DE112010003345B4

DE112010003345B4 - Datenspeichersystem und Verfahren für das Betreiben eines Datenspeichersystems

Info

Publication number: DE112010003345B4
Application number: DE112010003345.5T
Authority: DE
Inventors: Evangelos S. Eleftheriou; Robert Haas; Xiaoyu Hu; Ilias Iliadis
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: CN102483686A; GB2484846A; WO2011021126A1; DE112010003345T5; US8977894B2; CN102483686B; US20120131381A1; GB201200228D0

Abstract

Datenspeichersystem, das mindestens eine Speichereinheitenanordnung umfasst, die Speichereinheiten für das Speichern von Daten umfasst; sowie eine Speicherteilsystem-Steuereinheit für das Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben der Speichereinheiten innerhalb der Speichereinheitenanordnung, indem Paritätsentitäten von einer ersten Speichereinheit auf eine Ersatzspeichereinheit, die eine ausgefallene Speichereinheit ersetzt, verlagert werden, und indem eine oder mehrere wiederhergestellte Datenentitäten auf der ersten Speichereinheit gespeichert werden.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und System für das Betreiben von Speichereinheiten, insbesondere von Halbleiterdatenträgern (Solid State Drives, SSD) eines Datenspeichersystems, insbesondere eines durch ein RAID (Redundant Array of Inexpensive Discs) geschützten Datenspeichersystems.
RAID ist ein Datenspeichersystem, das in erster Linie in Verbindung mit einer Vielzahl von Festplattenlaufwerken bekannt ist, bei denen Daten über mehrere Festplattenlaufwerke verteilt sind, wobei dies mit oder ohne Redundanz für den Datenschutz der Fall sein kann. Es gibt verschiedene RAID-Architekturen, die durch eine Ziffer wie beispielsweise RAID0, RAID1, RAID2 usw. kenntlich gemacht sind und unterschiedliche Bauweisen aufweisen, um die Datenzuverlässigkeit und die Ein-/Ausgabeleistung zu vergrößern. Eine RAID-Anordnung von Festplattenlaufwerken verteilt Daten auf mehrere Festplatten, wobei die Festplattenanordnung jedoch von einem Computer oder Server, der mit dieser Anordnung verbunden ist, virtuell als eine einzige Speichereinheit gesehen wird. Dementsprechend vereint RAID zwei oder mehr physische Festplattenlaufwerke zu einer einzigen Speichereinheit durch Verwendung spezieller Hardware oder Software.
In einem RAID-System können verschiedene Konzepte ausgeführt sein, namentlich Spiegelung, Striping oder Fehlerkorrektur. Die Spiegelung beinhaltet das Kopieren von Daten auf mehrere Festplatten. Das Striping von Daten beinhaltet das Aufteilen von Daten auf mehrere Festplatten der Anordnung. Für die Fehlerkorrektur werden redundante Daten gespeichert, damit Fehler erkannt und möglicherweise behoben werden können. Abhängig von den Anforderungen zur Erhöhung von Datenzuverlässigkeit und/oder Ein-/Ausgabeleistung verwenden Architekturen mit unterschiedlichen RAID-Niveaus eine oder mehrere dieser Techniken. Das RAID-Datenspeichersystem ist so ausgelegt, dass die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Daten verbessert werden, um sicherzustellen, dass wichtige Daten verfügbar sind, oder dass die Zugriffsgeschwindigkeit auf Dateien verbessert wird, wie beispielsweise bei einem Datenspeichersystem, das eine große Anzahl von Transaktionen für ein Bank-/Handelsdatenbanksystem oder für Programme für die bedarfsgesteuerte Bereitstellung von Videos an viele Betrachter oder Kunden zur Verfügung stellt.
Die Konfiguration eines RAID-Datenspeichersystems wirkt sich in verschiedener Hinsicht auf die Zuverlässigkeit und Leistung aus. Durch die Verwendung mehrerer Festplatten steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine Festplatte ausfällt. Dies lässt sich beheben, indem die Fehlerprüfung verwendet wird, um das gesamte Datenspeichersystem zuverlässiger zu machen. Striping kann zur Leistungserhöhung verwendet werden, da es gestattet, Datenfolgen gleichzeitig von mehreren Festplatten zu lesen. Die Fehlerprüfung verlangsamt in der Regel das Datenspeichersystem, da die Daten aus mehreren Speicherstellen gelesen und miteinander verglichen werden müssen, es erhöht jedoch die Zuverlässigkeit und ermöglicht die Bereitstellung eines Reparaturmechanismus, falls eine oder mehrere Festplatten ausfallen.
In einer RAID5-Datenspeicherarchitektur werden Paritätsentitäten auf verschiedene Festplatten verteilt, um die Leistung zu steigern. Die verteilte Paritätsentität erfordert, dass bis auf eine(s) alle Laufwerke oder Festplatten betriebsfähig sind. Sollte ein Laufwerkausfall auftreten, werden alle nachfolgenden Lesevorgänge von der verteilten Paritätsentität berechnet, so dass der Laufwerkausfall dem Benutzer verborgen bleibt.
RAID6-Architekturen stellen eine Ausfalltoleranz von zwei Laufwerkausfällen bereit, d. h., die Anordnung arbeitet bei bis zu zwei ausgefallenen Laufwerken weiter. Eine doppelte Parität verschafft Zeit für die Wiederherstellung der Anordnung, ohne dass die Gefahr besteht, dass ein weiterer Laufwerkausfall auftritt, bevor die Wiederherstellung abgeschlossen wurde.
Wenn bei einem herkömmlichen RAID-Speichersystem ein Festplattenausfall auftritt, wird eine Ersatzfestplatte verwendet, um die fehlenden Daten wiederzustellen. Bei einem herkömmlichen RAID-Datenspeichersystem wird die Ersatzfestplatte, die eine ausgefallene Festplatte ersetzt, auf dieselbe Art und Weise wie die verbleibenden noch betriebsfähigen Festplatten des Datenspeichersystems verwendet.
Eine Speichereinheit kann als Flash-Einheit wie beispielsweise ein Flash-basiertes SSD oder ein Flash-basiertes Modul ausgeführt sein, das Benutzerdaten speichern kann. Derartige nichtflüchtige Speichereinheiten auf der Grundlage von Halbleitern weisen ein Problem mit der Lebensdauer auf. Die Lebensdauer lässt sich als die maximale Anzahl von Schreib/Löschzyklen definieren, die für jeden Datenblock durchgeführt werden kann, bevor die Grenze der Funktionssicherheit erreicht ist. Der Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit (wear-leveling) ist eine bekannte Technik für die Verlängerung der Nutzlebensdauer eines löschbaren Computerspeichermediums wie z. B. eines Flash-Speichers. Beim Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit werden die Schreibvorgänge gleichmäßig auf Blöcke oder Einheiten des Speicherplatzes verteilt. Der Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit erfolgt üblicherweise durch eine Flash-Einheiten-Steuereinheit, beruhend auf einer physischen Blockadresse (PBA).
Aus EP 1 840 722 A2 ist ein Speichersystem bekannt, das auf Flash-Speicher zurückgreift, wobei mehrere Flash-Speicher zu einer ersten logischen Gruppe zusammengefasst werden, Adressen von Flash-Speichern der ersten logischen Gruppe in eine zweite Adresse umgewandelt werden und mehrere erste logische Gruppen zu einer zweiten logischen Gruppe zusammengefasst werden.
Aus US 2008/0 250 270 A1 ist ein Speicherverwaltungssystem bekannt, bei dem Daten nach dem RAID-Verfahren abgespeichert werden. Anhand von Paritätsdaten lassen sich ggfs. Daten wiederherstellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, auch bei nachlassender Funktionsfähigkeit von Speicherelementen die Datensicherung zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren für das Betreiben von Speichereinheiten eines Datenspeichersystems nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Datenspeichersystem nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das Verfahren für das Betreiben von Speichereinheiten eines Datenspeichersystems kann das Verlagern von einer oder mehreren Paritätsentitäten von einer ersten Speichereinheit auf eine Ersatzspeichereinheit, die eine ausgefallene Speichereinheit ersetzt, sowie das Speichern von einer oder mehreren wiederhergestellten Datenentitäten auf der ersten Speichereinheit umfassen.
Das Verfahren zielt auf die Bereitstellung eines Verfahrens zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit ab und macht sich die Tatsache zunutze, dass die installierte Ersatzspeichereinheit, die eine ausgefallene Speichereinheit ersetzt, in der Regel noch gut funktionsfähig ist, d. h. noch nicht unter Schreibzyklen gelitten hat. Somit stellt die neu installierte Ersatzspeichereinheit ein ideales Medium dar, um einen Teil oder alle der häufig aktualisierten Paritätsentitäten PE zu verlagern. Dies entlastet die verbleibenden Speichereinheiten des Datenspeichersystems, da ihre Häufigkeit nachlassender Funktionstüchtigkeit verringert wird. Infolgedessen verbessert sich die Zuverlässigkeit und erhöht sich die Lebensdauer des gesamten Datenspeichersystems.
Das Verfahren stellt vorzugsweise ein Schema zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit innerhalb eines RAID-Datenspeichersystems bereit, das auf der Logikblockanordnung (Logical Block Array, LBA) ausgeführt wird und dadurch mit einem Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit auf Einheitenebene kombiniert werden kann, um so die Ersatzspeichereinheit besser auszunutzen und die verbleibenden Speichereinheiten vor zusätzlichem, übermäßigem Nachlassen der Funktionsfähigkeit zu bewahren.
Die Speichereinheit, von der eine oder mehrere Paritätsentitäten genommen und auf die Ersatzspeichereinheit verlagert werden, ist vorzugsweise eine der verbleibenden Speichereinheiten, d. h. eine beliebige der Speichereinheiten mit Ausnahme der ausgefallenen Einheit. Dabei ist vorstellbar, dass nur eine oder einige wenige Paritätsentitäten von einer derartigen Einheit verlagert werden; ebenso ist vorstellbar, dass alle Paritätsentitäten dieser ersten Speichereinheit verlagert werden. Auf diese Weise verringert sich das künftige Nachlassen der Funktionsfähigkeit dieser ersten Speichereinheit, was zu einer längeren Lebensdauer und höheren Zuverlässigkeit des gesamten Datenspeichersystems führt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine bestimmte Anzahl von Paritätssektoren oder Paritätsentitäten PE, die im Vergleich zu Datenentitäten oder Datensektoren häufig aktualisiert werden, schrittweise von den verbleibenden, (hinsichtlich des Nachlassens der Funktionsfähigkeit) älteren Speichereinheiten entfernt und auf die neu installierte, (hinsichtlich des Nachlassens der Funktionsfähigkeit) jüngere Ersatzspeichereinheit gesetzt. Die Auswahl der zu verlagernden Paritätsentitäten kann von einem Markierungsmechanismus abhängen, der die Paritätsentitäten mit dem höchsten Anteil nachlassender Funktionsfähigkeit angibt, so dass diese als erstes verlagert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden eine, einige wenige oder sogar alle Paritätsentitäten von einer, einigen wenigen oder auch allen verbleibenden Speichereinheiten auf die Ersatzspeichereinheit verlagert. Die Verlagerungsaktion kann dann erfolgen, wenn die ausgefallene Speichereinheit durch die Speichereinheit ersetzt wird, oder sie kann zu einem späteren Zeitpunkt stattfinden.
Bei einer Ausführungsform wird die Verlagerung von Paritätsentitäten PE auf die Ersatzspeichereinheit dann durchgeführt, wenn ein vorgegebenes Verlagerungskriterium erfüllt ist. Das Verlagerungskriterium kann ein relatives Alter der Speichereinheiten des Datenspeichersystems berücksichtigen, wobei das relative Alter der Speichereinheit durch ein Verhältnis zwischen einem Alterszähler, der bei jedem Schreibvorgang auf der betreffenden Speichereinheit erhöht wird, und einer erwarteten Lebensdauer der Speichereinheit ermittelt werden. Das Verlagerungskriterium kann unmittelbar oder mittelbar von dem festgestellten Alter abhängig sein.
Bei einer möglichen Ausführungsform werden Daten, die auf dem Datenspeichersystem gespeichert werden sollen, in Gruppen von Datenentitäten aufgeteilt. Jede Gruppe von Datenentitäten umfasst vorzugsweise mehrere Datenentitäten, die auf verschiedenen Speichereinheiten gespeichert sind. Bei einer gegebenen Anzahl von N Speichereinheiten beinhaltet eine Gruppe von Datenentitäten vorzugsweise N – 1 Datenentitäten, wobei jede Datenentität auf einer anderen Speichereinheit gespeichert wird. Eine Datenentität kann durch eine spezifische und geeignete gespeicherte Informationseinheit wie beispielsweise ein Bit, ein Byte, ein Wort, eine Seite, ein Block usw. dargestellt werden und kann selbstverständlich auch in anderer Codierung als der Binärcodierung vorliegen.
Vorzugsweise wird mindestens eine Paritätsentität PE für jede Gruppe von Datenentitäten berechnet und auf einer Speichereinheit des Datenspeichersystems gespeichert, bevorzugt auf einer Speichereinheit, die keine Datenentitäten speichert, welche der betreffenden Gruppe von Datenentitäten zugehörig sind. Wenn im obigen Beispiel N – 1 Speichereinheiten die Datenentitäten einer Gruppe tragen, dann kann die N-te Speichereinheit die entsprechende Paritätsentität tragen. Die einer Gruppe von Datenentitäten zugehörige Paritätsentität wird vorzugsweise unter Anwendung einer bitweisen Exklusiv-ODER-Verknüpfung auf die Datenentitäten der Gruppe von Datenentitäten durchgeführt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden die Paritätsentitäten für eine Gruppe von Datenentitäten berechnet, indem Galois-Feldverknüpfungen für die Datenentitäten der Gruppe von Datenentitäten durchgeführt werden.
Bei einem Ausfall einer der Speichereinheiten wird vorzugsweise eine für diesen Zweck vorgesehene Ersatzspeichereinheit aktiviert. Ein Ausfall der Speichereinheit kann automatisch anhand einer Prüfschaltung erkannt werden, und die Ersatzspeichereinheit kann bei Erkennen eines Ausfalls automatisch aktiviert werden. Vorzugsweise werden alle Datenentitäten, die zuvor in der ausgefallenen Speichereinheit gespeichert wurden, auf der Grundlage der verbleibenden Datenentitäten der betreffenden Gruppen von Datenentitäten und der entsprechenden berechneten Paritätsentitäten wiederhergestellt. Anstelle von Datenentitäten können auch Paritätsentitäten in der ausgefallenen Speichereinheit gespeichert worden sein, wobei die Gesamtheit der Paritätsentitäten ebenfalls auf der Grundlage der Datenentitäten der betreffenden Gruppen, die auf den anderen Speichereinheiten gespeichert sind, wiederhergestellt werden können.
Die wiederhergestellten Datenentitäten, die üblicherweise auf der Ersatzspeichereinheit gespeichert worden wären, werden nun auf einer anderen der verbleibenden Speichereinheiten gespeichert, wobei diese Speichereinheit im vorliegenden Zusammenhang auch als erste Speichereinheit bezeichnet wird. Damit werden nun vorzugsweise eine, manche oder alle der Paritätsentitäten, die sich auf dieser ersten Speichereinheit befinden und derselben Gruppe der wiederhergestellten Datenentitäten zugehörigen, auf die Ersatzspeichereinheit verlagert.
Die durch den Ausfall einer der Speichereinheiten verloren gegangenen Datenentitäten können z. B. durch die Verwendung von Registern wiederhergestellt werden, dann auf der Ersatzeinheit gespeichert und danach gegen Paritätsentitäten auf der ersten Speichereinheit ausgetauscht werden. Alternativ hierzu können nach der Wiederherstellung die wiederhergestellten Datenentitäten sofort auf der ersten Speichereinheit gespeichert werden, ohne dass sie zuvor auf der Ersatzspeichereinheit gespeichert werden. Die Verlagerung der betreffenden Paritätsentitäten auf die Ersatzspeichereinheit kann stattfinden, bevor die wiederhergestellten Datenentitäten auf der ersten Einheit gespeichert werden, oder sie kann nach den Wiederherstellungsaktivitäten stattfinden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst es das Striping von Daten, wobei zur selben Gruppe gehörende Datenentitäten auf mehrere Speichereinheiten aufgeteilt werden, das Berechnen von mindestens einer Paritätsentität für jede Gruppe von Datenentitäten und das Speichern der Paritätsentität auf einer Speichereinheit, das Wiederherstellen aller Datenentitäten einer ausgefallenen Speichereinheit auf einer Ersatzspeichereinheit des Datenspeichersystems und das Verlagern von Paritätsentitäten auf den Ersatzspeicher, indem Datenentitäten, die auf der Ersatzspeichereinheit wiederhergestellt werden, gegen Paritätsentitäten, die auf anderen Speichereinheiten des Datenspeichersystems gespeichert sind, ausgetauscht werden.
Das Datenspeichersystem, das Speichereinheiten für das Speichern von Daten und eine Speicherteilsystem-Steuereinheit umfasst, kann so ausgelegt ist, dass zum Betreiben der Speichereinheiten die Schritte des Verfahren für das Betreiben von Speichereinheiten eines Datenspeichersystems durchgeführt werden.
Die Speichereinheiten beinhalten vorzugsweise Halbleiterdatenträger. Die Speichereinheiten umfassen vorzugsweise Flash-Speicherchips und/oder Phasenwechselspeicherchips.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Speicherteilsystem-Steuereinheit einen Mikroprozessor für das Ausführen eines Programms, eine Schnittstelle für das Austauschen von Daten, einen nichtflüchtigen Speicher für das Speichern von mindestens einem Programm und einen Cachespeicher für das vorübergehende Speichern von Daten, die über die Schnittstelleneinheit gesendet oder empfangen werden.
Bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind als offenbarte bevorzugte Merkmale des Systems zu betrachten und umgekehrt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden werden Ausführungsformen des Verfahrens für das Betreiben eines Datenspeichersystems sowie eines Datenspeichersystems mit Bezug auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Datenspeichersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Datenspeichersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt einen Ablaufplan einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein weiteres Schaubild zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst ein Datenspeichersystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 für das Steuern von mindestens einer Halbleiterdatenträgeranordnung 3. Die Halbleiterdatenträgeranordnung 3 umfasst mehrere Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger 3-i SSD. Diese Speichereinheiten 3-i SSD können Flash-basierte Halbleiterdatenträger oder Flash-basierte Module für das Speichern von Benutzerdaten sein. Die Speichereinheiten der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 können Flash-Speicherchips und/oder Phasenwechselspeicherchips umfassen. Die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 ist mit der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 über eine Steuer- oder Datenbusschnittstelle 4 verbunden, wie in 1 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 und die Halbleiterdatenträgeranordnung 3 in die Datenspeichersystemeinheit integriert. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 und die Halbleiterdatenträgeranordnung 3 getrennte Einheiten bilden. Bei einer möglichen Ausführungsform bildet die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 einen Teil eines Computers oder Servers, der mit einer Halbleiterdatenträgeranordnung 3 verbunden ist.
2 zeigt die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 aus 1 ausführlicher. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 einen Mikroprozessor 2A mit Zugriff auf einen Cachespeicher 2B sowie einen nichtflüchtigen Speicher 2C. Des Weiteren wird eine Schnittstelleneinheit 2D für das Austauschen von Daten mit der Datenstation oder dem Server 5 bereitgestellt. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform kann der Mikroprozessor 2A ein Programm ausführen, das aus dem nichtflüchtigen Speicher 2C geladen wird, in dem mindestens ein Computerprogramm mit Befehlen gespeichert ist, um ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Der Cachespeicher 2B wird bereitgestellt, um Daten vorübergehend zu speichern, die von der Schnittstelleneinheit 2D gesendet oder empfangen werden. Das Verfahren zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit kann auch durch ein Programm durchgeführt werden, das auf einem Computer ausgeführt wird, der mit einer Halbleiterdatenträgeranordnung 3 verbunden ist.
Die in 2 gezeigte Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 ist so gestaltet, dass es einen Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit der Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger innerhalb der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 durchführt, indem Paritätsentitäten PE auf mindestens einen Ersatzspeicher verlagert werden, indem Datenentitäten DE, die nach einem Ausfall einer Speichereinheit oder eines Halbleiterdatenträgers SSD auf einem Ersatzspeicher wiederhergestellt werden, gegen Paritätseinheiten PE, die auf anderen Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträgern der Halbleiterdatenträgereinheit 3 gespeichert sind, ausgetauscht werden. Der Ersatzspeicher ersetzt eine ausgefallene Speichereinheit der Halbleiterdatenträgeranordnung 3. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Ersatzspeicher ein zusätzlicher Speicher, der in der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 installiert ist, um die Speicherkapazität der Anordnung zu erweitern.
Bei einer Ausführungsform wird die Verlagerung von Paritätsentitäten PE in den Ersatzspeicher durch die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 durchgeführt, wenn ein vorgegebenes Verlagerungskriterium erfüllt ist. Dieses Verlagerungskriterium kann eine Funktion von relativen Alterswerten von Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträgern SSD des Datenspeichersystems 1 sein, die von der Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 überwacht werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform umfasst die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 für jede Speichereinheit bzw. jeden Halbleiterdatenträger SSD einen entsprechenden Alterszähler oder ein Altersregister, der/das bei jedem Schreibvorgang in die betreffende Speichereinheit oder auf den Halbleiterdatenträger erhöht wird, und berechnet ein relatives Alter der betreffenden Speichereinheit oder des Halbleiterdatenträgers SSD als ein Verhältnis des Alterszählwerts zu einem vorgegebenen Lebensdauer-Erwartungswert.
Die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 ist so gestaltet, dass sie nach und nach eine bestimmte Anzahl von Paritätssektoren oder Paritätsentitäten PE von älteren Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträgern auf die neu installierte Ersatzspeichereinheit oder den neu installierten Halbleiterdatenträger verlagert. Entsprechend führt die vom Datenspeichersystem 1 genutzte Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 gemäß der vorliegenden Erfindung durch gleitende Paritätsplatzierung einen dynamischen Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit durch.
3 zeigt einen Ablaufplan einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Schritt S1 findet ein Striping von Daten statt, wobei Gruppen von Datenentitäten DE, die über die Schnittstelleneinheit 2D von dem Computer oder Server 5 empfangen werden, auf mehrere Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger 3-i der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 aufgeteilt werden.
In einem weiteren Schritt S2 wird mindestens eine Paritätsentität PE für jede Gruppe von Datenentitäten DE oder Datenblöcken berechnet, und die berechnete Paritätsentität wird auf einer Speichereinheit oder einem Halbleiterdatenträger der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 gespeichert. Die Paritätsentitäten PE können dabei zunächst auf alle Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger verteilt sein.
In einem weiteren Schritt S3 werden alle Datenentitäten DE und Paritätsentitäten PE einer ausgefallenen Speichereinheit oder eines ausgefallenen Halbleiterdatenträgers der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 auf einer Ersatzspeichereinheit oder einem Ersatzhalbleiterdatenträger SSD der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 wiederhergestellt. Diese Wiederherstellung in Schritt S3 erfolgt auf der Grundlage der verbleibenden Datenentitäten DE der betreffenden Gruppen von Datenentitäten und der entsprechenden berechneten Paritätsentitäten. Bei einer möglichen Ausführungsform wird eine Paritätsentität PE für eine Gruppe von Datenentitäten DE berechnet, indem eine bitweise Exklusiv-ODER-Verknüpfung für die Datenentitäten DE derselben Gruppe durchgeführt wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Paritätsentität PE für eine Gruppe von Datenentitäten DE berechnet, indem eine bitweise Exklusiv-ODER-Verknüpfung oder Galois-Feldverknüpfung für die Datenentitäten DE der Gruppe von Datenentitäten DE durchgeführt wird.
In einem weiteren Schritt S4 werden einige Paritätsentitäten PE auf den mindestens einen neu installierten Ersatzspeicher verlagert, indem die auf dem Ersatzspeicher wiederhergestellten Datenentitäten DE gegen Paritätsentitäten PE ausgetauscht werden, die auf älteren Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträgern SSD des Datenspeichersystems 1 gespeichert sind.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird in Schritt S4 die Verlagerung der Paritätsentitäten auf den Ersatzspeicher oder den Ersatzhalbleiterdatenträger SSD durchgeführt, falls mindestens ein vorgegebenes Verlagerungskriterium erfüllt ist. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Verlagerungskriterium durch eine Funktion von relativen Alterswerten der Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger SSD des Datenspeichersystems 1 gebildet. Dieses relative Alter R einer Speichereinheit SSD oder eines Halbleiterdatenträgers kann als ein Verhältnis zwischen einem Alterszählwert ACV eines Zählers, der bei jedem Schreibvorgang in die betreffende Speichereinheit oder auf den Halbleiterdatenträger SSD erhöht wird, und einem Lebensdauer-Erwartungswert ELTV der Speichereinheit oder des Halbleiterdatenträgers R = ACV/ELTV berechnet werden. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Lebensdauer-Erwartungswert ELTV für alle Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger SSD innerhalb der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 der gleiche, da die eingesetzten Halbleiterdatenträger SSD ein und dieselbe erwartete Lebensdauer aufweisen. Bei einer alternativen Ausführungsform können die verschiedenen Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger innerhalb der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 aufgrund einer unterschiedlichen Bauweise oder vorherigen Nutzung verschiedene Lebensdauermerkmale aufweisen.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird das Verfahren durchgeführt, wenn der Anteil nachlassender Funktionstüchtigkeit einer Speichereinheit oder eines Halbleiterdatenträgers SSD in erheblichem Maße über demjenigen der verbleibenden Einheiten bzw. Datenträger liegt. Dies kann beispielsweise durch eine Mischung von Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger SSD mit unterschiedlichen Lebensdauermerkmalen in ein und derselben Anordnung 3 verursacht werden. In diesem Fall wird ein Teil der Paritätssektoren auf einer älteren Speichereinheit mit nachlassender Funktionsfähigkeit auf die verbleibenden Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger verlagert, um ein übermäßiges Nachlassen ihrer Funktionsfähigkeit zu vermeiden.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird in der Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 ein Zähler für jede Speichereinheit 3-i der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 bereitgestellt, um die Gesamtzahl der Löschvorgänge oder -zyklen, die mit der betreffenden Speichereinheit 3-i durchgeführt werden, zu messen und zu überwachen. Wenn eine Speichereinheit 3-i der Anordnung 3 ausfällt, wird ihr Dateninhalt in einer Ersatzspeichereinheit oder auf einem Ersatzhalbleiterdatenträger SSD wiederhergestellt, und der entsprechende Zähler wird auf null zurückgesetzt. Paritätsentitäten, die auf den verbleibenden Speichereinheiten der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 gespeichert sind, werden daraufhin vorzugsweise auf die neu installierte Ersatzspeichereinheit verlagert, indem Datenentitäten DE, die auf der neu installierten Ersatzspeichereinheit wiederhergestellt sind, gegen Paritätsentitäten PE, die auf den verbleibenden Speichereinheiten vorhanden sind, ausgetauscht werden. Die Anzahl an Paritätsentitäten, die von den verbleibenden Speichereinheiten auf die mindestens eine neu installierte Ersatzspeichereinheit verlagert werden, kann von der Anzahl an Paritätsentitäten PE abhängen, die sich auf der neu installierten Ersatzspeichereinheit befinden, sowie von den relativen Alterszählwerten aller Speichereinheiten, die durch das Verhältnis des Alterszählwerts ACV zum entsprechenden Lebensdauer-Erwartungswert ELTV ausgedrückt werden, welcher in einer möglichen Ausführungsform über die Schnittstelleneinheit 2D von einem Benutzer auf der Grundlage der Informationen, die von der Datenspezifikation, welche vom Hersteller der Speichereinheit bereitgestellt wird, konfiguriert werden kann.
Je höher das Verhältnis des Alterszählwerts ACV zum entsprechenden Lebensdauer-Erwartungswert ELTV ist, d. h., je älter die betreffende Speichereinheit ist, desto größer ist die Anzahl an Paritätsentitäten PE, die von dieser Einheit auf die neu installierte Ersatzspeichereinheit verlagert werden. Bei einer möglichen Ausführungsform kann es auch eine Obergrenze für die Menge oder Anzahl an verlagerten Paritätssektoren oder Paritätsentitäten PE geben. In diesem Fall kann es geschehen, dass mehr oder alle Paritätssektoren oder Paritätsentitäten PE nach der Verlagerung auf der neu installierten Ersatzspeichereinheit untergebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Leistungsengpass vermieden werden kann.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Verlagerung von Paritätssektoren oder Paritätsentitäten PE nicht nur durchgeführt, wenn eine Speichereinheit oder ein Halbleiterdatenträger SSD der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 ausfällt und eine neu installierte Speichereinheit verwendet wird, sondern auch dann, wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt das Alter, d. h. das Verhältnis des Alterszählwerts ACV zum entsprechenden Lebensdauer-Erwartungswert ELTV der betreffenden Speichereinheit, das Alter der nächsten Speichereinheit in der Folge um einen anpassbaren Schwellenwert übersteigt. In diesem Fall wird ein Teil des Paritätssektors, der auf dieser ältesten Speichereinheit gespeichert ist, gemäß dem relativen Alter, das aus den entsprechenden Alterszählern erhalten wird, auf die verbleibenden Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger SSD verlagert.
4 zeigt ein Schaubild zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Computer oder Nutzer eines Servers 5 kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Datenspeichersystem 1 mit Datenentitäten DE oder Datenblöcken A, B, C, D, E, F, G, H wie in 4 gezeigt zur Verfügung stellen. Die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2, die z. B. über einen Mikroprozessor 2A verfügt, verteilt diese Datenblöcke auf physische Speichereinheiten 3-i oder Halbleiterdatenträger SSD innerhalb der Halbleiterdatenträgeranordnung 3, wie in 4 gezeigt. Vom Server 5 aus gesehen, gibt es eine virtuelle Speichereinheit, die alle Datenblöcke oder Datenentitäten A–H beinhaltet, wie in 4 gezeigt. Im gegebenen Beispiel wird eine Paritätsentität PE für eine Gruppe von vier Datenentitäten wie beispielsweise die Datenblöcke A, B, C, D oder die Datenblöcke E, F, G, H berechnet, indem eine bitweise Exklusiv-ODER-Verknüpfung oder eine Galois-Feldverknüpfung für die Datenentitäten der erwarteten Gruppe von Datenentitäten DE durchgeführt wird; zudem werden die berechneten Paritätsentitäten PE_ABCD und PE_EFGH auf verschiedene Halbleiterdatenträger SSD der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 verteilt, wie in 4 gezeigt. Wenn ein Halbleiterdatenträger SSD der Halbleiterdatenträgeranordnung 3 ausfällt, wie z. B. der Halbleiterdatenträger 3-i mit den Datenblöcken A, E, werden die verloren gegangenen Daten anhand der verbleibenden Datenblöcke oder Datenentitäten der Datenblockgruppe und der berechneten Paritätsentität PE der betreffenden Gruppe wiederhergestellt. Um beispielsweise den Datenblock A wiederherzustellen, werden die Datenblöcke B, C, D, die auf den anderen Halbleiterdatenträgern SSD gespeichert sind, und die berechnete Paritätsentität PE_ABCD, die auf einem weiteren Halbleiterdatenträger SSD gespeichert ist, zur Wiederherstellung des verloren gegangenen Datenblocks A verwendet. Auf ebendiese Art und Weise wird der Datenblock E wiederhergestellt, indem die Datenblöcke F, G, H und die Paritätsentität PE_EFGH verwendet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden nach der Wiederherstellung der Datenentitäten A, E in Schritt S3 Paritätsentitäten wie PE_ABCD und PE_EFGH auf die neu installierte Speichereinheit verlagert, auf der die wiederhergestellten Daten A, E gespeichert sind, indem manche oder alle der wiederhergestellten Datenentitäten A, E gegen manche oder alle der Paritätsentitäten PE_ABCD, PE_EFGH, die auf den anderen Halbleiterdatenträgern SSD der Festkörperlaufwerksanordnung 3 gespeichert sind, ausgetauscht werden. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. die Paritätsentität PE_ABCD des fünften Festkörperlaufwerks 3-5 gegen den wiederhergestellten Datenblock A ausgetauscht werden, der auf dem ersten Halbleiterdatenträger 3-1 gespeichert ist. Entsprechend wird in diesem Beispiel die häufig aktualisierte Paritätsentität PE_ABCD auf der wenig benutzten, neu eingesetzten Speichereinheit 3-1 untergebracht, um die ältere, verbleibende Speichereinheit 3-5 zu entlasten, ihren Anteil an nachlassender Funktionsfähigkeit zu verringern und damit die Zuverlässigkeit des gesamten Datenspeichersystems 1 zu verbessern und dessen Lebensdauer zu erhöhen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine beliebige Art von Datenspeichersystem mit Speichereinheiten verwendet werden, bei denen ein Nachlassen der Funktionsfähigkeit auftreten kann. Die Größe oder Kapazität der betreffenden Speichereinheiten 3-i kann variieren. Weiterhin ist es möglich, dass verschiedene Speichereinheiten mit unterschiedlicher Bauweise und Lebenserwartung in ein und derselben Halbleiterdatenträgeranordnung 3 des Datenspeichersystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform können die Lebensdauer-Erwartungswerte über eine Schnittstelle konfiguriert werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann die Speicherteilsystem-Steuereinheit 2 diesen konfigurierten Lebensdauer-Erwartungswert direkt von einer reservierten Speicherstelle der betreffenden Speichereinheit oder des betreffenden Halbleiterdatenträgers SSD lesen.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann das Alter, d. h. das Verhältnis des Alterszählwerts ACV zum Lebensdauer-Erwartungswert ELTV, einem Benutzer oder Bediener z. B. auf einer Anzeige angegeben werden, um so das Nachlassen der Funktionsfähigkeit der verschiedenen Speichereinheiten 3-i in dem Datenspeichersystem 1 anzuzeigen.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgelöst, wenn eine ausgefallene Speichereinheit 3-i durch eine Ersatzspeichereinheit ersetzt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgelöst, wenn das relative Alter einer Speichereinheit 3-i das Alter anderer Speichereinheiten 3-i innerhalb des Datenspeichersystems 1 deutlich übersteigt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Eingabe eines Bedieners oder Benutzers ausgelöst, wenn das angezeigte Verhältnis zwischen dem Alterszählwert ACV und dem Lebensdauer-Erwartungswert ELTV zeigt, dass eine Speichereinheit 3-i ein Alter hat, das deutlich über dem Alter anderer Speichereinheiten 3-i in demselben Datenspeichersystem 1 liegt.
Bei möglichen Ausführungsformen können andere Ereignisse die Durchführung des Verfahrens auslösten, z. B. das Hinzufügen einer Speichereinheit oder eines Halbleiterdatenträgers, das Starten einer Operation für die Anordnung 3 oder das Starten und Hochfahren des Systems sowie das Verbinden einer Einheit oder eines Computers mit dem Datenspeichersystem 1.
Die Verlagerung der Paritätsentitäten PE kann während des Systembetriebs durchgeführt werden, z. B. während Leerlaufzeiten. Bei einer möglichen Ausführungsform kann der Ersatz von ausgefallenen Speichereinheiten auch während des Betriebs des Datenspeichersystems 1 erfolgen. Das Verfahren und System gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht deutlich die erwartete Lebens- bzw. Betriebsdauer der verwendeten Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger SSD, indem es das Nachlassen der Funktionsfähigkeit der betreffenden Speichereinheiten ausgleicht. Dementsprechend wird die Zuverlässigkeit des gesamten Datenspeichersystems 1 erhöht.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren für das Betreiben von Speichereinheiten oder Halbleiterdatenträger SSD eines durch RAID geschützten Datenspeichersystems 1 bereit, welches das Verlagern häufig aktualisierter Paritätseinheiten von einer ersten Speichereinheit 3-i mit einem hohen Verhältnis von Schreibvorgängen zu einem Lebensdauer-Erwartungswert auf eine zweite Speichereinheit 3-j mit einem niedrigen Verhältnis von Schreibvorgängen zu einem Lebensdauer-Erwartungswert umfasst.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird die zweite Speichereinheit 3-j von einer neu installierten Ersatzspeichereinheit gebildet.
Das Verfahren zum Ausgleich nachlassender Funktionsfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung kann eingeleitet werden, wenn ein Ereignis auftritt. Dieses Ereignis kann umfassen, dass das Verhältnis von Schreibvorgängen zum Lebensdauer-Erwartungswert der ersten Speichereinheit 3-i einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Bei einer möglichen Ausführungsform kann ein Auslöse-Ereignis darin bestehen, dass eine Speichereinheit innerhalb einer Speichereinheitenanordnung ersetzt oder hinzugefügt wird. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform entsteht das Ereignis durch den Empfang eines Befehls zum Starten des Ausgleichs nachlassender Funktionsfähigkeit. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform besteht das Ereignis darin, dass das Datenspeichersystem gestartet wird oder eine oder mehrere Speichereinheiten mit dem Datenspeichersystem verbunden werden.

Claims

Verfahren für das Betreiben von Speichereinheiten eines Datenspeichersystems (1), wobei Daten, die auf dem Datenspeichersystem gespeichert werden sollen, in Gruppen von Datenentitäten (DE) und einer Paritätsentität (PE) aufgeteilt werden und wobei Datenentitäten (DE), die zur selben Gruppe gehören, auf verschiedenen Speichereinheiten des Datenspeichersystems (1) gespeichert werden; wobei eine Paritätsentität (PE) für jede Gruppe von Datenentitäten (DE) berechnet wird und auf einer anderen Speichereinheit als den Speichereinheiten gespeichert wird, auf denen die Datenentitäten (DE) derselben Gruppe gespeichert sind; das Folgendes umfasst: – in Reaktion auf das automatische Erkennen eines Ausfalls einer Speichereinheit durch eine Prüfschaltung eine automatische Aktivierung eines Ersatzes der ausgefallenen Speichereinheit durch eine Ersatzspeichereinheit innerhalb des Dateispeichersystems, – Austauschen einer Datenentität, die zuvor in der ausgefallenen Speichereinheit gespeichert war, und aus den verbleibenden Datenentitäten und der Paritätsentität in der betreffenden Gruppe wiederhergestellt wurde, gegen eine auf einer ersten Speichereinheit des Datenspeichersystems gespeicherten Paritätsentität und – Speichern der ausgetauschten Paritätsentität auf der Ersatzspeichereinheit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verlagerung (S4) der einen oder mehreren Paritätsentitäten (PE) auf die Ersatzspeichereinheit durchgeführt wird, wenn mindestens ein vorgegebenes Verlagerungskriterium erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verlagerungskriterium ein relatives Alter von einer oder mehreren der Speichereinheiten des Datenspeichersystems (1) berücksichtigt, wobei das relative Alter einer Speichereinheit als ein Verhältnis zwischen einem Alterszählwert (ACV), der bei jedem Schreibvorgang auf die betreffende Speichereinheit erhöht wird, und einem Lebensdauer-Erwartungswert (ELTV) der Speichereinheit berechnet wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangegangenen Ansprüche, wobei die eine oder mehreren Datenentitäten (DE) auf der ausgefallenen Speichereinheit (1) auf der Grundlage der verbleibenden Datenentitäten (DE) der betreffenden Gruppe von Datenentitäten (DE) und der entsprechenden berechneten Paritätsentität (PE) derselben Gruppe wiederhergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Paritätsentität PE (für) eine Gruppe von Datenentitäten (DE) berechnet wird, indem eine bitweise Exklusiv-ODER-Verknüpfung für die Datenentitäten (DE) der Gruppe von Datenentitäten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Paritätsentität (PE) für eine Gruppe von Datenentitäten (DE) berechnet wird, indem Galois-Feldverknüpfungen auf die Datenentitäten (DE) der Gruppe von Datenentitäten angewendet werden.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangegangenen Ansprüche, wobei die eine oder mehreren Paritätsentitäten (PE) der ersten Speichereinheit auf die Ersatzspeichereinheit verlagert werden, indem sie gegen eine oder mehrere der wiederhergestellten Datenentitäten (DE), die auf der Ersatzspeichereinheit gespeichert sind, ausgetauscht werden.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei nach der Wiederherstellung die einen oder mehreren wiederhergestellten Datenentitäten (DE) direkt auf der ersten Speichereinheit gespeichert werden.
Datenspeichersystem (1), das Folgendes umfasst: (a) Speichereinheiten für das Speichern von Daten; und (b) eine Speicherteilsystem-Steuereinheit (2), die so ausgelegt ist, dass die Speichereinheiten betrieben werden, indem die Schritte des Verfahren für das Betreiben von Speichereinheiten eines Datenspeichersystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt werden.
Datenspeichersystem nach Anspruch 9, wobei die Speichereinheiten Halbleiterdatenträger (3-i) umfassen.
Datenspeichersystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Speichereinheiten Flash-Speicherchips und/oder Phasenwechselspeicherchips umfassen.