Αποκωδικοποίηση, διεμπλοκή και κατανομή δεδομένων σε συστήματα αποθήκευσης πληροφοριών με χρήση πολλαπλών πεδίων

Abstract

A new research area in storage technologies investigates the use of Atomic Force Microscopy (AFM) techniques, where nanometer-sharp tips image and alter the structure of materials down to the atomic scale, to create data storage devices capable of storing data with much higher density than conventional ones. To achieve high data rates, microelectro-mechanical-systems (MEMS) with arrays of probes operating simultaneously are used, with each probe performing read/write operations in a dedicated storage field. The user data (sectors) are partitioned into equal parts, each of which is stored in a different field. To deal with errors, a combination of Reed-Solomon (RS) error correction codes and appropriate interleaving circuits is used In the cases, where it is not possible to allocate the same number of data in all storage fields, the gaps are filled with zero padding symbols, reducing the storage efficiency of the device, especially when the number of fields is large. The thesis proposes an optimal data allocation method that eliminates the unnecessary information, and therefore maximizes the storage efficiency of the device. These storage systems are prone to burst errors, both in a single field and in all fields concurrently. The thesis provides the necessary mathematical models and equations for the calculation of the correct sector retrieval probability for all types of errors that may affect the system and investigates the effect of the various system parameters on the system's reliability. The main source of errors that can lead the system to failure is the burst errors that occur simultaneously in all storage fields, due to the application of external disturbances to the entire system. The thesis presents a complete burst errors channel model, which describes the correlation between the deviations in the movement of the probes and the probability of error appearance in the data stored in the multiple fields. Experimental data are used to describe the effect of the disturbance on the reading channel. Regarding this type of burst errors, the thesis proposes a new method for improving the error correction scheme. The method exploits the simultaneous operation of the probes and the extension of the error correction capability of the RS codes, when the position of a number of errors, called erasures, is known. The results regarding the performance of the method show that there is a big improvement in the error correction capability of the system.

Ένα νέο πεδίο έρευνας στις τεχνολογίες αποθήκευσης δεδομένων ασχολείται με τη χρήση των τεχνικών Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης (AFM), οπού μικροσκοπικές ακίδες (probes) με πολύ αιχμηρές άκρες παρατηρούν και τροποποιούν επιφάνειες σε ατομικό επίπεδο, για τη δημιουργία συσκευών ικανών να αποθηκεύουν δεδομένα με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα σε σχέση με τις συμβατικές. Για την επίτευξη υψηλού ρυθμού δεδομένων, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομηχανικά συστήματα πολύ μικρής κλίμακας (MEMS) αποτελούμενα από probes που λειτουργούν ταυτόχρονα, καθένα εκτελώντας λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης σε μια αφιερωμένη περιοχή του μέσου αποθήκευσης, που ονομάζεται πεδίο αποθήκευσης. Τα δεδομένα του χρήστη (sector) μοιράζονται σε ισόποσα μέρη ίσα με το πλήθος των πεδίων. Για την αντιμετώπιση λαθών χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός κωδίκων διόρθωσης λαθών RS και κυκλωμάτων διεμπλοκής. Στις περιπτώσεις που δεν είναι εφικτή η τοποθέτηση του ίδιου αριθμού δεδομένων σε όλα τα πεδία, στα πεδία όπου υπάρχει κενό χρησιμοποιούνται μηδενικά σύμβολα (padding), μειώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα αποθήκευσης της συσκευής, ειδικά για μεγάλο αριθμό πεδίων. Η διατριβή προτείνει έναν βέλτιστο τρόπο κατανομής δεδομένων που εξαλείφει τα συμπληρωματικά σύμβολα, μεγιστοποιώντας τη δυνατότητα αποθήκευσης της συσκευής. Τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή σε λάθη ριπής τόσο σε ένα πεδίο όσο και σε πολλά πεδία ταυτόχρονα. Η διατριβή δίνει το σύνολο των μαθηματικών μοντέλων και σχέσεων για τον υπολογισμό της πιθανότητας σωστής ανάκτησης sector για όλες τις περιπτώσεις λαθών που μπορεί να εμφανιστούν και διερευνά την επίδραση των διαφόρων παραμέτρων του συστήματος στην αξιοπιστία του. Η κύρια αίτια που μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία το σύστημα είναι τα λάθη ριπής που εμφανίζονται ταυτόχρονα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης, εξαιτίας της εφαρμογής εξωτερικών επιταχύνσεων στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα κίνησης. Η διατριβή παρουσιάζει ένα πλήρες μοντέλο καναλιού λαθών ριπής που συσχετίζει την απόκλιση θέσης με την πιθανότητα εμφάνισης λαθών στα δεδομένα των πολλαπλών πεδίων. Η επίδραση της διαταραχής στο κανάλι ανάγνωσης περιγράφεται με βάση πειραματικές μετρήσεις. Για αυτή την περίπτωση λαθών ριπής, προτείνεται μια μέθοδος ενίσχυσης των διαδικασιών αποκωδικοποίησης που εκμεταλλεύεται την παράλληλη λειτουργία των πεδίων και την επέκταση της διορθωτικής ικανότητας των κωδίκων RS, όταν είναι γνωστή η θέση κάποιων λαθών (erasures). Τα αποτελέσματα για την απόδοση της μεθόδου δείχνουν ότι υπάρχει μεγάλη βελτίωση στην αξιοπιστία.