캐시 일관성

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공유 메모리 시스템 개념도

캐시 일관성(영어: cache coherence)이란 공유 메모리 시스템에서 각 클라이언트(혹은 프로세서)가 가진 로컬 캐시 간의 일관성을 의미한다.

각 클라이언트가 자신 만의 로컬 캐시를 가지고 다른 여러 클라이언트와 메모리를 공유하고 있을 때, 캐시의 갱신으로 인한 데이터 불일치 문제가 발생한다. 예를 들어 변수 X에 대해서 두 클라이언트가 변수 X를 공유하고 있고 그 값이 0이라고 하자. 이때 클라이언트 1(그림의 윗쪽)이 X에 1을 대입하였고 클라이언트 2(그림의 아래쪽)가 변수 X를 읽어들이게 되면 클라이언트 2는 클라이언트 1에 의해 수정된 값인 1을 받아들이는 것이 아니라 현재 자신의 로컬 캐시에 있는 0을 읽어들이게 된다. 따라서 캐시 1, 2는 같은 X라는 변수에 대해 다른 값을 가지게 되므로 데이터 불일치 문제가 발생한다. 캐시 일관성을 유지한다고 하는 것은 이러한 데이터 불일치 현상을 없애는 것을 의미한다.

캐시 일관성을 유지하기 위해서는 다른 프로세서가 갱신한 캐시 값을 곧바로 혹은 지연하여 다른 프로세서에서 사용할 수 있도록 해주어야 한다. 캐시 일관성을 유지하기 위한 다양한 프로토콜이 존재하며 일관성 모델 항목을 참고하기 바란다.

캐시 일관성 구조[편집]

디렉터리 기반 일관성 구조는 캐시 블록의 공유 상태, 노드 등을 기록하는 저장 공간인 디렉터리를 이용하여 관리하는 구조이다.

스누핑(snooping)은 주소 버스를 항상 감시하여 캐시 상의 메모리에 대한 접근이 있는지를 감시하는 구조이다. 다른 캐시에서 쓰기가 발생하면 캐시 컨트롤러에 의해서 자신의 캐시 위에 있는 복사본을 무효화시킨다.

디렉터리와 스누핑은 연구가 활발히 되고 있으며 또한 장단점이 이미 잘 알려져있다. 스누핑의 경우 각 노드의 대역폭이 충분히 크다면 좋은 성능을 기대할 수 있다. 그러나 성능 확장성(Scalability)이 좋지 않다. 왜냐하면 메모리 요청(Request)에 대해 다른 모든 노드에 브로드캐스트 해야 하기 때문이며 노드의 수가 증가하면 더 많은 브로드캐스트가 발생하게 되고 이 때문에 버스의 대역폭도 더 늘어나야만 한다. 이에 반해 디렉터리 기반 구조는 어떤 노드에서 해당 캐시 블록의 복사본을 가지고 있는지를 알고 있기 때문에 특정 노드에만 요청을 하게 된다. 따라서 브로드캐스트가 불필요하게 되어 대역폭이 상대적으로 작아도 된다. 이 때문에 64개 이상의 프로세서를 가지는 대규모 시스템에서는 디렉터리 기반의 캐시 일관성 프로토콜을 사용하는 경우가 많다.

일관성 모델[편집]

캐시 일관성을 유지하기 위한 주요 프로토콜은 다음과 같다.