저장장치 계층구조 (Storage Hierarchy)

핵심 개념

저장 용량과 접근 시간에 따라 다양한 저장 시스템을 계층적으로 조직한 구조.

주 메모리는 모든 필요한 프로그램과 데이터를 영구적으로 저장하기에는 너무 작고, 휘발성(volatile)이어서 전원이 꺼지면 내용이 사라진다. 이러한 한계를 극복하기 위해 계층 구조가 필요하다.

계층 구조

위에서 아래로: 빠름/작음 → 느림/큼

Registers Primary · Volatile

Cache Primary · Volatile

Main Memory Primary · Volatile

NVM (SSD) Secondary · Nonvolatile

HDD Secondary · Nonvolatile

Optical Disk Tertiary · Nonvolatile

Magnetic Tapes Tertiary · Nonvolatile

일반 규칙: 저장 용량과 접근 시간 사이에 트레이드오프 존재

저장장치 분류

Volatile storage (휘발성 저장장치)

• 전원 제거 시 내용 손실
• 단순히 “memory”라고 부름

Nonvolatile storage (비휘발성 저장장치)

• 전원 제거 후에도 내용 유지
• Mechanical: HDD, 광학 디스크, 자기 테이프
• Electrical: 플래시 메모리, FRAM, NRAM, SSD → “NVM”이라고 부름

보조 저장장치 (Secondary Storage)

• 주 메모리의 확장으로, 대용량 데이터를 영구적으로 보관
• 가장 일반적인 장치: HDD와 NVM 장치
• 주 메모리보다 훨씬 느림

삼차 저장장치 (Tertiary Storage)

• 백업 복사본, 드물게 사용되는 데이터, 장기 보관용 저장에 사용
• 예: 자기 테이프, CD/DVD/Blu-ray

트레이드오프

• 장점: 각 계층에서 적절한 비용-성능 균형 달성 가능
• 단점: 관리 복잡성 증가, 계층 간 데이터 이동 오버헤드

관련 개념

• 캐시 (Cache) - 저장장치 계층에서 빠른 접근을 위한 임시 복사 메커니즘
• HDD (Hard Disk Drive) - 2차 저장장치 계층의 대표적인 기계식 장치
• SSD (Solid-State Drive) - NVM 계층에 위치하는 전자식 비휘발성 저장장치
• 캐시 일관성 (Cache Coherency) - 멀티프로세서 환경에서 계층 간 데이터 일관성 유지 문제
• DMA (Direct Memory Access) - 계층 간 데이터 이동을 CPU 개입 없이 수행하는 기법

출처

• Operating System Concepts, 10th Edition, Chapter 1, p.11-14