MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的管理技術(shù)

一　引言

MEMS（Micro ElectromechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng)）存儲(chǔ)器是一種新型存儲(chǔ)器件，具有高密度、低功耗、非易失、多探針并行訪問(wèn)等特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)磁盤(pán)具有明顯優(yōu)勢(shì)。可以填補(bǔ)RAM和磁盤(pán)之間的性能差距，可在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中承擔(dān)多種角色，為新型高性能海量存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究帶來(lái)新思路和新方法。

二　MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的請(qǐng)求調(diào)度算法

（一）磁盤(pán)的請(qǐng)求調(diào)度算法

第一種是最簡(jiǎn)單的、性能最差的先來(lái)先服務(wù)（FCFS）：第二種算法是循環(huán)查找（CLOOKLBN）。這種算法是按照LBN升序的方式進(jìn)行服務(wù)，也就是說(shuō)當(dāng)所有請(qǐng)求的LBN都落后于當(dāng)前請(qǐng)求的LBN話，就從涉及到最小LBN的請(qǐng)求開(kāi)始服務(wù)：第三種是最短尋址時(shí)間優(yōu)先（sSTF—BN），主要思想是選擇具有最小尋址延遲的請(qǐng)求，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻很少使用。因?yàn)楹苌儆兄鳈C(jī)操作系統(tǒng)具有用計(jì)算實(shí)際尋址距離或者預(yù)測(cè)尋址時(shí)問(wèn)的信息，考慮到磁盤(pán)LBN到物理位置的映射的關(guān)系，大部分的SSTF算法使用的是最近訪問(wèn)的LBN和目標(biāo)LBN之間的距離作為訪問(wèn)時(shí)間的近似，這種簡(jiǎn)化對(duì)磁盤(pán)是有效的：第四種是最短定位時(shí)間優(yōu)先算法（SPTF），選擇具有最小定位延遲的請(qǐng)求，對(duì)磁盤(pán)來(lái)說(shuō)，SPTF算法與其它算法顯著的不同在于它需要考慮尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲。

將四種調(diào)度算法應(yīng)用到Atalalok上，統(tǒng)計(jì)隨機(jī)負(fù)載在不同的請(qǐng)求到達(dá)頻率下Atlas l0k的響應(yīng)時(shí)間。FCFS的性能是四種調(diào)度算法中性能最差的，同時(shí)，F(xiàn)CFS的性能隨著負(fù)載請(qǐng)求的增加性能最快達(dá)到飽和。SSTFes LBN的性能比CLOOK LBN要好，SPTF的性能最好，而且SPTF性能達(dá)到飽和的速度最慢。

前三種調(diào)度算法（（FCFS CLOOK LBN和SSTFes LBN）可以利用主機(jī)的軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)?？紤]到磁盤(pán)LBN到物理位置的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)這三種調(diào)度算法不需要詳細(xì)的設(shè)備信息，只需要根據(jù)請(qǐng)求的LBN號(hào)來(lái)選擇要服務(wù)的請(qǐng)求。SPTF算法通常是在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的固件中實(shí)現(xiàn)，SPTF算法需要磁盤(pán)狀態(tài)的準(zhǔn)確信息、LBN到物理位置的映射信息、尋址時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)信息等。

（二）MEMS存儲(chǔ)設(shè)各請(qǐng)求調(diào)度算法

為了方便的將MEMS存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備利用與磁盤(pán)相同的接口。為了證明現(xiàn)有的磁盤(pán)請(qǐng)求調(diào)度算法同樣適用于MEMS存儲(chǔ)設(shè)備，將上節(jié)中四種磁盤(pán)的請(qǐng)求調(diào)度算法應(yīng)用到MEMS存儲(chǔ)設(shè)備上。多數(shù)的請(qǐng)求調(diào)度算法，如SSTF LBN和CLOOKLBN，只需要知道LBN的信息，將LBN之間的距離作為定位時(shí)間的估計(jì)。SPTF算法涉及到尋址時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲。而MEMS存儲(chǔ)設(shè)備只存在x軸和Y軸方向的尋址，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)延遲。與磁盤(pán)相同的是，尋址時(shí)間是一維的，接近一個(gè)線性的LBN空間。與磁盤(pán)不同的是，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備在兩個(gè)方向的尋址是并行完成的，選擇較大的作為實(shí)際的尋址時(shí)間。由于x軸方向存在穩(wěn)定時(shí)間，x軸方向的尋址時(shí)間總是比Y軸大。如果Y軸的尋址時(shí)間比較大，SPTF的性能僅比SSTF略有優(yōu)勢(shì)。利用Disksim。將磁盤(pán)的調(diào)度算法應(yīng)用到MEMS存儲(chǔ)設(shè)備上，統(tǒng)計(jì)不同的請(qǐng)求到達(dá)頻率的隨機(jī)負(fù)載下的平均響應(yīng)時(shí)間。

四種調(diào)度算法在MEMS存儲(chǔ)設(shè)備上具有和磁盤(pán)類似的性能：FCFS性能最差，SPTF性能最好。但是，F(xiàn)CFS和基于LBN的算法之問(wèn)的差距比磁盤(pán)小。因?yàn)樵贛EMS存儲(chǔ)設(shè)備尋址時(shí)間在整個(gè)服務(wù)時(shí)間中占很大比例。CLOOK LBN和SSTF LBN性能差距要比磁盤(pán)小。

三　數(shù)據(jù)布局策略

（一）小粒度非順序訪問(wèn)

MEMS存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)訪問(wèn)具有與磁盤(pán)類似的特性，短距離尋址比長(zhǎng)距離尋址要快。與磁盤(pán)不同的是，由于彈簧的回復(fù)力的存在，使得不同位置上觸動(dòng)器作用力的影響不同。彈簧作用力對(duì)每個(gè)tip的訪問(wèn)區(qū)域不同位置的影響。彈簧的作用力隨著sled位移的增加而增大，對(duì)于短距離來(lái)說(shuō)定位時(shí)間反而較長(zhǎng)。因此，在考慮查找小粒度、常用的數(shù)據(jù)項(xiàng)的時(shí)候，除了考慮尋址距離，還要考慮sled距中心位置的距離。

（二）大粒度順序訪問(wèn)

MEMS存儲(chǔ)設(shè)備和磁盤(pán)的流傳輸速率相似：Atals 10K的流傳輸速率是17，3-25，2MB／s，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的流傳輸速率為75，9MB／s。MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的定位時(shí)間比磁盤(pán)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)MEMS存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)說(shuō)，定位時(shí)間對(duì)于大批量數(shù)據(jù)傳輸影響很小。例如：一個(gè)256KB的讀請(qǐng)求在X軸不同位置上的服務(wù)時(shí)間，在1250個(gè)柱面的不同請(qǐng)求之間的服務(wù)時(shí)間僅差10％。同時(shí)減少了大粒度、順序傳送的數(shù)據(jù)對(duì)局部性的需求。但是，對(duì)磁盤(pán)來(lái)說(shuō)，尋址距離是影響尋址時(shí)間的重要因素。同樣，對(duì)一個(gè)256KB大小的請(qǐng)求，長(zhǎng)距離尋址時(shí)間可以使整個(gè)服務(wù)時(shí)間增加1倍。

（三）雙向數(shù)據(jù)布局

為充分利用MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的訪問(wèn)特性，引入了一種雙向布局策略。小數(shù)據(jù)存放在最中間的小區(qū)域中，大的、順序的流數(shù)據(jù)存放在外圍的小區(qū)域中。這種策略可以采用5X5的網(wǎng)格方式實(shí)現(xiàn)。

在假設(shè)各個(gè)請(qǐng)求內(nèi)部不存在相關(guān)性的前提下，比較雙向布局、“organ pipe”布局和一種優(yōu)化的磁盤(pán)布局的性能。在“organpipe”布局策略中，最經(jīng)常訪問(wèn)的文件存放在磁盤(pán)最中間的磁道上，使用頻率稍差的文件存放在中間磁道的兩側(cè)，最不經(jīng)常使用的文件存放在靠近最內(nèi)部和最外部磁道上。這種布局策略對(duì)磁盤(pán)是優(yōu)化的，缺點(diǎn)是需要根據(jù)文件的使用頻率定期的移動(dòng)文件，還需要維護(hù)文件的一些狀態(tài)來(lái)記錄文件的使用頻率。

四　MEMS存儲(chǔ)設(shè)備故障管理

（一）內(nèi)部故障

磁盤(pán)常見(jiàn)的故障有兩種：可恢復(fù)故障和不可恢復(fù)故障。MEMS存儲(chǔ)設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)類似的故障。但是，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備可以采用多個(gè)探針來(lái)彌補(bǔ)組件故障，包括可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不可用的故障。

對(duì)MEMS存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)說(shuō)，有效的糾錯(cuò)碼可以通過(guò)分布在多個(gè)探針上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。在G2模型中，每個(gè)512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊和ECC碼分布在64個(gè)探針之問(wèn)。Ecc碼包括一個(gè)垂直部分和一個(gè)水平部分。ECC碼水平部分可以從故障的扇區(qū)得到恢復(fù)，而垂直部分指出哪些扇區(qū)可以作為故障扇區(qū)對(duì)待，同時(shí)將大的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為扇區(qū)擦除操作。這個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)制說(shuō)明大部分的內(nèi)部故障是可以恢復(fù)的。

像磁盤(pán)一樣，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備也保留了一些的備用空間（spare space），用來(lái)存儲(chǔ)由于探針和介質(zhì)故障而無(wú)法保存在默認(rèn)位置的數(shù)據(jù)。MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的多個(gè)探針可以在一個(gè)磁道上并行訪問(wèn)數(shù)據(jù)，可以避免由于故障需要重新映射帶來(lái)的性能和預(yù)測(cè)開(kāi)銷。而且，通過(guò)在每個(gè)磁道設(shè)置一個(gè)或者多個(gè)備用探針（spare tips），不可讀取的數(shù)據(jù)被重新映射到空閑探針相同的扇區(qū)。

（二）設(shè)備故障

MEMS存儲(chǔ)設(shè)備也很容易受到不可恢復(fù)的故障影響：外部機(jī)械或者靜電強(qiáng)大的作用力能夠損壞觸動(dòng)器的集電刷或者折斷彈簧，破壞介質(zhì)表面，損壞設(shè)備的電子裝置或者破壞數(shù)據(jù)通道。如果出現(xiàn)這些故障，可以采用與磁盤(pán)一樣的方式來(lái)處理。例如，采用設(shè)備內(nèi)部的冗余和周期性的備份來(lái)處理設(shè)備故障。

MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的機(jī)械特性在一些容錯(cuò)機(jī)制中更適合處理讀一更新一寫(xiě)（read-modify-write）操作。一般的磁盤(pán)需要轉(zhuǎn)完整的一圈才能到達(dá)相同的扇區(qū)，而MEMS存儲(chǔ)設(shè)備可以快速的反轉(zhuǎn)方向，大大減少了讀一更新一寫(xiě)的延遲。

（三）故障恢復(fù)

同磁盤(pán)一樣，文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)需要維護(hù)存儲(chǔ)在MEMS存儲(chǔ)設(shè)備上對(duì)象內(nèi)部的一致性。雖然采用同步寫(xiě)操作對(duì)性能具有一定影響，但是，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備的低服務(wù)時(shí)間可以減少這種損失。另外，MEMS存儲(chǔ)設(shè)備沒(méi)有轉(zhuǎn)軸啟動(dòng)的時(shí)間，因此設(shè)備啟動(dòng)速度快，大概只需要0.Sms。即使是高端磁盤(pán)，也需要15-25s的時(shí)間來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)軸和完成初始化。同時(shí)，因?yàn)椴恍枰獑?dòng)轉(zhuǎn)軸，就不需要考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)軸需要的功耗，也就沒(méi)必要采取任何減少功耗的技術(shù)，這些都使得所有的MEMS存儲(chǔ)設(shè)備可以同時(shí)啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間從秒級(jí)降到毫秒級(jí)。