Abstract
Although solid-state drives (SSDs) offer significant performance improvements over hard disk drives (HDDs) for a number of workloads, they can exhibit substantial variance in request latency and throughput as a result of garbage collection (GC). When GC conflicts with an I/O stream, the stream can make no forward progress until the GC cycle completes. GC cycles are scheduled by logic internal to the SSD based on several factors such as the pattern, frequency, and volume of write requests. When SSDs are used in a RAID with currently available technology, the lack of coordination of the SSD-local GC cycles amplifies this performance variance. We propose a global garbage collection (GGC) mechanism to improve response times and reduce performance variability for a RAID of SSDs. We include a high-level design of SSD-aware RAID controller and GGC-capable SSD devices and algorithms to coordinate the GGC cycles. We develop reactive and proactive GC coordination algorithms and evaluate their I/O performance and block erase counts for various workloads. Our simulations show that GC coordination by a reactive scheme improves average response time and reduces performance variability for a wide variety of enterprise workloads. For bursty, write-dominated workloads, response time was improved by 69 percent and performance variability was reduced by 71 percent. We show that a proactive GC coordination algorithm can further improve the I/O response times by up to 9 percent and the performance variability by up to 15 percent. We also observe that it could increase the lifetimes of SSDs with some workloads (e.g., Financial) by reducing the number of block erase counts by up to 79 percent relative to a reactive algorithm for write-dominant enterprise workloads
چکیده
با وجود آنکه درایوهای سخت (SSDS) بر روی هارددیسک ها (Hdds) برای تعدادی از تراکم های کاری، تقویت ها وبهبود های قابل توجهی را ارائه کرده اند .آنها میتوانند در توان عملیاتی و رکود درخواست ، واریانس اساسی و ذاتی را از خود نشان دهند که میتواند به علت جمع آوری زباله(GC) باشد. وقتی GC با یک استریم I/O تداخل پیدا می کند .تا زمانی که چرخه ی GC به پایان نرسد،استریم I/O نمیتواند پیشرفت کند. چرخه های GC از طریق یک منطق داخلی مرتبط با SSD و بر اساس فاکتورهایی نظیر الگو، فرکانس و حجم درخواست های نوشتن زمان بندی می شوند.وقتی که SSD ها تکنولوژی های فعلی در پیکر بندی RAID به کار برده شود، فقدان هماهنگ کننده چرخه ها ی GC محلی SSDسبب تقویت تنزل کارایی و بهره وری میشوند.
در این پژوهش مکانیزم جمع آوری زباله ی عمومی(GGC) تقویت زمان های پاسخگویی و کاهش قابلیت تغییر کارایی را برای پیکر بندی RAID با دارا بودن درایوهای SSD پپیشنهاد اکرده ایم .این طراحی در برگیرنده ی یک طراحی سطح بالای کنترل کننده RAID با آگاهی از وضعیت SSD و دستگاه های SSD با قابلیت GGCو الگوریتم هایی است که به منظور همکاری در چرخه های GGCبه کار برده شده اند . در این پژوهش اقدام به توسعه و ساخت الگوریتم های واکنشی و فعال GC نموده ایم و کارایی I/O و پاک کردن بلوکهای داده ای نامعتبر در برخی از تراکم های کاری را بررسی و ارزیابی نموده ایم.
شبیه سازیهای انجام شده نشان میدهند که هماهنگ سازی GC از طریق یک الگوی واکنشی ، متوسط زمان پاسخگویی را تقویت میکند و میتواند برای محدوده ی وسیعی از تراکم های کاری تجاری ، منجر به کاهش تغییر پذیری کارایی شوند . ما نشان میدهیم که یک الگوریتم هماهنگ سازی GC فعال میتواند زمانهای پاسخگویی I/O را تا 9 درصد بیشتر تقویت کند و تغییر پذیری کارای را نیز تا 15 درصد بیشتر بهبود ببخشد. همچنین نشان میدهیم که الگوریتم های پیشنهادی توانایی افزایش طول عمر SSDها را دارند . و این کار را از طریق کاهش دادن تعداد بلوک های پاک سازی شده انجام میدهند و میتواند برای تراکم های کاری تجاری مسلط- نوشتن نسبت به یک الگوریتم واکنشی، بیش از 79 درصد بهتر عمل کنند.
واژگان کلیدی: سیستم های ذخیره سازی،درایو های سخت ، حافظه فلش، جمع آوری زباله، آرایه ی افزونگی دیسکهای ارزان
1-مقدمه
از سیستم های تجاری بزرگ تا سایر سیستم های دیگر با مقیاس های مختلف، دیسک های سخت توانسته اند خود را به عنوان یک رسانه ذخیره سازی غالب در سیستم های ذخیره سازی تحمیل نمایند. کارخانه های تولید کننده HDD در تهیه و ساخت و تولید سری های طولانی بهبود در ذخیره سازی ، موفق بوده اند. در انجام بهبود در چگالی ذخیره سازی، این شرکت ها توانسته اند حجم کلی ذخیره سازی را افزایش دهند و قیمت تمام شده به ازای هر بایت را کاهش دهند. ذخیره سازی ستونی این گرایش را توسعه داده است اما پیشرفت ها ، همچنان نیاز به تکنولوژی های جدیدی نظیر رسانه طرح دار دارد. تغییرات در تکنولوژی ، چالش های ساخت ویژه ه ای را می طلبد و میتواند سبب از هم پاشیدگی اقتصادهای مقیاسی شود که در مقیاس انبوه به صنعت فروخته میشوند.
علی رغم آنکه چگالی و ظرفیت ذخیره سازی ، با پیشرفت های شگرفی روبرو شده است ، اما کارایی I/O و افزایش این روند همچنان در پایین ترین سطح خود قرار دارد . بالا بردن چگالی و ظرفیت به رد وبدل نمودن داده ای بیشتری به دیسک کمک می کند اما بیشترین بهره برداری از افزایش سرعت دورانی به دست می اید . یک هارد دیسک درایو کلاس صنعتی ساده هم اکنون می تواند با سرعت 15000 دور در دقیقه بیش از 204 مگا بیت بر ثانیه را انتقال دهد .
متاسفانه هم اکنون طراحان هارد دیسک بر این باورند که افزایش بیشتر سرعت دوران پلاترها کار بسیار سختی است چرا که با مسائل انرزی مصرفی و اتلاف گرما روبرو خواهند شد . برعکس دیسکهای حالت جامد ( سخت ) در صنعت ذخیره سازی با SSD های مبتنی بر حافظه فلش NAND قابلیت هدایت شارژ را دارند اینده روبه رشدی در انتظار آنهاست . این رسانه های ذخره سازی نسبت به هارد دیسک های مرسوم ، مزایای بیشتری ار ارائه می دهند که عبارتند از بهبود دادن زمان دسترسی I/O ، انرزی مصرفی کمتر ، مقاومت و سازگاری بهتر به منظور عملیاتی شدن در محیط های خشن به همراه شک های خارجی و حرارت های داغ تر و ارائه وزن سبک تر که منجر به تولید چندین عمل موفقعیت آمیز در سیستم های ذخیره سازی صنعتی و محاسبه ایی با کارایی بالا (HPL ) شده است [2,11,24,29] . و سرعت انطباق با آنها نیز افزایش یافته است . همچنین در پژوهش های طراحی ترکیبی سیستم های ذخیره سازی SSD ها و هارد دیسک ها نیز که به منظور متعادل سازی هزینه ها و مزایای مرتبط به ار تکنولوژی انجام می شود ، روند روبه رشدی را می توان مشاهده نمود {8،16 و 29 } . نحوه بسته بندی SSD ها با فرم های عمومی روابط و فاکتور های الکتریکی به هارد دیسک ها اجازه می دهد در سیستم های فعلی جایگزین مناسب .و مستقیمی برای آنها باشند ....