| Περίληψη: | Τη σημερινή εποχή, οι απαιτήσεις για αποθηκευτικές συσκευές που προσφέρουν πολύ υψηλές πυκνότητες σε εξαιρετικά μικρό μέγεθος και ταυτόχρονα υποστηρίζουν μεγάλες ταχύτητες στην ανταλλαγή δεδομένων, διαρκώς αυξάνουν. Ένα νέο πεδίο έρευνας ασχολείται με τη δυνατότητα εκμετάλλευσης των τεχνικών Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης (AFM) για τη δημιουργία συσκευών ικανών να αποθηκεύουν δεδομένα με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές. Οι τεχνικές AFM χρησιμοποιούν μικροσκοπικές ακίδες, διαστάσεων μερικών νανομέτρων, με πολύ αιχμηρές άκρες, για να παρατηρούν και να τροποποιούν επιφάνειες σε ατομικό επίπεδο. Για την επίτευξη υψηλού ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης δεδομένων, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομηχανικά συστήματα πολύ μικρής κλίμακας (Micro-electro-mechanical-systems, MEMS) αποτελούμενα από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα. Κάθε ακίδα είναι προσαρμοσμένη σε έναν κατάλληλο βραχίονα και η συνολική διάταξη ονομάζεται probe. Κάθε probe εκτελεί λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης/διαγραφής σε μια αφιερωμένη περιοχή του μέσου αποθήκευσης, η οποία ονομάζεται πεδίο αποθήκευσης.
Στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν προταθεί και μελετηθεί πειραματικά πολλές μέθοδοι εγγραφής και ανάγνωσης. Μια από αυτές είναι η θερμομηχανική μέθοδος αποθήκευσης, όπου η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται μέσω του φυσικού μηχανισμού δημιουργίας ή μη κοιλωμάτων διαμέτρου μερικών νανομέτρων σε πολυμερή υλικά με την χρήση ακίδας αντίστοιχων διαστάσεων. Η παρουσία (απουσία) κοιλωμάτων αντιστοιχεί στο λογικό '1' ('0'). Τα δεδομένα του χρήστη αποθηκεύονται με τη μορφή ακολουθιών κοιλωμάτων. Για την εγγραφή και την ανάγνωση των δεδομένων, το μέσο αποθήκευσης κινείται με σταθερή ταχύτητα σε σχέση με τη διάταξη των probes. Η κίνηση αυτή επιτυγχάνεται με χρήση ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος οδήγησης, το οποίο ελέγχεται από ένα σερβομηχανισμό. Κατά τη διάρκεια της εγγραφής/ανάγνωσης των δεδομένων, η κίνηση των probes πρέπει να γίνεται με μεγάλη ακρίβεια, καθώς όσο αυξάνουν οι αποκλίσεις σε σχέση με την κίνηση αναφοράς, ο ρυθμός των σφαλμάτων αυξάνεται με μη γραμμικό τρόπο.
Εκτός από τον ενδογενή θερμικό θόρυβο και το θόρυβο κβαντισμού, αιτίες που μπορεί να προκαλέσουν αποκλίσεις στην κίνηση των probes είναι η μηχανική βλάβη της ακίδας ή κάποιο 'ξένo' σωματίδιο στο μέσο, οπότε σε αυτή την περίπτωση τα λάθη περιορίζονται σε ένα μόνο πεδίο. Μία άλλη αιτία τέτοιων αποκλίσεων είναι η εφαρμογή εξωτερικών διαταραχών στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα οδήγησης η οποία μεταφράζεται σε διαταραχή στην κίνηση όλων των ακίδων, προκαλώντας έτσι την εμφάνιση λαθών σε όλα τα πεδία. Κατά συνέπεια, τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή σε λάθη ριπής.
Στα συστήματα αποθήκευσης, τα δεδομένα του χρήστη λαμβάνονται με τη μορφή sectors σταθερού μεγέθους. Το γεγονός της όμοιας και ταυτόχρονης κίνησης όλων των probes, έχει οδηγήσει στην υιοθέτηση της τακτικής τα δεδομένα ενός sector να μοιράζονται σε ισόποσα μέρη ίσα με το πλήθος των πεδίων. Για την αντιμετώπιση των λαθών ριπής χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός μη-δυαδικών κωδίκων διόρθωσης λαθών RS και κατάλληλων κυκλωμάτων διεμπλοκής που μετασχηματίζουν τα δεδομένα του χρήστη πριν αποθηκευτούν στο μέσο. Κάθε sector χωρίζεται σε κωδικολέξεις, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του κώδικα RS. Όμως, ανάλογα με τις παραμέτρους του συστήματος μπορεί να μην είναι εφικτή η τοποθέτηση του ίδιου αριθμού δεδομένων σε όλα τα πεδία. Σε αυτές τις περιπτώσεις, στα πεδία όπου υπάρχει κενό χρησιμοποιείται κατάλληλος αριθμός συμπληρωματικών συμβόλων (padding) που αποτελούνται από μηδενικά, μειώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα αποθήκευσης της συσκευής, ειδικά για μεγάλο αριθμό πεδίων. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής προτάθηκε ένας βέλτιστος τρόπος κατανομής των δεδομένων του χρήστη που εξαλείφει τα συμπληρωματικά σύμβολα, μεγιστοποιώντας έτσι τη δυνατότητα αποθήκευσης της συσκευής και αυξάνοντας πάρα πολύ τη χωρητικότητα του συστήματος σε σχέση με τις μέχρι σήμερα γνωστές διαδικασίες.
Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε επίσης το θέμα της αξιοπιστίας ενός συστήματος αποθήκευσης πολλαπλών πεδίων. Το γεγονός ότι τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή στην εμφάνιση λαθών ριπής καθιστά κρίσιμη τη μελέτη της αξιοπιστίας ενός τέτοιου συστήματος για όλες τις περιπτώσεις λαθών που μπορεί να εμφανιστούν και να διερευνηθεί η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων του συστήματος, όπως ο αριθμός των πεδίων αποθήκευσης, το μέγεθος του sector και ο ρυθμός του κώδικα, στη διορθωτική ικανότητα του συστήματος, ώστε να εκτιμηθεί ο βέλτιστος συνδυασμός τους.
Στην περίπτωση των συστημάτων αποθήκευσης, ως αξιοπιστία ορίζεται η πιθανότητα να διαβαστεί σωστά ο sector. Για τον λόγο αυτόν, αναπτύχθηκε το σύνολο των μαθηματικών μοντέλων και σχέσεων που επιτρέπουν τον υπολογισμό της πιθανότητας αυτής όταν στο σύστημα εμφανίζονται τόσο τυχαία λάθη όσο και λάθη ριπής σε ένα πεδίο αποθήκευσης ή σε όλα τα πεδία ταυτόχρονα.
Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη μοντελοποίηση των λαθών ριπής που εμφανίζονται ταυτόχρονα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης, εξαιτίας της εφαρμογής εξωτερικών επιταχύνσεων στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα κίνησης, καθώς αυτή είναι η κύρια αιτία που μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία το σύστημα. Αναπτύχθηκε ένα πλήρες μοντέλο καναλιού λαθών ριπής που συσχετίζει την απόκλιση θέσης με την πιθανότητα εμφάνισης λαθών στα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στα πολλαπλά πεδία. Με βάση πειραματικές μετρήσεις περιγράφεται η επίδραση της διαταραχής στο κανάλι ανάγνωσης, ενώ ταυτόχρονα μοντελοποιούνται με τη χρήση διεργασιών Markov τα λάθη ριπής που εμφανίζονταισε επίπεδο συμβόλου στα διάφορα πεδία εξαιτίας της συγκεκριμένης διαταραχής. Είναι έτσι δυνατή η σε βάθος μελέτη του φυσικού μηχανισμού που εισάγει τα λάθη ριπής στα πολλαπλά πεδία, της συσχέτισης των λαθών που εμφανίζονται ταυτόχρονα στα διαφορετικά πεδία, όπως επίσης και της επίδρασης των εξωτερικών διαταραχών στη διορθωτική ικανότητα των διαδικασιών αποκωδικοποίησης.
Η μελέτη της συσχέτισης των λαθών ριπής που επηρεάζουν ταυτόχρονα τα δεδομένα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης οδήγησε στην ανάπτυξη μιας μεθόδου που εκμεταλλεύεται το χαρακτηριστικό της παράλληλης λειτουργίας των πεδίων και τη δυνατότητα επέκτασης της διορθωτικής ικανότητας των κωδίκων RS, όταν είναι γνωστή η θέση κάποιων από τα λάθη. Τα λάθη αυτά ονομάζονται erasures και η χρήση τους μπορεί να βελτιώσει την αξιοπιστία των διαδικασιών αποκωδικοποίησης χωρίς να αυξηθεί η πλεονάζουσα πληροφορία στο σύστημα. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται στην περίπτωση που η διαταραχή είναι τέτοια ώστε να οδηγεί τη διαδικασία διόρθωσης λαθών σε αποτυχία αλλά τουλάχιστον μία κωδικολέξη διορθώθηκε σωστά οπότε οι θέσεις των λαθών της είναι γνωστές. Με βάση τις γνωστές θέσεις λαθών, εκτιμάται η πιθανότητα να υπάρχει λάθος στα σύμβολα των ίδιων θέσεων στα άλλα πεδία, τα οποία όμως ανήκουν σε κωδικολέξεις που δεν ήταν δυνατό να διορθωθούν αρχικά. Τα σύμβολα με τις μεγαλύτερες πιθανότητες τίθενται ως erasures και ένας δεύτερος γύρος αποκωδικοποίησης εκτελείται. Τα αποτελέσματα για την απόδοση της μεθόδου δείχνουν ότι υπάρχει μεγάλη βελτίωση στη διορθωτική ικανότητα του συστήματος.
Συγκεντρωτικά, η παρούσα διατριβή ασχολήθηκε με τη βελτιστοποίηση της κατανομής δεδομένων σε συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας πολλαπλών πεδίων, τη μοντελοποίηση των διαφόρων τύπων λαθών που εμφανίζονται σε τέτοια συστήματα, την ανάλυση της αξιοπιστίας των διαδικασιών αποκωδικοποίησης και διεμπλοκής δεδομένων και την πρόταση μεθόδων για τη βελτίωσή της.
|
|---|
