自適性疊瓦式硬碟轉換層

Abstract

面對數位資料建立與使用的暴增趨勢，在硬碟技術上的主要挑戰是提升磁錄密度，而現今運用在傳統硬碟上的垂直寫入技術即將面臨磁錄密度極限。然而疊瓦式磁記錄透過磁軌的互相堆疊，能在相同的空間內寫入更多的資料，也因此提升了下一代高容量硬碟的潛力。雖然傳統讀取器和寫入器都適用於疊瓦試磁紀錄，但也已經達到實體的發展極限，由於硬碟磁頭的讀取器比寫入器還小，資料仍然可從變窄的磁軌上讀取。但寫入器就不同了，寫入動作會對鄰近的磁軌產生寫入干擾，而干擾在修復上層磁軌的資料後仍會繼續擴散。也因此疊瓦式磁記錄會將所有磁軌分為多個頻帶，即會以頻帶範圍為界限，這可確保重新寫入的程序會侷限在一個頻帶的範圍。整個頻帶重新寫入的動作需要很長的延遲以及消耗比較多的磁頭定位時間，寫入性能問題會讓疊瓦式磁記錄硬碟的應用侷限在冷儲存或備份上。 在往高容量、低成本的方向發展扮演關鍵技術，疊瓦試磁紀錄雖然能滿足了這種大容量的需求，會產生一定的效能瓶頸因為複寫需要以整個頻帶為單位。之前研究指出重寫頻帶中大量未修改資料是冗餘的，因為這會造成極高的寫入放大率。因此降低寫入量成為一個很重要的議題，我們提出了一個動態切割頻帶的策略，利用寫入不平均的頻帶，將頻帶分為兩個子頻帶，並差異化兩個子頻帶的重新寫入次數來提升寫入效能。同時切割的成本可以透過有效管理分割的頻帶，不會產生太多額外的緩存負擔。最終我們也會顯示差異化頻帶的結果。此外我們的方法可以用在任何一個頻帶大小和實體空間轉換層的方法上。我們實作了一系列的實驗來評估我們提出的方法，結果顯示動態切割的方法成功地減少寫入量並接近評估上限。

Perpendicular Magnetic Recording technology has reach the maximum areal density limit. The drive industry is introducing a new technology called Shingled Magnetic Recording. This technology can apply on the next-generation large capacity storage media. The higher density is achieved by overlapping tracks. However, shingle writing has a ripple effect on destroying neighbor tracks. To resolve write penalty, the feedback mechanism will alter the throughput and response time behavior of I/O, especially for random write/update. Although, naïve STL adopt garbage collection which is similar with Flash Translation Layer. Write amplification ratio is still remarkable while taking a band as a cleaning unit. To optimize the garbage collection performance, we proposed two schemes called Dcut and Delay. The first one is a skewness identification scheme that partially masks the cleaning unit. The second scheme pushes the skewness to the limit. The performance has been tested and compared with naïve STL. The evaluation results show that Dcut/Delay perform up better than naïve STL.