Tài liệu Biểu đồ ổ đĩa nhìn từ góc độ nhiệt lượng một trường hợp cho việc quản lý nhiệt lượng linh động

Một số thuật ngữ tiếng anh sử dụng Thuật ngữ Thermal envelope DTM (Dynamic Thermal Management) RPM (Rotation per Minute) IDR (Internal Data Rate) BPI (Bits-per-Inch) TPI (Track-per-Inch) Respone times Areal densities Platter size VCM (Voice-Coin Motor) Ý nghĩa Nhiệt độ tối đa cho phép mà vẫn đảm bảo ổ đĩa hoạt động ổn định và tin cậy Quản lý nhiệt lượng linh động Số vòng quay trong một phút Tốc độ dữ liệu nội bộ Thời gian đáp ứng Mật độ dữ liệu lưu trữ trên một diện tích Kích thước platter Bộ truyền động 1 Biểu đồ ổ đĩa lưu trữ nhìn từ góc độ nhiệt lượng: Một trường hợp cho việc quản lý nhiệt lượng linh động Nội dung chính bài báo Tầm quan trọng của việc tăng hiệu suất ổ đĩa lưu trữ tiếp tục phát triển, không những chỉ trong thị trường máy chủ mà còn trong rất nhiều sản phẩm điện tử gia dụng. Một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến việc thiết kế ổ đĩa lưu trữ là sự tản nhiệt và sự ảnh hưởng của nó đến độ ổn định của ổ đĩa lưu trữ, vì nhiệt độ cao có thể dẫn đến những lỗi hiểu sai, hoặc thậm chí gây ra sai lầm trong việc di chuyển đầu đọc (ghi) đến vị trí lưu trữ dữ liệu trong thiết bị lưu trữ dữ liệu tức là di chuyển đầu đọc (ghi) dữ liệu đến không đúng vị trí cần đọc (ghi). Cho đến bây giờ, những nhà sản xuất ổ đĩa lưu trữ vẫn đáp ứng được chỉ tiêu tăng IDR (tốc độ dữ liệu nội bộ) là 40% mỗi năm bằng cách tăng RPMs và giảm kích thước ổ đĩa, nhưng cả hai cách này đều có những ảnh hưởng ngược lại trong việc tản nhiệt cho ổ đĩa. Bài báo trình bày một mô hình tích hợp phục vụ cho việc nghiên cứu mối liên hệ giữa các đặc điểm về dung lượng, hiệu suất và nhiệt lượng của ổ đĩa, và cách sử dụng cách đặc điểm này để xây dựng một biểu đồ dựa trên một thermal envelope cho trước Bài báo cũng dự đoán là tốc độ tăng trưởng IDR sẽ giảm xuống trong tương lai bởi vì một số nguyên nhân:    Sự ảnh hưởng của thermal envelope Sự giới hạn trong việc phát triển areal densities Chi phí cho việc sửa lỗi và làm mát ổ đĩa Bài báo đưa ra hai kỹ thuật DTM giúp tăng hiệu suất ổ đĩa nhưng vẫn không vi phạm thermal envelope   Kỹ thuật DTM thứ nhất: khai thác tất cả những sự giảm nhiệt độ có thể, giữa những gì mà ổ đĩa được dự định hỗ trợ và nhiệt độ hoạt động hiện hành thấp hơn để tăng RPM. Kỹ thuật DTM thứ hai: giả sử ổ đĩa chỉ được thiết kế cho những hành vi trong trường hợp trung bình, do đó cho phép tốc độ RPM cao hơn, và sử dụng việc điều chỉnh linh động các hoạt động của ổ đĩa để duy trì trong giới hạn thermal envelope. Lợi ích của kỹ thuật DTM: giúp ổ đĩa vận hành ở nhiệt độ thấp và cải thiện độ bền, độ ổn định ổ đĩa. 2 Bài báo cũng xem giải pháp DTM như là một sự tùy chọn để tăng tốc độ phát triển IDR bằng 2 cách: tận dụng sự chênh lệch về nhiệt độ ổ đĩa hiện hành và nhiệt độ tối đa cho phép (thermal envelope) hoặc bằng cách điều chỉnh các hoạt động của ổ đĩa. Giải pháp này đã được áp dụng trong các ổ đĩa hiện tại, việc áp dụng giải pháp này chúng ta có thể lợi được khoảng 5-10K RPM trong tương lai gần. Mặc dù giải pháp DTM này không thể giúp chúng ta trở lại đúng con đường tăng trưởng IDR, nhưng nó cũng giúp cải tiến được respone times trong một vài hệ thống xuất/ nhập của máy chủ và quan trọng hơn giải pháp này làm giảm nhiệt độ hoạt động trung bình giúp cải tiến độ bền, độ ổn định ổ đĩa. Trong bài báo này, nội dung chính là đánh giá lợi ích mang lại của một vài kỹ thuật đã đưa ra và để xác định hướng nghiên cứu trong tương lai.  Bài báo xác định một số hướng nghiên cứu trong tương lai trong đó bao gồm việc phát triển giải thuật kiểm soát DTM và chuẩn bị kế hoạch tương lai cho việc sinh mã chương trình cho mô hình nhiệt lượng và tích hợp mã này vào trong kiến trúc DiskSim. 1. Giới thiệu Tầm quan trọng của hiệu suất xuất/nhập, đặc biệt là trong ổ đĩa lưu trữ, tiếp tục phát triển qua các năm. Nhiều ứng dụng trong cả lĩnh vực thương mại cũng như khoa học đều phụ thuộc chặt chẽ vào hiệu suất xuất/nhập. VD: máy chủ tập tin và máy chủ hộp thư thoại và việc xử lý giao dịch trong doanh nghiệp cùng với dịch vụ dựa trên nền tảng Web như Google, phụ thuộc nặng nề vào ổ đĩa cho nhu cầu lưu trữ. Trong khoa học cũng cần có sự hỗ trợ của hệ thống xuất nhập do việc tràn bộ nhớ lưu trữ và việc chia sẻ file cho nhiều ứng dụng yêu cầu xuất/nhập file tường minh, đã đặt hệ thống con xuất nhập như là giới hạn trong việc mở rộng. Đã có một vài cải tiến trong việc giải quyết vấn đề thắt cổ chai trong xuất nhập như: quản lý cache/buffer tốt hơn, cơ chế song song trong việc thiết lập RAID, băng thông kết nối cao như SAN. Tuy nhiên, cái lõi của hệ thống con xuất nhập này nằm ở ổ đĩa, nơi mà những sự cải tiến về hiệu suất chậm hơn các thành phần còn lại của hệ thống. Ngoài ra một ổ đĩa nhanh hơn có thể làn giảm bớt nhu cầu trong việc dự định lưu trữ đắt tiền trong mạng và mức độ song song cao hơn khi triển khai những hệ thống cân bằng. Hiệu suất ổ đĩa liên quan đến IDR và thời gian tìm kiếm. Một cách trực quan, người ta có thể tăng envelop bằng cách cho ổ đĩa quay tròn nhanh hơn, làm cho đĩa nhỏ lại để giảm khoảng cách tìm kiếm, và sử dụng công nghệ ghi tốt hơn bất cứ khi nào có thể. Tuy nhiên, một trong những nhân tố chủ yếu nhất ảnh hưởng đến việc thiết kế ổ đĩa là vấn đề nhiệt độ sinh ra bởi một vài cách trên và sự ảnh hưởng của nó đến các hoạt động đáng tin cậy. Nhiệt độ cao có thể gây ra off-trade error do sự chênh lệch nhiệt độ của chồng đĩa và bộ truyền động, hoặc thậm chí gây ra head crashs do sự thoát hơi của trục đĩa và chất bôi trơn động cơ cuộn tạo âm thanh. Ngay cả khi nhiệt độ môi trường tăng lên 15OC có thể làm tăng gấp đôi tỉ lệ lỗi ổ đĩa, do đó cần phải cung cấp một số thiết kế dự trữ trong việc thiết kế ổ đĩa để thích ứng với 3 sự thay đổi khác nhau của nhiệt độ môi trường. Điều này là bắt buộc để ổ đĩa có thể vận hành thấp hơn thermal envelope (nhiệt độ cho phép). Ngành công nghiệp ổ đĩa đặt chỉ tiêu là đạt được sự tăng trưởng IDR 40% mỗi năm, và đã sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để đạt được chỉ tiêu này trong khi vẫn duy trì được thermal envelope. Các kỹ thuật tăng IDR áp dụng:    Tăng RPM Giảm platter size Kết hợp tăng RPM và giảm platter size Một số vấn đề phát sinh khi áp dụng các kỹ thuật này:   Tăng RPM đôi khi có thể khiến cho ổ đĩa vượt qua khỏi envelope vì nhiệt lượng tỏa ra xấp xỉ tương đương với hàm bậc ba (chính xác là bậc 2.8) của RPM. Kết hợp tăng RPM và giảm platter size làm cho nhiệt lượng tỏa ra xấp xỉ với hàm bậc năm (chính xác là bậc 4.6). Giảm platter size sẽ làm giảm capacity do đó để duy trì capacity thì cần phải tăng mật độ record hoặc tăng số lượng platter. Những kỹ thuật này đã và đang thành công trong việc cải tiến IDR mà vẫn không vi phạm thermal envelope. Tuy nhiên, mọi chuyện sẽ ngày càng khó khăn hơn bởi vì:     Những sự cải tiến về mật độ nhiều hơn thì không dễ dàng vì nó đòi hỏi khả năng chịu đựng tỷ lệ error/noise cao và rất phức tạp trong việc thiết kế đầu đọc. Đòi hỏi khả năng sửa lỗi tốt hơn để kháng lỗi nên sẽ chiếm một phần không nhỏ dung lượng ổ đĩa và làm giảm tốc độ dữ liệu hiệu dụng của ổ đĩa. Không gian nhỏ hơn làm giảm lượng nhiệt tỏa ra ngoài không khí Nhiệt độ môi trường bên ngoài ngày càng khó để giữ cho ổn định bởi nhiệt lượng tỏa ra từ các hệ thống khác ngày càng tăng và hệ thống làm mát tốt rất đắt tiền. 2. M ô hình theo tính chất dung lượng, hiệu suất, nhiệt lượng của ổ đĩa a) Mô hình dung lượng Dung lượng tối đa có thể thiết kế là Cmax= ŋ x nsurf x π(r20 – ri2)(BPI x TPI) Trên thực tế thì một phần dung lượng sẽ không được sử dụng vì một số kỹ thuật áp dụng hiện thực ổ đĩa chiếm mất phần dung lượng này 4 Dung lượng giảm do Zoned Bit Recording (ZBR) CZBR= nsurf∑z=0nzones-1 ntz (Ctz min / 4096 ) Dung lượng giảm do Servo Information Cservo= [log2(ncylin)] Dung lượng giảm do chi phi hiện thực code sửa lỗi  Code sửa lỗi khoảng 10% dung lượng đối với ổ đĩa thường và khoảng 35% đối với ổ đĩa có dung lượng tính bằng Terabit. Thông thường, code sửa lỗi chiếm dung lượng là 416 bits/sector đối với ổ đĩa có mật độ nhỏ hơn 1Tb/in2 và đối với ổ đĩa tính bằng terabit là 1440 bits/sector. Chi phí dung lượng tổng cộng (bits/sector) α = ntz(Ctz min / 4096)(Cservo + CECC) Do đó dung lượng thực sự ước tính là: Cactual = nsurf ∑z=0n zones-1 ntz((ntzCtzmin – α) / 4096) Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt giữa dung lượng ước lượng và dung lượng thật sự là khoảng 12% b) Mô hình hiệu suất Hai thông số chủ yếu ảnh hưởng đến mô hình hiệu suất là seek time và internal data rate.   Seek time: phụ thuộc vào hai yếu tố là sức mạnh của bộ truyền động và chiều dài bán kính băng dữ liệu trên platter. Internal data rate: được biểu diễn bởi công thức IDR = (rpm/60)(ntz0 x 512) / (1024 x 1024) Với: ntz0 là số lượng sectors/track trong zone 0 rpm: là tốc độ quay tính bằng số vòng quay / 1 phút c) Mô hình hành vi nhiệt lượng: Xem xét nhiệt lượng tỏa ra từ các thành phần như: voice coin motor (VCM), spindle motor (SPM), sự dẫn nhiệt của các thành phần thể rắn và sự trao đổi nhiệt ra ngoài không khí. 5 Nhiệt lượng vận chuyển theo thời gian: dQ/dt =hAΔT Với: h: hệ số trao đổi nhiệt ΔT: sự chênh lệch về nhiệt độ giữa hai thực thể A: diện tích bề mặt tiếp xúc 3. Biểu đồ với sự ràng buộc nhiệt lượng Bài báo đưa ra biểu đồ tăng trưởng IDR và dung lượng tương ứng theo thời gian và sự ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ đến sự tăng trưởng này, thể hiện thông qua hình 1 Hình 1. Biểu đồ ổ đĩa. Mỗi đường cong (đối với một platter size cho trước) đưa ra tốc độ IDR tối đa có thể ( 3 đồ thị phía trên) với thermal envelope là 45.22oC, và dung lượng tương ứng (3 đồ thị phía dưới). Đường nét đứt xác định tốc độ tăng trưởng IDR mục tiêu là 40% theo thời gian. Bất kỳ đường cong nào nằm phía dưới đường nét đứt có nghĩa là không đạt được chỉ tiêu cho năm đó. 6 Hình 1a cho thấy đối với platter size là 1.6” và 2.1” chúng ta có thể đạt được tốc độ IDR mục tiêu đến năm 2006, còn với platter size là 2.6” thì ngắn hơn chỉ đến năm 2003. Sau những cột mốc này tốc độ IDR giảm đi. Do đó nhà sản xuất đưa ra 3 tùy chọn    Hy sinh tốc độ dữ liệu và giữ tốc độ tăng trưởng dung lượng bằng cách duy trì platter size Hy sinh dung lượng bằng cách giảm platter size để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn Phát triển tốc độ IDR cao hơn bằng cách giảm platter size đồng thời tăng dung lượng bằng cách thêm nhiều platter size Các giải pháp này được thể hiện trong các biểu đồ còn lại của hình 1 Ngoài yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng đến biểu đồ tăng trưởng IDR và dung lượng còn chịu ảnh hưởng từ các yếu tố kỹ thuật khác cần như hình dáng ổ đĩa, hiệu quả hệ thống làm mát… 4. Quản lý nhiệt lượng linh động Tác giả đưa ra hai cơ chế quản lý nhiệt lượng linh động nhằm tăng hiệu suất mà vẫn đảm bảo ổ đĩa hoạt động trong giới hạn cho phép   Phát hiện sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hiện hành và thermal envelope để tăng tốc độ RPM nhằm đạt được hiệu suất tốt hơn áp dụng đối với ổ đĩa có hỗ trợ nhiều tốc độ RPM Sử dụng ổ đĩa được thiết kế cho hành vi trong những trường hợp trung bình nên có tốc độ RPM cao hơn tốc độ RPM trong trường hợp xấu nhất và sử dụng kỹ thuật điều chỉnh linh động khi gần đạt đến nhiệt độ giới hạn. a) Khai thác khoảng chênh lệch nhiệt độ Kỹ thuật này đòi hỏi ổ đĩa phải hỗ trợ nhiều tốc độ RPM khác nhau bởi vì nó lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hiện hành và thermal envelope trong thời gian ổ đĩa chờ đợi (không phải phục vụ bất cứ yêu cầu nào) vì khi đó VCM tắt nên sản sinh ra nhiệt ít hơn nên lúc này có thể tăng RPM lên cao nhằm tăng hiệu suất nhưng không được vượt qua thermal envelope. Lợi ích của việc tắt VCM được thể hiện trong biểu đồ bên dưới: 7 Hình 2. Tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ. VCM-off ứng với giá trị RPM và IDR đạt được khi khai thác sự chênh lệch nhiệt độ. Envelope-design ứng với giá trị RPM và IDR đạt được khi VCM luôn hoạt động Biểu đồ cho thấy độ chênh lệch là lớn nhất đối với platter size là 2.6” và giảm dần khi platter size càng nhỏ. Điều này là do với platter size càng nhỏ thì năng lượng tiêu thụ của VCM càng ít (2.28W cho 2.1” và 0.618W cho 1.6”). Do đó kỹ thuật này hiệu quả đối với ổ đĩa có platter size lớn. b) Sự điều chỉnh linh động Kỹ thuật này áp dụng đối với ổ đĩa có platter size nhỏ và được thiết kế cho hành vi trong trường hợp trung bình nên có thể đạt được RPM cao hơn. Kỹ thuật này sử dụng chiến thuật điều chỉnh hoạt động ổ đĩa linh động để không cho nhiệt độ hiện hành vượt qua thermal envelope. 8 Biểu đồ trong hình 3 bên dưới thể hiện việc điều chỉnh hoạt động ổ đĩa trong 2 trường hợp:   Trường hợp a: tắt VCM đủ làm cho nhiệt độ ổ đĩa thấp hơn thermal envelope Trường hợp b: tắt VCM kết hợp giảm tốc độ RPM khi việc chỉ tắt VCM không làm cho nhiệt độ hiện hàng thấp hơn thermal envelope H ình 3. Điều chỉnh linh động trong trư ờng hợp ổ đĩa được thiết kế cho hành vi trường hợp trung bình. Hình a, chỉ có VCM tắt, tốc độ RPM vẫn là tối đa. H ình b, VCM tắt và tốc độ RPM giảm xuống. 5. Kết luận Lợi ích của kỹ thuật giảm platter size ngày càng trở nên kém quan trọng bởi vì sự tiêu thụ năng lượng của VCM ngày càng giảm. Ngoài ra kỹ thuật này cũng đòi hỏi ổ đĩa phải hỗ trợ các tốc độ đọc (ghi) khác nhau. Cách tiếp cận có thể hứa hẹn hơn là chiến lược điều chỉnh linh động bằng cách sử dụng ổ đĩa được thiết kế cho những hành vi trong những trường hợp thông thường và cho phép nó có thể hoạt động ở hiệu suất tốt nhất có thể được. Sự điều chỉnh được sử dụng để giảm hoặc tránh việc gửi yêu cầu đến ổ đĩa trong khoảng thời gian làm mát ổ đĩa, trước khi tiếp tục lại. Ngoài ra, việc kết hợp giữa tắt VCM và giảm tốc độ RPM thấp hơn trong thời gian tcool (thời gian làm mát) sẽ hiệu quả hơn là chỉ tắt VCM thôi. Hơn nữa, kỹ thuật này chỉ đòi hỏi hai mức độ của tốc độ RPM: tốc độ cao dùng để tăng hiệu suất tối đa, tốc độ thấp hơn dùng trong trường hợp làm mát ổ đĩa. Một số kỹ thuật khác có thể cải tiến IDR mà không vượt qua thermal envelope. Cụ thể, chúng ta sử dụng hai ổ đĩa có platter size khác nhau: ổ đĩa có platter size lớn có dung lượng lớn và có tốc độ RPM thấp, ổ đĩa có platter size nhỏ có dung lượng chỉ vài Gigabytes và có tốc độ RPM cao, ổ đĩa nhỏ sẽ đóng vai trò là cache cho ổ đĩa lớn, người ta thường xem đây là mô hình tương tự mô hình cache-disks. 9 Một số công việc tương lai cần thực hiện:    Cải tiến những kỹ thuật caching. Cải tiến kỹ thuật quản lý năng lượng ổ đĩa. Cải tiến kỹ thuật định vị vị trí dữ liệu đồng thời để giảm chi phí tìm kiếm. 10