Publication: New techniques to model energy-aware I/O architectures based on SSD and hard disk drives
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Publication date
2012
Defense date
2012-06-22
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Abstract
For years, performance improvements at the computer I/O subsystem and at other subsystems have advanced at their own pace, being less the improvements at the I/O subsystem, and making the overall system speed dependant of the I/O subsystem speed. One of the main factors for this imbalance is the inherent nature of disk drives, which has allowed big advances in disk densities, but not so many in disk performance. Thus, to improve I/O subsystem performance, disk drives have become a goal of study for many researchers, having to use, in some cases, different kind of models. Other research studies aim to improve I/O subsystem performance by tuning more abstract I/O levels. Since disk drives lay behind those levels, real disk drives or just models need to be used. One of the most common techniques to evaluate the performance of a computer I/O subsystem is found on detailed simulation models including specific features of storage devices like disk geometry, zone splitting, caching, read-ahead buffers and request reordering. However, as soon as a new technological innovation is added, those models need to be reworked to include new characteristics, making difficult to have general models up to date. Our alternative is modeling a storage device as a black-box probabilistic model, where the storage device itself, its interface and the interconnection mechanisms are modeled as a single stochastic process, defining the service time as a random variable with an unknown distribution. This approach allows generating disk service times needing less computational power by means of a variate generator included in a simulator. This approach allows to reach a greater scalability in I/O subsystems performance evaluations by means of simulation. Lately, energy saving for computing systems has become an important need. In mobile computers, the battery life is limited to a certain amount of time, and not wasting energy at certain parts would extend the usage of the computer. Here, again the computer I/O subsystem has pointed out as field of study, because disk drives, which are a main part of it, are one of the most power consuming elements due to their mechanical nature. In server or enterprise computers, where the number of disks increase considerably, power saving may reduce cooling requirements for heat dissipation and thus, great monetary costs. This dissertation also considers the question of saving energy in the disk drive, by making advantage of diverse devices in hybrid storage systems, composed of Solid State Disks (SSDs) and Disk drives. SSDs and Disk drives offer different power characteristics, being SSDs much less power consuming than disk drives. In this thesis, several techniques that use SSDs as supporting devices for Disk drives, are proposed. Various options for managing SSDs and Disk devices in such hybrid systems are examinated, and it is shown that the proposed methods save energy and monetary costs in diverse scenarios. A simulator composed of Disks and SSD devices was implemented. This thesis studies the design and evaluation of the proposed approaches with the help of realistic workloads. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Durante años, las mejoras de rendimiento en el subsistema de E/S del ordenador y en otros subsistemas han avanzado a su propio ritmo, siendo menores las mejoras en el subsistema de E/S, y provocando que la velocidad global del sistema dependa de la velocidad del subsistema de E/S. Uno de los factores principales de este desequilibrio es la naturaleza inherente de las unidades de disco, la cual que ha permitido grandes avances en las densidades de disco, pero no asĂ en su rendimiento. Por lo tanto, para mejorar el rendimiento del subsistema de E/S, las unidades de disco se han convertido en objetivo de estudio para muchos investigadores, que se ven obligados a utilizar, en algunos casos, diferentes tipos de modelos o simuladores. Otros estudios de investigaciĂłn tienen como objetivo mejorar el rendimiento del subsistema de E/S, estudiando otros niveles mĂĄs abstractos. Como los dispositivos de disco siguen estando detrĂĄs de esos niveles, tanto discos reales como modelos pueden usarse para esos estudios. Una de las tĂ©cnicas mĂĄs comunes para evaluar el rendimiento del subsistema de E/S de un ordenador se ha encontrado en los modelos de simulaciĂłn detallada, los cuales modelan caracterĂsticas especĂficas de los dispositivos de almacenamiento como la geometrĂa del disco, la divisiĂłn en zonas, el almacenamiento en cachĂ©, el comportamiento de los buffers de lectura anticipada y la reordenaciĂłn de solicitudes. Sin embargo, cuando se agregan innovaciones tecnolĂłgicas, los modelos tienen que ser revisados a fin de incluir nuevas caracterĂsticas que incorporen dichas innovaciones, y esto hace difĂcil el tener modelos generales actualizados. Nuestra alternativa es el modelado de un dispositivo de almacenamiento como un modelo probabilĂstico de caja negra, donde el dispositivo de almacenamiento en sĂ, su interfaz y sus mecanismos de interconexiĂłn se tratan como un proceso estocĂĄstico, definiendo el tiempo de servicio como una variable aleatoria con una distribuciĂłn desconocida. Este enfoque permite la generaciĂłn de los tiempos de servicio del disco, de forma que se necesite menos potencia de cĂĄlculo a travĂ©s del uso de un generador de variable aleatoria incluido en un simulador. De este modo, se permite alcanzar una mayor escalabilidad en la evaluaciĂłn del rendimiento del subsistema de E/S a travĂ©s de la simulaciĂłn. En los Ășltimos años, el ahorro de energĂa en los sistemas de computaciĂłn se ha convertido en una necesidad importante. En ordenadores portĂĄtiles, la duraciĂłn de la baterĂa se limita a una cierta cantidad de tiempo, y no desperdiciar energĂa en ciertas partes harĂa mĂĄs largo el uso del ordenador. AquĂ, de nuevo el subsistema de E/S se señala como campo de estudio, ya que las unidades de disco, que son una parte principal del mismo, son uno de los elementos de mĂĄs consumo de energĂa debido a su naturaleza mecĂĄnica. En los equipos de servidor o de empresa, donde el nĂșmero de discos aumenta considerablemente, el ahorro de energĂa puede reducir las necesidades de refrigeraciĂłn para la disipaciĂłn de calor y por lo tanto, grandes costes monetarios. Esta tesis tambiĂ©n considera la cuestiĂłn del ahorro energĂ©tico en la unidad de disco, haciendo uso de diversos dispositivos en sistemas de almacenamiento hĂbridos, que emplean discos de estado sĂłlido (SSD) y unidades de disco. Las SSD y unidades de disco ofrecen diferentes caracterĂsticas de potencia, consumiendo las SSDs menos energĂa que las unidades de disco. En esta tesis se proponen varias tĂ©cnicas que utilizan los SSD como apoyo a los dispositivos de disco. Se examinan las diversas opciones para la gestiĂłn de las SSD y los dispositivos de disco en tales sistemas hĂbridos, y se muestra que los mĂ©todos propuestos ahorran energĂa y costes monetarios en diversos escenarios. Se ha implementado un simulador compuesto por discos y dispositivos SSD. Esta tesis estudia el diseño y evaluaciĂłn de los enfoques propuestos con la ayuda de las cargas de trabajo reales.
Durante años, las mejoras de rendimiento en el subsistema de E/S del ordenador y en otros subsistemas han avanzado a su propio ritmo, siendo menores las mejoras en el subsistema de E/S, y provocando que la velocidad global del sistema dependa de la velocidad del subsistema de E/S. Uno de los factores principales de este desequilibrio es la naturaleza inherente de las unidades de disco, la cual que ha permitido grandes avances en las densidades de disco, pero no asĂ en su rendimiento. Por lo tanto, para mejorar el rendimiento del subsistema de E/S, las unidades de disco se han convertido en objetivo de estudio para muchos investigadores, que se ven obligados a utilizar, en algunos casos, diferentes tipos de modelos o simuladores. Otros estudios de investigaciĂłn tienen como objetivo mejorar el rendimiento del subsistema de E/S, estudiando otros niveles mĂĄs abstractos. Como los dispositivos de disco siguen estando detrĂĄs de esos niveles, tanto discos reales como modelos pueden usarse para esos estudios. Una de las tĂ©cnicas mĂĄs comunes para evaluar el rendimiento del subsistema de E/S de un ordenador se ha encontrado en los modelos de simulaciĂłn detallada, los cuales modelan caracterĂsticas especĂficas de los dispositivos de almacenamiento como la geometrĂa del disco, la divisiĂłn en zonas, el almacenamiento en cachĂ©, el comportamiento de los buffers de lectura anticipada y la reordenaciĂłn de solicitudes. Sin embargo, cuando se agregan innovaciones tecnolĂłgicas, los modelos tienen que ser revisados a fin de incluir nuevas caracterĂsticas que incorporen dichas innovaciones, y esto hace difĂcil el tener modelos generales actualizados. Nuestra alternativa es el modelado de un dispositivo de almacenamiento como un modelo probabilĂstico de caja negra, donde el dispositivo de almacenamiento en sĂ, su interfaz y sus mecanismos de interconexiĂłn se tratan como un proceso estocĂĄstico, definiendo el tiempo de servicio como una variable aleatoria con una distribuciĂłn desconocida. Este enfoque permite la generaciĂłn de los tiempos de servicio del disco, de forma que se necesite menos potencia de cĂĄlculo a travĂ©s del uso de un generador de variable aleatoria incluido en un simulador. De este modo, se permite alcanzar una mayor escalabilidad en la evaluaciĂłn del rendimiento del subsistema de E/S a travĂ©s de la simulaciĂłn. En los Ășltimos años, el ahorro de energĂa en los sistemas de computaciĂłn se ha convertido en una necesidad importante. En ordenadores portĂĄtiles, la duraciĂłn de la baterĂa se limita a una cierta cantidad de tiempo, y no desperdiciar energĂa en ciertas partes harĂa mĂĄs largo el uso del ordenador. AquĂ, de nuevo el subsistema de E/S se señala como campo de estudio, ya que las unidades de disco, que son una parte principal del mismo, son uno de los elementos de mĂĄs consumo de energĂa debido a su naturaleza mecĂĄnica. En los equipos de servidor o de empresa, donde el nĂșmero de discos aumenta considerablemente, el ahorro de energĂa puede reducir las necesidades de refrigeraciĂłn para la disipaciĂłn de calor y por lo tanto, grandes costes monetarios. Esta tesis tambiĂ©n considera la cuestiĂłn del ahorro energĂ©tico en la unidad de disco, haciendo uso de diversos dispositivos en sistemas de almacenamiento hĂbridos, que emplean discos de estado sĂłlido (SSD) y unidades de disco. Las SSD y unidades de disco ofrecen diferentes caracterĂsticas de potencia, consumiendo las SSDs menos energĂa que las unidades de disco. En esta tesis se proponen varias tĂ©cnicas que utilizan los SSD como apoyo a los dispositivos de disco. Se examinan las diversas opciones para la gestiĂłn de las SSD y los dispositivos de disco en tales sistemas hĂbridos, y se muestra que los mĂ©todos propuestos ahorran energĂa y costes monetarios en diversos escenarios. Se ha implementado un simulador compuesto por discos y dispositivos SSD. Esta tesis estudia el diseño y evaluaciĂłn de los enfoques propuestos con la ayuda de las cargas de trabajo reales.
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Keywords
I/O architectures, Energy-aware, SSD, Hard disk drives