RAID systems (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) have dominated backend storage systems for more than two decades and have grown continuously in size and complexity. Currently they face unprecedented challenges from data intensive applications such as image processing, transaction processing and data warehousing. As the size of RAID systems increases, designers are faced with both performance and reliability challenges. These challenges include limited back-end network bandwidth, physical interconnect failures, correlated disk failures and long disk reconstruction time. This thesis studies the scalability of RAID systems in terms of both performance and reliability through simulation, using a discrete event driven simulator for RAID systems (SIMRAID) developed as part of this project. SIMRAID incorporates two benchmark workload generators, based on the SPC-1 and Iometer benchmark specifications. Each component of SIMRAID is highly parameterised, enabling it to explore a large design space. To improve the simulation speed, SIMRAID develops a set of abstraction techniques to extract the behaviour of the interconnection protocol without losing accuracy. Finally, to meet the technology trend toward heterogeneous storage architectures, SIMRAID develops a framework that allows easy modelling of different types of device and interconnection technique.Simulation experiments were first carried out on performance aspects of scalability. They were designed to answer two questions: (1) given a number of disks, which factors affect back-end network bandwidth requirements; (2) given an interconnection network, how many disks can be connected to the system. The results show that the bandwidth requirement per disk is primarily determined by workload features and stripe unit size (a smaller stripe unit size has better scalability than a larger one), with cache size and RAID algorithm having very little effect on this value. The maximum number of disks is limited, as would be expected, by the back-end network bandwidth. Studies of reliability have led to three proposals to improve the reliability and scalability of RAID systems. Firstly, a novel data layout called PCDSDF is proposed. PCDSDF combines the advantages of orthogonal data layouts and parity declustering data layouts, so that it can not only survivemultiple disk failures caused by physical interconnect failures or correlated disk failures, but also has a good degraded and rebuild performance. The generating process of PCDSDF is deterministic and time-efficient. The number of stripes per rotation (namely the number of stripes to achieve rebuild workload balance) is small. Analysis shows that the PCDSDF data layout can significantly improve the system reliability. Simulations performed on SIMRAID confirm the good performance of PCDSDF, which is comparable to other parity declustering data layouts, such as RELPR. Secondly, a system architecture and rebuilding mechanism have been designed, aimed at fast disk reconstruction. This architecture is based on parity declustering data layouts and a disk-oriented reconstruction algorithm. It uses stripe groups instead of stripes as the basic distribution unit so that it can make use of the sequential nature of the rebuilding workload. The design space of system factors such as parity declustering ratio, chunk size, private buffer size of surviving disks and free buffer size are explored to provide guidelines for storage system design. Thirdly, an efficient distributed hot spare allocation and assignment algorithm for general parity declustering data layouts has been developed. This algorithm avoids conflict problems in the process of assigning distributed spare space for the units on the failed disk. Simulation results show that it effectively solves the write bottleneck problem and, at the same time, there is only a small increase in the average response time to user requests.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία ενός διαδικτυακού σκληρού δίσκου, ο οποίος θα βασίζεται στο ενσωματωμένο επικοινωνιακό σύστήμα Zedboard και το λειτουργικό σύστημα Linux. Χρησιμοποιώντας λοιπόν τον Microsoft iSCSI client θα διαβάζονται και θα γράφονται δεδομένα πάνω στο board, το οποίο θα παίζει ρόλο server. Για την υλοποίηση αυτή θα πρέπει να προγραμματιστεί το board κατάλληλα σύμφωνα με το διαδικτυακό πρωτόκολλο αποθήκευσης iSCSI, έτσι ώστε να μπορεί να ανταλλάσει δεδομένα με τον client. Τελικός στόχος λοιπόν, θα είναι η διαδικτυακή εγγραφή και ανάγνωση δεδομένων από την DRAM του Zedboard, η οποία θα πραγματοποιείται έχοντας σαν βάση το TCP/IP και το διαδικτυακό πρωτόκολλο αποθήκευσης δεδομένων. / --

Οι MLC NAND Flash μνήμες παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο για την αποθήκευση δε- δομένων, καθώς έχουν μεγάλη αποθηκευτική ικανότητα λόγω της μεγάλης πυκνότητάς τους, χαμηλό κόστος και χαμηλή απαίτηση σε ισχύ. Για τους λόγους αυτούς, έγινε εφικτό από τους σκληρούς δίσκους οδήγησης (HDDs) πλέον έχουμε περάσει στην εποχή των Solid State Drives (SSDs) που αποτελούν ένα μεγάλο βήμα για την αποθήκευση δεδομένων αποδοτικά και αξιόπιστα. Βέβαια η παρουσία λαθών στις MLC NAND Flash μνήμες, λόγω φαινομένων όπως η γήρανση του υλικού καθιστά απαραίτητη την εφαρμογή κωδίκων διόρθωσης λαθών (ECC) ώστε να διατηρηθεί η αξιοπιστία σε επιθυμητά επίπεδα. Σκοπός λοιπόν αυτής της διπλωματικής είναι αρχικά η ανάπτυξη ενός παραμετροποιήσιμου μοντέλου MLC NAND Flash μνήμης για την εξομοίωση εμφάνισης λαθών. Στη συνέχεια η χρησιμοποίηση soft-decision Low Density Parity Check (LDPC) κωδίκων για τη διόρθωση λαθών με τέτοι οτρόπο ώστε να παρατείνουμε το χρόνο ζωής της μνήμης και τελικά να υπολογίσουμε το Life Time Capacity που αποτελεί το συνολικό μέγεθος της πληροφορίας που μπορεί να αποθηκευθεί σε μία μνήμη καθ’όλη τη διάρκεια ζωής της. / --

Οι ηλεκτρομηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων πολύ μικρής κλίμακας που βασίζονται στη χρήση ακίδων (probes) αποτελούν ανερχόμενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδομένων και της απαιτούμενης ισχύος σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές αποθήκευσης. Μία υλοποίηση μιας τέτοιας συσκευής χρησιμοποιεί θερμομηχανικές μεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές μεμβράνες πολυμερών υλικών. Στην περίπτωση αυτή, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται με τη μορφή κοιλωμάτων πάνω στο πολυμερές υλικό, τα οποία δημιουργούνται από τις ακίδες, διαμέτρου μερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιμοποιούνται δισδιάστατες διατάξεις από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα, με κάθε ακίδα να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής /ανάγνωσης /διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Η μετατόπιση του αποθηκευτικού μέσου σε σχέση με τη διάταξη των ακίδων επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση ηλεκτρομηχανικού συστήματος μικρής κλίμακας (MEMS). Η διάταξη MEMS αποτελείται από ένα μικρής κλίμακας σύστημα σάρωσης (microscanner) και από το τσιπ της δισδιάστατης διάταξης των ακίδων. Το σύστημα σάρωσης έχει δυνατότητα κίνησης σε δύο διευθύνσεις (x/y). Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση του συστήματος σάρωσης μικρής κλίμακας. Η μοντελοποίηση του συστήματος έγινε με βάση το σύστημα του απλού αρμονικού ταλαντωτή με απόσβεση. Στα πλαίσια της εργασίας μελετάται η απόκριση του συστήματος σε διάφορους τύπους διεγέρσεων, ενώ για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του microscanner αναπτύχθηκε εφαρμογή στην γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Η εφαρμογή περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον με δυνατότητα ρύθμισης των παραμέτρων εξομοίωσης. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/ write/ erase operations over an individual storage field. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using micro-electro-mechanical-system (MEMS). The MEMS assembly consists of the microscanner and the cantilever array chip. The microscanner with x and y motion range carries the storage medium. This diploma dissertation presents the modeling of the microscanner. The system models as a damped harmonic oscillator. The model response on different driven forces has been studied, whereas an application in Visual Basic has been generated to simulate the system motion. The application comprises graphic interface with simulation parameters modulation.