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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob es möglich und sinnvoll ist ein Solid State Drive (SSD) als Cache für eine herkömmliche magnetscheibenbasierte Festplatte zu nutzen.
In aktuellen Rechnersystemen stellt häufig der Massenspeicher in Form einer Festplatte den Flaschenhals des Systems dar. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Festplatten auf Grund ihres mechanischen Aufbaus eine Zugriffszeit haben, die um mehrere Größenordnungen schlechter ist als die der nächsten Stufe in der Speicherhierarchie – dem Arbeitsspeicher. Um dieses Problem zu beseitigen, wurde in den letzten Jahren halbleiterbasierter Massenspeicher als Ersatz für Festplatten eingeführt, der dieses Defizit nicht besitzt. Diese Laufwerke werden unter der Bezeichnung SSD vermarktet. SSDs haben jedoch den Nachteil, dass die Kosten pro Byte wesentlich über denen von Festplatten liegen. Darum ist mit einer vollständigen Substitution von Festplatten durch SSDs in den kommenden Jahren kaum zu rechnen.
Die momentane Situation, die daraus resultiert, ist die, dass Anwender häufig genutzte Daten auf einer meist kleinen SSD speichern und die restlichen Daten auf einer langsameren Festplatte. Dieses Vorgehen ist für den Nutzer jedoch sehr umständlich. Deshalb wird in dieser Arbeit die Nutzung von SSDs als transparenter Cache für Festplatten vorgeschlagen. Dadurch würde nur ein geringes Eingreifen des Nutzers erforderlich sein und es ihm trotzdem ermöglicht, die Vorteile von SSDs zu nutzen.
Es werden im Verlauf dieser Arbeit dafür zunächst die technischen Grundlagen von Festplatten und SSDs dargestellt und andere Arbeiten betrachtet, die ein ähnliches Konzept verfolgen bzw. für die praktische Realisierung des Cache von Bedeutung sind. Auf Grundlage dieser technischen und theoretischen Rahmenbedingungen wird eine konkrete Problem- und Aufgabenstellung formuliert. Basierend auf dieser wird eine Architektur für einen blockbasierten Cache vorgeschlagen, deren konkrete Implementierung ebenfalls in dieser Arbeit beispielhaft dargestellt wird. Mit Hilfe dieser Beispielimplementierung wurden für diese Arbeit Simulationen und Messungen durchgeführt. Sie ermöglichen es die Frage zu beantworten, ob es sinnvoll ist, eine SSD als Cache zu nutzen. Somit wird abschließend diese Fragestellung anhand der gewonnenen Messergebnisse unter den Gesichtspunkten der Leistungssteigerung und des zusätzlichen Ressourcenverbrauchs durch den Cache diskutiert.
This thesis discusses whether it is feasible and reasonable to use a solid-state drive (SSD) as cache for a traditional magnet platter based hard disk drive.
The mass storage realized through a hard disk drive is often the bottleneck in current computers. The reason for that is that the access time of a hard disk drive is several magnitudes inferior to the one of the next layer in the memory hierarchy – the main memory – due to its mechanical nature. To tackle this issue, semiconductor-based mass storage that does not display this disadvantage was introduced in recent years as a replacement for hard disk drives. This type of storage is marketed as solid-state drives. However, SSDs have the disadvantage that the cost per byte is much higher in comparison to hard disks. Because of this, the complete replacement of hard disk drives by solid-state drives cannot be expected in the near future.
That results in the current situation where users store the most frequently used data on a small SSD and the remaining data on a slower hard disk drive.This approach is cumbersome for the end user. In order to overcome this issue, this thesis proposes the use of SSDs as a transparent cache for hard disk drives. This would require only a small degree of intervention by the user and would still enable him or her to experience the benefits of SSDs.
The thesis is of the following structure. It starts with a discussion of the technological background of hard disk and solid-state drives followed by the presentation of related works and concepts relevant to the topic of this thesis. Based on this background, a precise research question is established. To answer it, the thesis continues with the proposition of an architecture for a block-based cache and discusses an actual implementation of this architecture. On the basis of this implementation, extensive simulations and measurements were possible and the scientific question of this thesis is discussed thoroughly by the means of their results.
