أول محرك أقراص صلبة في العالم ، IBM RAMAC 305 ، الذي تم إصداره في عام 1956 ، احتوى على 5 ميجا بايت فقط من البيانات ، ووزنه 970 كجم وكان حجمه مشابهًا للثلاجة الصناعية. يمكن أن تتباهى الشركات الرائدة الحديثة بسعة 20 تيرابايت بالفعل. فقط تخيل: قبل 64 عامًا ، من أجل تسجيل هذه الكمية من المعلومات ، كان من الممكن أن يستغرق الأمر أكثر من 4 ملايين RAMAC 305 ، وكان حجم مركز البيانات اللازم لاستيعابها يتجاوز 9 كيلومترات مربعة ، بينما اليوم صغير علبة تزن حوالي 700 جرام! من نواح كثيرة ، تم تحقيق هذه الزيادة المذهلة في كثافة التخزين بفضل تحسين طرق التسجيل المغناطيسي.
من الصعب تصديق ذلك ، لكن تصميم محركات الأقراص الثابتة بشكل أساسي لم يتغير منذ ما يقرب من 40 عامًا ، منذ عام 1983: في ذلك الوقت ، شهد أول محرك أقراص ثابتة مقاس 3,5 بوصة RO351 ، طورته شركة Rodime الاسكتلندية ، الضوء. تلقى هذا الطفل لوحين مغناطيسيين كل منهما 10 ميغا بايت ، أي أنه كان قادرًا على الاحتفاظ بضعف كمية البيانات التي تم تحديثها بحجم 412 بوصة ST-5,25 ، والتي أصدرتها Seagate في نفس العام لأجهزة الكمبيوتر الشخصية IBM 5160.
Rodime RO351 - أول قرص صلب 3,5 بوصة في العالم
على الرغم من الابتكار والحجم الصغير ، في وقت إصدار 351 ريال عماني ، لم يكن أحد بحاجة إليها تقريبًا ، وفشلت جميع المحاولات الأخرى التي قام بها Rodime لكسب موطئ قدم في سوق محركات الأقراص الثابتة ، ولهذا السبب اضطرت الشركة إلى وقف عملياتها في عام 1991 ، بعد بيع جميع الأصول الموجودة تقريبًا وتقليص الحالة إلى الحد الأدنى. ومع ذلك ، لم يكن من المقرر أن تفلس Rodime: سرعان ما بدأت أكبر الشركات المصنعة للقرص الصلب في اللجوء إليها ، راغبة في الحصول على ترخيص لاستخدام عامل الشكل الحاصل على براءة اختراع من قبل الاسكتلنديين. 3,5 "هو الآن معيار الصناعة لكل من محركات الأقراص الثابتة للمستهلكين والمؤسسات.
مع ظهور الشبكات العصبية والتعلم العميق وإنترنت الأشياء (IoT) ، بدأ حجم البيانات التي أنشأتها البشرية في النمو مثل الانهيار الجليدي. وفقًا لتقديرات الوكالة التحليلية IDC ، بحلول عام 2025 ، ستصل كمية المعلومات الناتجة عن كل من الأشخاص أنفسهم والأجهزة من حولنا إلى 175 زيتابايت (1 Zbyte = 1021 بايت) ، وهذا على الرغم من حقيقة أنه في عام 2019 كان 45 زيتابايت. Zbytes ، في 2016 - 16 Zbytes ، وفي عام 2006 ، لم يتجاوز إجمالي كمية البيانات التي تم إنتاجها في التاريخ المنظور بأكمله 0,16 (!) Zbytes. تساعد التقنيات الحديثة في التعامل مع انفجار المعلومات ، ومن بينها طرق تسجيل البيانات المحسنة ليست الأخيرة.
ما الفرق بين LMR و PMR و CMR و TDMR؟
مبدأ تشغيل محركات الأقراص الصلبة بسيط للغاية. تتحرك الألواح المعدنية الرقيقة المطلية بطبقة من مادة مغناطيسية (مادة بلورية يمكن أن تظل ممغنطة حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي عند درجة حرارة أقل من نقطة كوري) بالنسبة إلى كتلة رؤوس التسجيل بسرعة عالية (5400 دورة في الدقيقة أو أكثر). عندما يتم تطبيق تيار كهربائي على رأس الكتابة ، ينشأ مجال مغناطيسي متناوب ، والذي يغير اتجاه متجه مغنطة المجالات (مناطق منفصلة من المادة) للمغناطيس الحديدي. تحدث قراءة البيانات إما بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي (تتسبب حركة المجالات المتعلقة بالمستشعر في حدوث تيار كهربائي متناوب في الأخير) ، أو بسبب تأثير المقاومة المغناطيسية العملاقة (تتغير المقاومة الكهربائية للمستشعر تحت تأثير المجال المغناطيسي) ، كما هو مطبق في أجهزة التخزين الحديثة. يقوم كل مجال بتشفير بت واحد من المعلومات ، مع أخذ القيمة المنطقية "0" أو "1" اعتمادًا على اتجاه متجه المغنطة.
لفترة طويلة ، استخدمت محركات الأقراص الثابتة طريقة التسجيل المغناطيسي الطولي (LMR) ، حيث يكمن متجه مغنطة المجال في مستوى الطبق المغناطيسي. على الرغم من السهولة النسبية للتنفيذ ، كان لهذه التكنولوجيا عيب كبير: من أجل التغلب على الإكراه (انتقال الجسيمات المغناطيسية إلى حالة ذات مجال واحد) ، يجب ترك منطقة عازلة رائعة (ما يسمى بمساحة الحراسة) بين المسارات. نتيجة لذلك ، كانت أقصى كثافة تسجيل تم تحقيقها في نهاية هذه التقنية 150 جيجابت / بوصة 2 فقط.
في عام 2010 ، تم استبدال LMR بالكامل تقريبًا بـ PMR (التسجيل المغناطيسي العمودي - التسجيل المغناطيسي العمودي). يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هذه التقنية والتسجيل المغناطيسي الطولي في أن ناقل الاتجاه المغناطيسي لكل مجال يقع بزاوية 90 درجة على سطح اللوحة المغناطيسية ، مما جعل من الممكن تقليل الفجوة بين المسارات بشكل كبير.
نتيجة لذلك ، تمت زيادة كثافة تسجيل البيانات بشكل كبير (حتى 1 تيرابايت / بوصة 2 في الأجهزة الحديثة) ، مع عدم التضحية بخصائص السرعة وموثوقية محركات الأقراص الثابتة. في الوقت الحالي ، يعد التسجيل المغناطيسي العمودي هو السائد في السوق ، ولهذا السبب غالبًا ما يشار إليه أيضًا باسم CMR (التسجيل المغناطيسي التقليدي - التسجيل المغناطيسي التقليدي). في الوقت نفسه ، يجب على المرء أن يفهم أنه لا يوجد فرق على الإطلاق بين PMR و CMR - هذه مجرد نسخة مختلفة من الاسم.
عند النظر إلى مواصفات محركات الأقراص الثابتة الحديثة ، قد تصادف أيضًا الاختصار المشفر TDMR. على وجه الخصوص ، يتم استخدام هذه التقنية بواسطة محركات أقراص من فئة المؤسسات . من وجهة نظر الفيزياء ، لا يختلف TDMR (الذي يرمز إلى التسجيل المغناطيسي ثنائي الأبعاد - التسجيل المغناطيسي ثنائي الأبعاد) عن PMR المعتاد: كما في السابق ، نحن نتعامل مع مسارات غير متقاطعة ، وهي المجالات التي يتم توجيهها بشكل عمودي على مستوى الألواح المغناطيسية. يكمن الاختلاف بين التقنيات في نهج قراءة المعلومات.
في كتلة الرؤوس المغناطيسية لمحركات الأقراص الصلبة التي تم إنشاؤها باستخدام تقنية TDMR ، يحتوي كل رأس تسجيل على مستشعرين للقراءة يقرآن في وقت واحد البيانات من كل مسار تم تمريره. يسمح هذا التكرار لوحدة التحكم في محرك الأقراص الثابتة بتصفية الضوضاء الكهرومغناطيسية الناتجة عن تداخل التداخل (ITI) بشكل فعال.
يوفر حل مشكلة ITI فائدتين مهمتين للغاية:
- يسمح تقليل عامل الضوضاء بزيادة كثافة التسجيل عن طريق تقليل المسافة بين المسارات ، مما يوفر زيادة في السعة الإجمالية تصل إلى 10٪ مقارنةً بـ PMR التقليدي ؛
- إلى جانب تقنية RVS والمشغل الصغير ثلاثي المواضع ، فإن TDMR تقاوم بفعالية الاهتزاز الدوراني الناتج عن محركات الأقراص الثابتة ، مما يساعد على تحقيق مستويات ثابتة من الأداء حتى في أكثر البيئات تطلبًا.
ما هو SMR وماذا يؤكل؟
تبلغ أبعاد رأس الكتابة حوالي 1,7 مرة أكبر من أبعاد مستشعر القراءة. يتم شرح هذا الاختلاف المثير للإعجاب بكل بساطة: إذا كانت وحدة التسجيل أكثر تصغيرًا ، فلن تكون قوة المجال المغناطيسي الذي يمكن أن تولده كافية لجذب مجالات الطبقة المغناطيسية الحديدية ، مما يعني أن البيانات ببساطة لن تكون كذلك. يتم التخزين. في حالة مستشعر القراءة ، لا تظهر هذه المشكلة. علاوة على ذلك ، فإن تصغيرها يجعل من الممكن تقليل تأثير ITI المذكور أعلاه على عملية قراءة المعلومات.
شكلت هذه الحقيقة أساس التسجيل المغناطيسي المبلط (التسجيل المغناطيسي المتشابك ، SMR). دعونا نفهم كيف يعمل. عند استخدام PMR التقليدي ، يتم إزاحة رأس الكتابة بالنسبة إلى كل مسار سابق بمسافة تساوي عرضه + عرض مساحة الحماية (مساحة الحماية).
عند استخدام طريقة التجانب للتسجيل المغناطيسي ، يتحرك رأس التسجيل للأمام فقط لجزء من عرضه ، لذلك يتم استبدال كل مسار سابق جزئيًا بالمسار التالي: تتداخل المسارات المغناطيسية مع بعضها البعض مثل بلاط السقف. يتيح هذا الأسلوب إمكانية زيادة كثافة التسجيل بشكل أكبر ، مما يوفر زيادة في السعة تصل إلى 10٪ ، مع عدم التأثير على عملية القراءة. مثال - أول محركات أقراص مقاس 3.5 بوصة بسعة 20 تيرابايت في العالم بواجهة SATA / SAS ، والتي أصبح ظهورها ممكنًا بفضل تقنية التسجيل المغناطيسي الجديدة. وبالتالي ، يتيح لك الانتقال إلى أقراص SMR زيادة كثافة تخزين البيانات في نفس الرفوف بأقل تكلفة لترقية البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات.
على الرغم من هذه الميزة الكبيرة ، فإن SMR لها عيب واضح. نظرًا لأن المسارات المغناطيسية تتداخل مع بعضها البعض ، عند تحديث البيانات ، سيكون من الضروري إعادة كتابة ليس فقط الجزء المطلوب ، ولكن أيضًا جميع المسارات اللاحقة داخل الطبق المغناطيسي ، والتي يمكن أن يتجاوز حجمها 2 تيرابايت ، وهو أمر محفوف بانخفاض خطير في الأداء.
يساعد دمج عدد معين من المسارات في مجموعات منفصلة تسمى المناطق في حل هذه المشكلة. على الرغم من أن هذا النهج لتخزين البيانات يقلل إلى حد ما من السعة الإجمالية لمحرك الأقراص الصلبة (حيث يجب الحفاظ على فجوات كافية بين المناطق لمنع الكتابة فوق المسارات من المجموعات المجاورة) ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تسريع عملية تحديث البيانات بشكل كبير ، نظرًا لأنه لا يوجد سوى عدد محدود من المسارات الآن شارك فيه.
يتضمن التسجيل المغناطيسي المبلط عدة خيارات للتنفيذ:
- محرك SMR المُدار (SMR المُدار بواسطة Drive)
ميزته الرئيسية هي أنه ليست هناك حاجة لتعديل البرامج و / أو الأجهزة الخاصة بالمضيف ، حيث أن وحدة التحكم في محرك الأقراص الثابتة تتولى التحكم في إجراء تسجيل البيانات. يمكن توصيل محركات الأقراص هذه بأي نظام يحتوي على الواجهة المطلوبة (SATA أو SAS) ، وبعد ذلك سيكون محرك الأقراص جاهزًا للاستخدام على الفور.
عيب هذا النهج هو تباين الأداء ، مما يجعل Drive Managed SMR غير مناسب لتطبيقات المؤسسة حيث يكون تناسق أداء النظام أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك ، تعمل هذه الأقراص بشكل جيد في السيناريوهات التي تتيح وقتًا كافيًا لإكمال إلغاء تجزئة بيانات الخلفية. لذلك ، على سبيل المثال ، محركات DMSMR تم تحسينه للاستخدام في NAS الصغيرة ذات 8 فتحات ، وهو خيار ممتاز لنظام الأرشفة أو النسخ الاحتياطي الذي يتطلب تخزينًا احتياطيًا طويل المدى.
- SMR المدار المضيف (SMR المدار المضيف)
Host Managed SMR هو التطبيق الأكثر تفضيلاً لاستخدام المؤسسات. في هذه الحالة ، يكون النظام المضيف نفسه مسؤولاً عن إدارة تدفقات البيانات وعمليات القراءة / الكتابة ، وذلك باستخدام امتدادات واجهات ATA (Zoned Device ATA Command Set، ZAC) و SCSI (Zoned Block Commands، ZBC) التي تم تطويرها بواسطة لجنتا INCITS T10 و T13.
عند استخدام HMSMR ، يتم تقسيم سعة التخزين المتاحة بالكامل إلى نوعين من المناطق: المناطق التقليدية (المناطق العادية) ، والتي تُستخدم لتخزين البيانات الوصفية والتسجيل التعسفي (في الواقع ، تلعب دور ذاكرة التخزين المؤقت) ، ومناطق الكتابة المتسلسلة المطلوبة (مناطق الكتابة المتسلسلة) ، والتي تشغل جزءًا كبيرًا من السعة الإجمالية للقرص الصلب ، حيث يتم تسجيل البيانات بشكل تسلسلي صارم. يتم تخزين البيانات غير المرتبة في منطقة ذاكرة التخزين المؤقت ، حيث يمكن بعد ذلك نقلها إلى منطقة الكتابة المتسلسلة المقابلة. نتيجة لذلك ، تتم كتابة جميع القطاعات المادية بالتتابع في الاتجاه الشعاعي ولا يتم الكتابة فوقها إلا بعد الالتفاف ، مما يسمح لك بتحقيق أداء نظام مستقر ويمكن التنبؤ به. في الوقت نفسه ، تدعم محركات HMSMR أوامر القراءة العشوائية المشابهة لمحركات الأقراص التي تستخدم PMR القياسي.
يتم تنفيذ SMR المدار من قِبل المضيف في محركات الأقراص الثابتة من فئة المؤسسات .
يشتمل الخط على محركات أقراص SATA و SAS عالية السعة مصممة للاستخدام في مراكز البيانات الفائقة النطاق. يعمل دعم Host Managed SMR على توسيع نطاق محركات الأقراص الثابتة هذه بشكل كبير: بالإضافة إلى أنظمة النسخ الاحتياطي ، فهي مثالية للتخزين السحابي أو CDN أو منصات البث. تسمح لك السعة العالية لمحركات الأقراص الثابتة بزيادة كثافة التخزين بشكل كبير (في نفس الرفوف) مع الحد الأدنى من تكاليف الترقية ، واستهلاك منخفض للطاقة (أقل من 0,29 وات لكل تيرابايت من المعلومات المخزنة) وتبديد الحرارة (في المتوسط 5 درجات مئوية أقل من نظائرها) - تقليل تكاليف التشغيل للحفاظ على مركز البيانات.
العيب الوحيد لـ HMSMR هو التعقيد المقارن للتنفيذ. الشيء هو أنه لا يوجد نظام تشغيل أو تطبيق واحد اليوم يمكنه العمل مع محركات الأقراص هذه خارج الصندوق ، وهذا هو السبب في أن التغييرات الرئيسية في حزمة البرامج مطلوبة لتكييف البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات. بادئ ذي بدء ، يتعلق هذا ، بالطبع ، بنظام التشغيل نفسه ، والذي يعد في ظروف مراكز البيانات الحديثة التي تستخدم خوادم متعددة النواة ومتعددة المقابس مهمة غير تافهة إلى حد ما. يمكنك معرفة المزيد حول خيارات تنفيذ الدعم لـ Host Managed SMR على مورد متخصص. مخصصة لقضايا تخزين البيانات في المنطقة. ستساعدك المعلومات التي تم جمعها هنا على التقييم المبدئي لمدى استعداد البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات لديك للانتقال إلى أنظمة التخزين المخصصة.
- Host Aware SMR (SMR مدعوم من قبل المضيف)
تجمع الأجهزة التي تدعم Host Aware SMR بين راحة ومرونة Drive Managed SMR مع سرعة التسجيل السريعة لـ Host Managed SMR. هذه المحركات متوافقة مع أنظمة التخزين القديمة ويمكن أن تعمل بدون تحكم مباشر من المضيف ، ولكن في هذه الحالة ، كما هو الحال مع محركات DMSMR ، يصبح أداؤها غير متوقع.
مثل Host Managed SMR ، يستخدم Host Aware SMR نوعين من المناطق: المناطق التقليدية للكتابة العشوائية والمناطق المفضلة للكتابة المتسلسلة (المناطق المفضلة للتسجيل المتسلسل). الأخير ، على عكس مناطق الكتابة التسلسلية المطلوبة المذكورة أعلاه ، يتم نقلها تلقائيًا إلى فئة المناطق العادية إذا بدأت في كتابة البيانات بطريقة غير مرتبة.
يوفر تطبيق SMR المدرك للمضيف آليات داخلية للتعافي من عمليات الكتابة غير المتسقة. تتم كتابة البيانات العشوائية في منطقة ذاكرة التخزين المؤقت ، حيث يمكن للقرص نقل المعلومات إلى منطقة الكتابة المتسلسلة بعد استلام جميع الكتل الضرورية. يستخدم محرك الأقراص جدول المراسلات لإدارة عمليات الكتابة الواردة وإلغاء تجزئة الخلفية. ومع ذلك ، إذا كان الأداء المتوقع والأمثل مطلوبًا لتطبيقات المؤسسة ، فلا يزال من الممكن تحقيق ذلك فقط عندما يتحكم المضيف بشكل كامل في جميع تدفقات البيانات ومناطق الكتابة.
المصدر: www.habr.com