MEMS存储设备的管理技术

一　引言

MEMS（Micro ElectromechanicalSystem，微机电系统）存储器是一种新型存储器件，具有高密度、低功耗、非易失、多探针并行访问等特点，相对于传统磁盘具有明显优势。可以填补RAM和磁盘之间的性能差距，可在计算机系统中承担多种角色，为新型高性能海量存储系统结构研究带来新思路和新方法。

二　MEMS存储设备的请求调度算法

（一）磁盘的请求调度算法

第一种是最简单的、性能最差的先来先服务（FCFS）：第二种算法是循环查找（CLOOKLBN）。这种算法是按照LBN升序的方式进行服务，也就是说当所有请求的LBN都落后于当前请求的LBN话，就从涉及到最小LBN的请求开始服务：第三种是最短寻址时间优先（sSTF—BN），主要思想是选择具有最小寻址延迟的请求，但是在实际应用中却很少使用。因为很少有主机操作系统具有用计算实际寻址距离或者预测寻址时问的信息，考虑到磁盘LBN到物理位置的映射的关系，大部分的SSTF算法使用的是最近访问的LBN和目标LBN之间的距离作为访问时间的近似，这种简化对磁盘是有效的：第四种是最短定位时间优先算法（SPTF），选择具有最小定位延迟的请求，对磁盘来说，SPTF算法与其它算法显着的不同在于它需要考虑寻道时间和旋转延迟。

将四种调度算法应用到Atalalok上，统计随机负载在不同的请求到达频率下Atlas l0k的响应时间。FCFS的性能是四种调度算法中性能最差的，同时，FCFS的性能随着负载请求的增加性能最快达到饱和。SSTFes LBN的性能比CLOOK LBN要好，SPTF的性能最好，而且SPTF性能达到饱和的速度最慢。

前三种调度算法（（FCFS CLOOK LBN和SSTFes LBN）可以利用主机的软件系统简单有效的实现。考虑到磁盘LBN到物理位置的映射关系，实现这三种调度算法不需要详细的设备信息，只需要根据请求的LBN号来选择要服务的请求。SPTF算法通常是在磁盘驱动器的固件中实现，SPTF算法需要磁盘状态的准确信息、LBN到物理位置的映射信息、寻址时间和旋转延迟的准确预测信息等。

（二）MEMS存储设各请求调度算法

为了方便的将MEMS存储设备应用到计算机系统中，MEMS存储设备利用与磁盘相同的接口。为了证明现有的磁盘请求调度算法同样适用于MEMS存储设备，将上节中四种磁盘的请求调度算法应用到MEMS存储设备上。多数的请求调度算法，如SSTF LBN和CLOOKLBN，只需要知道LBN的信息，将LBN之间的距离作为定位时间的估计。SPTF算法涉及到寻址时间和旋转延迟。而MEMS存储设备只存在x轴和Y轴方向的寻址，没有旋转延迟。与磁盘相同的是，寻址时间是一维的，接近一个线性的LBN空间。与磁盘不同的是，MEMS存储设备在两个方向的寻址是并行完成的，选择较大的作为实际的寻址时间。由于x轴方向存在稳定时间，x轴方向的寻址时间总是比Y轴大。如果Y轴的寻址时间比较大，SPTF的性能仅比SSTF略有优势。利用Disksim。将磁盘的调度算法应用到MEMS存储设备上，统计不同的请求到达频率的随机负载下的平均响应时间。

四种调度算法在MEMS存储设备上具有和磁盘类似的性能：FCFS性能最差，SPTF性能最好。但是，FCFS和基于LBN的算法之问的差距比磁盘小。因为在MEMS存储设备寻址时间在整个服务时间中占很大比例。CLOOK LBN和SSTF LBN性能差距要比磁盘小。

三　数据布局策略

（一）小粒度非顺序访问

MEMS存储设备数据访问具有与磁盘类似的特性，短距离寻址比长距离寻址要快。与磁盘不同的是，由于弹簧的回复力的存在，使得不同位置上触动器作用力的影响不同。弹簧作用力对每个tip的访问区域不同位置的影响。弹簧的作用力随着sled位移的增加而增大，对于短距离来说定位时间反而较长。因此，在考虑查找小粒度、常用的数据项的时候，除了考虑寻址距离，还要考虑sled距中心位置的距离。

（二）大粒度顺序访问

MEMS存储设备和磁盘的流传输速率相似：Atals 10K的流传输速率是17，3-25，2MB／s，MEMS存储设备的流传输速率为75，9MB／s。MEMS存储设备的定位时间比磁盘低一个数量级，对MEMS存储设备来说，定位时间对于大批量数据传输影响很小。例如：一个256KB的读请求在X轴不同位置上的服务时间，在1250个柱面的不同请求之间的服务时间仅差10％。同时减少了大粒度、顺序传送的数据对局部性的需求。但是，对磁盘来说，寻址距离是影响寻址时间的重要因素。同样，对一个256KB大小的请求，长距离寻址时间可以使整个服务时间增加1倍。

（三）双向数据布局

为充分利用MEMS存储设备的访问特性，引入了一种双向布局策略。小数据存放在最中间的小区域中，大的、顺序的流数据存放在外围的小区域中。这种策略可以采用5X5的网格方式实现。

在假设各个请求内部不存在相关性的前提下，比较双向布局、“organ pipe”布局和一种优化的磁盘布局的性能。在“organpipe”布局策略中，最经常访问的文件存放在磁盘最中间的磁道上，使用频率稍差的文件存放在中间磁道的两侧，最不经常使用的文件存放在靠近最内部和最外部磁道上。这种布局策略对磁盘是优化的，缺点是需要根据文件的使用频率定期的移动文件，还需要维护文件的一些状态来记录文件的使用频率。

四　MEMS存储设备故障管理

（一）内部故障

磁盘常见的故障有两种：可恢复故障和不可恢复故障。MEMS存储设备也会出现类似的故障。但是，MEMS存储设备可以采用多个探针来弥补组件故障，包括可能会导致设备不可用的故障。

对MEMS存储设备来说，有效的纠错码可以通过分布在多个探针上的数据计算得到。在G2模型中，每个512字节的数据块和ECC码分布在64个探针之问。Ecc码包括一个垂直部分和一个水平部分。ECC码水平部分可以从故障的扇区得到恢复，而垂直部分指出哪些扇区可以作为故障扇区对待，同时将大的错误转化为扇区擦除操作。这个简单的机制说明大部分的内部故障是可以恢复的。

像磁盘一样，MEMS存储设备也保留了一些的备用空间（spare space），用来存储由于探针和介质故障而无法保存在默认位置的数据。MEMS存储设备的多个探针可以在一个磁道上并行访问数据，可以避免由于故障需要重新映射带来的性能和预测开销。而且，通过在每个磁道设置一个或者多个备用探针（spare tips），不可读取的数据被重新映射到空闲探针相同的扇区。

（二）设备故障

MEMS存储设备也很容易受到不可恢复的故障影响：外部机械或者静电强大的作用力能够损坏触动器的集电刷或者折断弹簧，破坏介质表面，损坏设备的电子装置或者破坏数据通道。如果出现这些故障，可以采用与磁盘一样的方式来处理。例如，采用设备内部的冗余和周期性的备份来处理设备故障。

MEMS存储设备的机械特性在一些容错机制中更适合处理读一更新一写（read-modify-write）操作。一般的磁盘需要转完整的一圈才能到达相同的扇区，而MEMS存储设备可以快速的反转方向，大大减少了读一更新一写的延迟。

（三）故障恢复

同磁盘一样，文件系统和数据库系统需要维护存储在MEMS存储设备上对象内部的一致性。虽然采用同步写操作对性能具有一定影响，但是，MEMS存储设备的低服务时间可以减少这种损失。另外，MEMS存储设备没有转轴启动的时间，因此设备启动速度快，大概只需要0.Sms。即使是高端磁盘，也需要15-25s的时间来启动转轴和完成初始化。同时，因为不需要启动转轴，就不需要考虑启动转轴需要的功耗，也就没必要采取任何减少功耗的技术，这些都使得所有的MEMS存储设备可以同时启动，系统启动的时间从秒级降到毫秒级。