JP2007122185A - データ記憶方法およびデータ記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期にわたって初期の信頼度を維持することのできるデータ記憶装置を実現する。
【解決手段】記憶すべきデータを複数の分割データに分割するステップと、分割データに対応したパリティデータを生成するステップと、分割データとパリティデータとを複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させるステップと、前記複数の記憶ユニットのいずれかがアクセス不能になったのに呼応して、アクセス不能になった記憶ユニットにアクセス不能になる以前に記憶させたデータを、残りの記憶ユニットが記憶するデータに基づいて復元するステップと、復元されたデータを複数の分割復元データに分割するステップと、分割復元データに対応したパリティデータを生成するステップと、分割復元データとそれに対応したパリティデータとをアクセス可能な複数の記憶媒体に振り分けて記憶させるステップとを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明はデータを分散させるデータ記憶方法および装置に関する。特に本発明はハードディスクによるデータ記憶に好適である。

近年、磁気ディスク装置の用途は、コンピュータの外部記憶装置にとどまらず、自動車のナビゲーションシステムや首にぶら下げる携帯型ミュージックプレーヤを含む多種多様な機器に拡がっている。これにともなって、想定すべき使用の環境が、温度や湿度が大きく変動したり不特定方向の大きな衝撃が加わったりする苛酷な環境を含むようになった。このように使用形態が多様になっても、データの消失を防ぐことが重要であることに変わりはない。

ハードディスクを備える磁気ディスク装置はディスクへの塵埃の付着を防ぐ密閉構造に構成されている。ただし、実際にはフィルタを通して内部は外気とつながっている。密閉の理由は、回転するディスクに対して１０ｎｍ程度の極めて僅かな距離だけヘッドを浮上させて記録および再生を行うからである。このような密閉構造体はディスクエンクロージャ、略してＤＥと呼ばれている。ＤＥの中に、ディスクとともに、ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、ヘッドアンプ（ＨＤＡ）、およびスピンドルモータ（ＳＰＭ）などが収められている。記憶容量を増やすために複数枚のディスクを収めたものもある。

磁気ディスク装置によるデータ記憶の信頼性を高める技術として、複数台の磁気ディスク装置を組み合わせるＲＡＩＤ(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)が広く知られている。一般に採用されるＲＡＩＤは、データに冗長度を与えて複数台の磁気ディスク装置に分配して記録するものである。例えば特開２００３−２２３２８９号公報には、Ｎ台の磁気ディスク装置からなり、記録すべきデータに対応した（Ｎ−１）個の分割データと１個のパリティデータとを生成し、これら計Ｎ個のデータをそれぞれ１台の磁気ディスク装置に記録するシステムが記載されている。このようなＲＡＩＤによれば、いずれかの磁気ディスク装置が故障してもデータを復元することができ、データの消失を防ぐことができる。
特開２００３−２２３２８９号公報

従来のＲＡＩＤシステムでは、システムを構成する複数台の磁気ディスク装置のいずれかが故障したときに、故障した磁気ディスク装置を正常な磁気ディスク装置に交換しなければ、データの冗長化を行うことができず、そのために信頼性が低下する。そして、故障を放置して使用を続けてさらに１台が故障すると、システムを使用することができなくなってしまう。つまり、従来では、初期の信頼度を維持するには、故障が生じる度に正常に動作する磁気ディスク装置の台数を元に戻すメンテナンスを行う必要があった。

このようなメンテナンスが必須であることは、とりわけカーナビゲーションやミュージックプレーヤなどのパーソナルユースの機器では好ましくない。販売店などに修理を依頼する手間や部品交換の費用をユーザに強要することになるからである。

本発明の目的は、長期にわたって初期の信頼度を維持することのできるデータ記憶装置を実現することである。

上記目的を達成するデータ記憶方法は、独立にアクセス可能な複数の記憶ユニットにデータを分散させるデータ記憶方法であって、記憶すべきデータを複数の分割データに分割するステップと、前記複数の分割データに対応したパリティデータを生成するステップと、前記複数の分割データのそれぞれと前記パリティデータとを前記複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させるステップと、前記複数の記憶ユニットのいずれかがアクセス不能になったのに呼応して、アクセス不能になった記憶ユニットにアクセス不能になる以前に記憶させたデータを、残りの記憶ユニットが記憶するデータに基づいて復元するステップと、復元されたデータを複数の分割復元データに分割するステップと、前記複数の分割復元データに対応したパリティデータを生成するステップと、前記複数の分割復元データのそれぞれとそれに対応した前記パリティデータとをアクセス可能な複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させるステップとを有する。

本発明においては、アクセス不能の記憶ユニットの個数が増加するごとに、記憶させるデータの“冗長度”を変更する。ここで、“冗長度”を、ある１個の記憶すべきデータに対応する分割データの個数Ｍとパリティデータの個数ｍとの和（Ｍ＋ｍ）に対するパリティデータの個数ｍの割合（ｍ／（Ｍ＋ｍ））と定義する。

本発明によれば、長期にわたって初期の信頼度が保たれる長寿命のデータ記憶装置を実現することができる。

図１は本発明に係る磁気ディスク装置の構成を示す。

磁気ディスク装置１は、同一構成の４個のディスクエンクロージャ（以下、ＤＥという）１１，１２，１３，１４、スピンドルモータ（ＳＰＭ）２０、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３０、セレクタ（Ｓｅｌ．）４０、ヘッドアンプ（ＨＤＡ）５０、リードチャネル６０、サーボ回路７０、コントローラ（ＨＤＣ）８０、およびインタフェース９０を備える。

ＤＥ１１〜１４のそれぞれが本発明の記憶ユニットに相当する。例示のＤＥ１１には、記録媒体である少なくとも１枚のディスクと、ヘッドジンバルアセンブリとが収められている。同様にＤＥ１２〜１４にもディスクとＨＧＡとが収められている。ディスク回転のためのスピンドルモータ２０およびシーク動作のためのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３０は共に１個のみであり、４個のＤＥ１１〜１４の外に配置されている。スピンドルモータ２０はＤＥ１１〜１４の全てのディスクを一括に回転させ、ボイスコイルモータ３０はＤＥ１１〜１４の全てのヘッドジンバルアセンブリを一括に駆動する。

セレクタ４０はＤＥ１１〜１４のうちのコントローラ８０が指定した１つを選択する。ヘッドアンプ５０はデータ信号を増幅する。リードチャネル６０は記録・再生の変復調、波形の均等化、信号弁別処理などを行う。サーボ回路７０はディスク回転を制御する。コントローラ８０は本発明に特有のデータ記憶に係る処理を含む装置全体の制御を担う。インタフェース９０は外部のデータ処理装置とのデータおよび制御信号の授受を担う。

本例の磁気ディスク装置１のように１個のスピンドルモータ２０で媒体を回転させる構成では、ＤＥ間の回転が同期するので、記録・再生を高速に行うことができる。耐衝撃性を高める上では、ディスク径が小さいのが有利である。

図２は本発明に係る記録制御の概要を示すフローチャートであり、図３は本発明に係る冗長度可変のデータ記憶の説明図である。

上記コントローラ８０は図２の記録制御を実行する。この記録制御はコントローラ８０に予め記録された制御プログラムによって実現される。

コントローラ８０は、外部装置からの記録要求を受けると、インタフェース９０を介して取り込んだ記録すべきデータを、その時点で正常に動作するＤＥの数から１を差し引いた数のデータに分割する（図２の＃１１、＃１２）。続いて、得られた分割データに対応するパリティデータを生成する（＃１３）。そして、分割データとパリティデータとをＤＥに振り分けて書き込む（＃１４）。

例えば、図３（Ａ）のように４個のＤＥ１１〜１４が全て正常に動作する初期状態では、記録すべきデータＤ１が３（＝４−１）個の分割データＤ１−１，Ｄ１−２，Ｄ１−３に分割され、分割データの排他的論理和演算によりパリティデータＤ１−ｐが生成される。そして、分割データＤ１−１はＤＥ１１に、分割データＤ１−２はＤＥ１２に、分割データＤ１−３はＤＥ１３に、パリティデータＤ１−ｐはＤＥ１４に書き込まれる。書き込み完了時には、予め各ＤＥ１１〜１４に設けられているＦＡＴ(File Allocation Tables)が更新される。

このような処理は従来と同様であり、外部からの記録要求があるごとに実行される。図３（Ａ）の斜線部分は、分割データＤ１−１〜Ｄ１−３およびパリティデータＤ１−ｐの書き込み以前に書き込まれたデータである。パリティデータを書き込むＤＥを固定してもよいし、適宜に変更してもよい。

図２に戻り、記録・再生動作の成否を監視する処理からＤＥ１１〜１４のいずれかが故障である旨の通知を受けると（＃１５）、アクセス可能なＤＥが２個以上であるか否かをチェックする（＃１６）。アクセス可能なＤＥが１個であるとき、すなわち既に２個が故障しており今回の故障が３個目であるときは、データ記憶を冗長化することができず、記録されているデータの消失のおそれがあるので、外部装置に対してユーザへの報知を依頼する警告処理を行う（＃２１）。

一方、アクセス可能なＤＥが２個以上であれば、次のように本発明に特有の記憶の再編成を行う。

まず、アクセス不能になったＤＥにアクセス不能になる以前に記憶させたデータを、残りの記憶ユニットが記憶するデータに基づいて復元する（＃１７）。次に、復元されたデータをその時点で正常に動作するＤＥの数から１を差し引いた数のデータに分割し（＃１８）、得られた複数または単数の分割復元データに対応したパリティデータを生成する（＃１９）。そして、分割復元データとパリティデータとをアクセス可能な複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させる（＃２０）。

以上の動作を再び図３を参照して説明する。

図３（Ａ）のように分割データＤ１−１〜Ｄ１−３およびパリティデータＤ１−ｐが記録された後、例えば図３（Ｂ）のようにＤＥ１３が故障した状況を想定する。実際には分割データＤ１−１〜Ｄ１−３およびパリティデータＤ１−ｐの記録の後で且つＤＥ１３が故障する以前に、さらに分割データおよびパリティデータが各ＤＥ１１〜ＤＥ１４に記録されるのが通例である。しかし、ここでは、理解を容易にするため、図示の分割データＤ１−１〜Ｄ１−３に着目してそれらに対する処置を説明する。この処置は他の既に記録された分割データについても同様に行われる。

ＤＥ１３が故障したので、ＤＥ１３に故障以前に記憶させた分割データＤ１−３を、残りのＤＥ１１，ＤＥ１２，ＤＥ１４が記憶する分割データＤ１−１、Ｄ１−２およびパリティデータＤ１−ｐに基づいて排他的論理和演算により復元する。復元された分割データＤ１−３を２（＝３−１）個の分割復元データＤ１−３−１，Ｄ１−３−２に分割し、それらに対応したパリティデータＤ１−３−ｐを生成する。そして、分割復元データＤ１−３−１，Ｄ１−３−２およびパリティデータＤ１−３−ｐをＤＥ１１，ＤＥ１２，ＤＥ１４に振り分けて記憶させる。

つまり、図３（Ａ）と（Ｂ）とで示されるように、ＤＥ１１〜１４のいずれかの故障に呼応して、故障発生以前にＤＥ１１〜１４が記憶していた全ての情報を、故障していない残りのＤＥ１１，ＤＥ１２，ＤＥ１４で分担させるよう記録し直す。故障発生以前では分割データ数Ｍが３でパリティデータ数ｍが１であって冗長度は１／４である。これに対して、故障発生後では冗長度は１／３である。冗長度の増加にともなって記憶エリアの利用率が低下するものの、既存の情報が保持されるとともに、以前と同じ信頼度が得られる。すなわち、さらにいずれかのＤＥが故障してもデータの消失を回避することができる。

さらに、例えば図３（Ｃ）のようにＤＥ１２が故障した状況を想定する。

ＤＥ１２が故障したので、ＤＥ１２に故障以前に記憶させた復元分割データＤ１−３−２を、残りのＤＥ１１，ＤＥ１４が記憶する復元分割データＤ１−３−１およびパリティデータＤ１−３−ｐに基づいて復元する。復元された復元分割データＤ１−３−２とＤＥ１１が記憶する復元分割データＤ１−３−１とを合成して分割データＤ１−３を再生する。再生された分割データＤ１−３とＤＥ１１，ＤＥ１４が記憶する分割データＤ１−１およびパリティデータＤ１−ｐに基づいて分割データＤ１−２を復元する。そして、復元された分割データＤ１−２とそれに対応したパリティデータＤ１−２ｐとをＤＥ１１，ＤＥ１４に振り分けて記憶させるとともに、復元された復元分割データＤ１−３−２とそれに対応したパリティデータＤ１−３−２ｐとをＤＥ１１，ＤＥ１４に振り分けて記憶させる。これにともなって冗長度は１／２に変わる。

さらに図３（Ｄ）のようにＤＥ１４が故障すると、１個のＤＥ１１のみがアクセス可能である末期状態となる。この状態においても、ＤＥ１１が記憶するデータによって分割データＤ１−２を復元し、元のデータＤ１を再生することができる。しかし、冗長度は０であり、以後にＤＥ１１が故障すれば当然に全ての情報が消失する。したがって、遅くとも末期状態になった時点で、装置寿命の終了が近いことをユーザに通知するのが望ましい。末期状態になる以前の段階で通知してもよい。

図４は本発明による信頼度の維持を示すグラフ、図５は本発明による寿命の向上を示すグラフである。図４、５の例示は、従来の典型的な磁気ディスク装置と同等の平均故障間隔ＭＴＢＦ(Mean Time Between Failure)をもつ６個のＤＥで磁気ディスク装置を構成した場合である。ここでは信頼度の許容下限を０．９８とする。

上述のとおり冗長度を変化させてデータ記録動作を継続することにより、データ保全の信頼度が維持され且つ寿命が延びる。図４中に一点鎖線で示すように、従来のハードディスクドライブでは使用開始から２年が経過すると信頼度が０．９８の近くまで下がる。これに対して、本発明を適用した磁気ディスク装置では４年ないし５年で信頼度が０．９８に下がる最初の時点を迎える。この時点で１個のＤＥが故障したとすると、冗長度が変わって信頼度が０．９８よりも大きくなる。さらに時間が経過して信頼度が０．９８に下がる２回目の時点を迎える。再び冗長度が変化すると信頼度が０．９８よりも大きくなる。このような繰り返しにより、冗長度が１／３で信頼度０．９８になるまでの使用年数は１０年以上となり、従来の５倍も高信頼度が継続することになる。

記録・再生することができる容量を比較すると図５のようになる。初期の容量は、冗長度が高い分だけ一点鎖線で示す従来例よりも少ない。しかし、信頼度が０．９８になった時に平均的に故障すると仮定すると、従来例では２．５年程度で一気に記録・再生ができなくなるのに対し、本発明の磁気ディスク装置では容量は減少していくものの冗長度１／３で使用を取りやめるとしても１０年以上にわたって記録・再生が可能である。すなわち、寿命の長いことが判る。

図６は装置構成の変形例を示す。図６において図１に対応する要素には図１と共通の符合を付してある。

図６（Ａ）の磁気ディスク装置１ｂの特徴は、４個のＤＥ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂのそれぞれが、スピンドルモータ２０、ボイスコイルモータ３０およびヘッドアンプ５０を有することである。

図６（Ｂ）の磁気ディスク装置１ｃの特徴は、４個のＤＥ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂのそれぞれに対して、リードチャネル６０およびサーボ回路７０が設けられていることである。

図６（Ｃ）の磁気ディスク装置１ｄの特徴は、４個のＤＥ１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ、１４ｃのそれぞれがボイスコイルモータ３０およびヘッドアンプ５０を有し、これらＤＥに対して１個のスピンドルモータ２０が設けられていることである。

図６（Ｄ）の磁気ディスク装置１ｅの特徴は、図１の例と同様にＤＥ１１〜ＤＥ１４を備え、これらＤＥ１１〜ＤＥ１４のそれぞれに対してボイスコイルモータ３０およびヘッドアンプ５０が配置されていることである。本例はＤＥ１１〜ＤＥ１４の外部に電気回路が配置されるので、回路の集積化に適している。

以上の実施形態において、磁気ディスク装置１と同様の構成をもつ複数の磁気ディスク装置を組み合わせて従来と同様にＲＡＩＤシステムを構築してもよい。磁気ディスク装置１を１つのアーカイブ装置として構成しても構わない。ＤＥ１１〜１４の個数は例示の４に限定されず、３以上であれば任意である。

本発明は、固定ディスク装置に好適であるが、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリを含む磁気ディスク以外の任意の記憶媒体を備えた記憶装置にも適用可能である。

本発明は、磁気ディスク装置を含む各種のデータ記憶装置の利便性の高い使用形態を提供するのに貢献する。

本発明に係る磁気ディスク装置の構成を示す図である。 本発明に係る記録制御の概要を示すフローチャートである。 本発明に係る冗長度可変のデータ記憶の説明図である。 本発明による信頼度の維持を示すグラフである。 本発明による寿命の向上を示すグラフである。 装置構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１１〜１４ ディスクエンクロージャ（記憶ユニット）
１１ｂ〜１４ｂ ディスクエンクロージャ（記憶ユニット）
１１ｃ〜１４ｃ ディスクエンクロージャ（記憶ユニット）
１ 磁気ディスク装置（データ記憶装置）
８０ コントローラ

Claims (6)

1. 独立にアクセス可能な複数の記憶ユニットにデータを分散させるデータ記憶方法であって、
   記憶すべきデータを複数の分割データに分割するステップと、
   前記複数の分割データに対応したパリティデータを生成するステップと、
   前記複数の分割データのそれぞれと前記パリティデータとを前記複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させるステップと、
   前記複数の記憶ユニットのいずれかがアクセス不能になったのに呼応して、アクセス不能になった記憶ユニットにアクセス不能になる以前に記憶させたデータを、残りの記憶ユニットが記憶するデータに基づいて復元するステップと、
   復元されたデータを複数の分割復元データに分割するステップと、
   前記複数の分割復元データに対応したパリティデータを生成するステップと、
   前記複数の分割復元データのそれぞれとそれに対応した前記パリティデータとをアクセス可能な複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させるステップとを有する
   ことを特徴とするデータ記憶方法。
2. アクセス可能な記憶ユニットが１つになるまで、１つの記憶ユニットがアクセス不能になるごとにデータを復元して分割し、分割復元データおよびパリティデータを複数の記憶ユニットに記憶させる
   請求項１に記載のデータ記憶方法。
3. 独立にアクセス可能な複数の記憶ユニットと、前記複数の記憶ユニットにデータを記憶させるコントローラとを備えたデータ記憶装置であって、
   前記コントローラは、
   記憶すべきデータを複数の分割データに分割する手段と、
   前記複数の分割データに対応したパリティデータを生成する手段と、
   前記複数の分割データのそれぞれと前記パリティデータとを前記複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させる手段と、
   前記複数の記憶ユニットのいずれかがアクセス不能になったのに呼応して、アクセス不能になった記憶ユニットにアクセス不能になる以前に記憶させたデータを、残りの記憶ユニットが記憶するデータに基づいて復元する手段と、
   復元されたデータを複数の分割復元データに分割する手段と、
   前記複数の分割復元データに対応したパリティデータを生成する手段と、
   前記複数の分割復元データのそれぞれとそれに対応した前記パリティデータとをアクセス可能な複数の記憶ユニットに振り分けて記憶させる手段とを有する
   ことを特徴とするデータ記憶装置。
4. 前記複数の記憶ユニットのそれぞれが内部に記憶媒体を収めた密閉構造体である
   請求項３に記載のデータ記憶装置。
5. 前記複数の記憶ユニットは記憶媒体として単一または複数の磁気ハードディスクを有する
   請求項４に記載のデータ記憶装置。
6. アクセス可能な記憶ユニットの個数が設定数まで減少したときに、そのことを報知する手段を有する
   請求項３に記載のデータ記憶装置。