mirroring)이라고도 부른다.

 -장점 : 데이터에 문제가 발생해도 복구가 매우 간단하다.

 -단점

 : 데이터를 쓸 때 원본과 복사본 두 군데에 써야하므로 쓰기 속도가 RAID 0보다 느리다. 

 : 하드 디스크 개수가 한정되어 있다면 사용 가능한 용량이 적어진다.→많은 양의 하드 디스크가 필요하게 되며 비용이 증가한다. 

 

④ RAID 4

 -복사본을 만드는 대신 다른 장치들의 오류를 검출하고 복구하기 위한 정보를 저장한 장치를 두는 구성 방식

 -패리티 비트(parity bit) : 오류를 검출, 복구하기 위한 정보 (본래 오류 검출용 자료로 복구의 기능은 없으나, RAID에서는 오류 복구도 가능하다) 

 -장점 : RAID 1보다 적은 하드 디스크로 데이터를 안전하게 보관할 수 있다.

 -단점 : 새로운 데이터가 저장될 때마다 패리티를 저장하는 디스크에도 데이터를 쓰게 되어 패리티를 저장하는 장치에 병목 현상이 발생한다.

 

⑤ RAID 5

 -패리티 정보를 분산하여 저장하는 구성 방식

 -장점 : RAID 4의 병목 현상을 해소했다.

 

⑥ RAID 6

 -패리티 정보를 분산하여 저장하나, 서로 다른 두 개의 패리티를 두는 구성 방식 

 - 장점 : 오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단이 두 개로, RAID 4나 RAID 5보다 안전하다.

 - 단점 : 새로운 데이터가 저장될 때마다 함께 저장할 패리티가 두 개이므로 RAID 5보다 쓰기 속도가 느리다.   

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확인문제

1. ②, 보조기억장치에는 수명이 있어서 영구히 사용할 수 없다. 

2. ③

3. RAID 6