CH5. Self-Study

 

 

 

1. 연관성과 Three Cs 모델

 

직접 매핑 캐시(Direct-Mapped Cache): 히트와 미스

• 다음 접근 주소들: 18, 20, 22, 24, 26.

• 히트/미스 분석:

• 18 (이진수: 10010): 히트 — 캐시 인덱스 2에 존재.

• 20 (이진수: 10100): 미스 — 캐시 인덱스 4에 저장됨.

• 22 (이진수: 10110): 히트 — 캐시 인덱스 6에 존재.

• 24 (이진수: 11000): 미스 — 캐시 인덱스 0에 저장됨.

• 26 (이진수: 11010): 미스 — 블록 18과 충돌 미스 발생, 인덱스 2에서 교체됨.

 

결과:

• 히트: 18, 22.

• 미스: 20, 24, 26.

 

 

연관도가 미스에 미치는 영향

 

• 2-way 세트 연관 캐시를 사용한다면, 블록 26에서 발생한 충돌 미스를 피할 수 있었을 것임.

• 연관도는 블록 배치를 유연하게 하여 충돌을 줄여줌.

• 예시:

• 블록 26은 동일 세트의 다른 라인에 저장될 수 있어 블록 18을 대체하지 않음.

 

 

 

2. 냉동식품 비유를 통한 메모리 계층 이해

 

이 비유는 메모리 계층을 다양한 수준의 식품 저장소로 비교.

 

메모리 계층 수준

 

1. 주방 냉장고: L1 캐시 — 가장 빠르고 자주 접근.

2. 통합 냉동고: L2 캐시 — 더 크고 느리지만 여전히 프로세서에 가까움.

3. 독립 냉동고: L3 캐시 또는 메인 메모리 — 더 큰 용량, 더 느린 접근 속도.

4. 식료품점 냉동고: 2차 저장소 — 매우 큰 용량 (예: SSD 또는 HDD).

5. 식품 공급업체: 클라우드 스토리지 또는 백업 시스템 — 매우 크고 원격에 위치.

 

비유를 통한 메모리 접근 이벤트

 

• 냉장고에서 음식을 꺼냄: L1 캐시에 데이터 접근.

• 냉동고에서 냉장고로 음식 이동: 캐시 미스, L2에서 L1로 데이터 이동.

• 냉동 음식 해동 시간: 데이터 가져오고 준비하는 지연 시간.

• 식료품점에서 새 음식 가져오기: 페이지 폴트 또는 디스크 I/O.

 

 

3. Three Cs 모델 적용

 

Three Cs (Compulsory, Capacity, Conflict Misses)는 냉동식품 비유에서도 잘 적용됩니다.

1. 필수 미스(Compulsory Misses):

• 예: 냉장고, 냉동고, 독립 냉동고 어디에도 원하는 음식이 없어서 식료품점에 가야 하는 경우.

• 메모리 비유: 처음으로 데이터를 접근할 때 캐시에 없는 경우.

2. 용량 미스(Capacity Misses):

• 예: 냉장고/냉동고가 가득 차서 새로운 아이템을 저장할 수 없는 경우.

• 메모리 비유: 워킹 세트(working set)가 캐시 용량을 초과하는 경우.

3. 충돌 미스(Conflict Misses):

• 예: 냉동고의 동일한 구역에 두 개의 아이템을 저장하려다 하나를 교체해야 하는 경우.

• 메모리 비유: 직접 매핑 캐시에서 동일 인덱스에 매핑된 블록들 간 충돌 발생.

 

4. 비유의 한계점

 

컴퓨터 메모리 시스템과 비유가 완벽히 일치하지 않는 부분:

1. 고정 블록 크기: 음식은 다양한 크기로 존재하지만 메모리 블록 크기는 고정됨.

2. 공간적 지역성(Spatial Locality): 음식은 데이터 블록처럼 물리적으로 인접하지 않으므로 공간적 지역성을 직접 나타내지 않음.

3. 3단계 캐시의 쓰기 백(write-back): 실제로 냉동고가 음식 아이템을 다시 받아주지는 않음.

4. L1 캐시 미스와 데이터 무결성: 음식을 여러 번 냉동과 해동하면 손상되지만, 메모리는 무결성을 유지함.

5. 계층 간 포함성(Inclusivity): 메모리 계층은 상위 수준에서 모든 데이터가 포함되도록 하지만, 음식 비유에서는 이를 구현하기 어려움.

 

5. 보안 위험 및 클라우드 컴퓨팅

 

• Hammering Virtual Machines (예: Row Hammer):

• Row Hammer와 같은 메모리 취약점은 특정 DRAM 행을 반복적으로 액세스하여 인접 데이터에 영향을 미칠 수 있음.

• 클라우드 환경에서의 우려:

• AWS와 같은 공유 환경에서는 한 사용자의 악의적 활동이 다른 사용자의 데이터를 손상시킬 가능성.

• 대응책: 물리적 서버 격리 또는 강화된 메모리 구조 사용.

 

주요 요점 요약

 

• 직접 매핑 캐시: 단순하지만 충돌 미스에 취약. 연관성은 이를 줄임.

• 냉동식품 비유: 메모리 계층을 현실적이고 이해하기 쉬운 방식으로 설명.

• Three Cs 모델: 필수, 용량, 충돌 미스를 현실 예제와 연결하여 이해 가능.

• 보안 위험: 클라우드 제공자는 데이터 안전성을 보장하기 위해 메모리 취약점에 대한 대책 필요.