Першы ў свеце цвёрдая кружэлка, IBM RAMAC 305, які ўбачыў святло ў 1956 году, мясціў толькі 5 МБ дадзеных, а важыў пры гэтым 970 кг і па габарытах быў супастаўны з прамысловым рэфрыжэратарам. Сучасныя карпаратыўныя флагманы здольныя пахваліцца ёмістасцю ўжо ў 20 ТБ. Толькі ўявіце сабе: 64 гады таму, для таго каб запісаць такую колькасць інфармацыі, запатрабавалася б звыш 4 мільёнаў RAMAC 305, а памеры ЦАДа, неабходнага для іх размяшчэння, перавысілі б 9 квадратных кіламетраў, тады як сёння для гэтага будзе дастаткова маленькай скрыначкі вагой каля 700 грам! Шмат у чым дамагчыся гэтак неверагоднага падвышэння шчыльнасці захоўвання атрымалася дзякуючы ўдасканаленню метадаў магнітнага запісу.
У гэта складана паверыць, аднак прынцыпова канструкцыя цвёрдых кружэлак не змяняецца вось ужо амаль 40 гадоў, пачынальна з 1983 гады: менавіта тады святло ўбачыў першы 3,5-цалевы вінчэстар RO351, распрацаваны шатландскай кампаніяй Rodime. Гэты малы атрымаў дзве магнітныя пласціны па 10 МБ кожная, гэта значыць быў здольны змясціць удвая больш дадзеных, чым абноўлены ST-412 на 5,25 цалі, выпушчаны Seagate у тым жа годзе для персанальных кампутараў IBM 5160.
Rodime RO351 – першы ў свеце 3,5-цалевы вінчэстар
Нягледзячы на інавацыйнасць і кампактныя памеры, на момант выхаду RO351 апынуўся практычна нікому не патрэбен, а ўсе далейшыя спробы Rodime замацавацца на рынку вінчэстараў пацярпелі фіяска, з-за чаго ў 1991 годзе кампанія была вымушана спыніць сваю дзейнасць, распрадаўшы практычна ўсе існуючыя актывы і скараціўшы штат да мінімуму. Аднак стаць банкрутам Rodime аказалася не наканавана: у хуткім часе да яе пачалі звяртацца найбуйнейшыя вытворцы вінчэстараў, якія жадаюць набыць ліцэнзію на выкарыстанне запатэнтаванага шатландцамі формаў-фактару. У цяперашні час 3,5 цалі з'яўляецца агульнапрынятым стандартам вытворчасці як спажывецкіх HDD, так і назапашвальнікаў карпаратыўнага класа.
З з'яўленнем нейрасетак, Deep Learning і інтэрнэту рэчаў (IoT) аб'ём ствараных чалавецтвам дадзеных стаў лавінападобна расці. Паводле ацэнак аналітычнага агенцтва IDC, да 2025 года колькасць інфармацыі, якая генеруецца як самімі людзьмі, так і навакольнымі дэвайсамі, дасягне 175 зеттабайт (1 Збайт = 1021 байт), і гэта пры тым, што ў 2019-м такое складала 45 Збайт, у 2016-м - 16 Збайт, а ў далёкім 2006-м агульны аб'ём дадзеных, вырабленых за ўсю аглядную гісторыю, не перавышаў 0,16 (!) Збайт. Справіцца з інфармацыйным выбухам дапамагаюць сучасныя тэхналогіі, сярод якіх не апошняе месца займаюць удасканаленыя метады запісу даных.
LMR, PMR, CMR і TDMR: у чым розніца?
Прынцып працы цвёрдых дыскаў дастаткова просты. Тонкія металічныя пласціны, пакрытыя пластом ферамагнітнага матэрыялу (крышталічнага рэчыва, здольнага захоўваць намагнічанасць нават пры адсутнасці ўздзеяння на яго вонкавага магнітнага поля пры тэмпературы ніжэй кропкі Кюры) рухаюцца адносна блока якія пішуць галовак на вялікай хуткасці (5400 абарачэнняў у хвіліну ці больш). Пры падачы электрычнага току на пішучую галоўку ўзнікае пераменнае магнітнае поле, якое змяняе кірунак вектара намагнічанасці даменаў (дыскрэтных абласцей рэчыва) ферамагнетыка. Счытванне дадзеных адбываецца або за кошт з'явы электрамагнітнай індукцыі (перамяшчэнне даменаў адносна сэнсара выклікае ў апошнім узнікненне пераменнага электрычнага току), або за кошт гіганцкага магниторезистивного эфекту (пад дзеяннем магнітнага поля змяняецца электрычнае супраціўленне датчыка), як гэта рэалізавана ў сучасных назапашвальніках. Кожны дамен кадуе адзін біт інфармацыі, прымаючы лагічнае значэнне "0" ці "1" у залежнасці ад кірунку вектара намагнічанасці.
Доўгі час жорсткія дыскі выкарыстоўвалі метад падоўжнага магнітнага запісу (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), пры якім вектар намагнічанасці даменаў ляжаў у плоскасці магнітнай пласціны. Нягледзячы на адносную прастату рэалізацыі, дадзеная тэхналогія мела істотны недахоп: для таго каб перамагчы каэрцытыўнасць (пераход магнітных часціц у аднадаменны стан), паміж трэкамі даводзілася пакідаць вялікую буферную зону (так званае guard space – ахоўная прастора). З прычыны гэтага максімальная шчыльнасць запісу, якой удалося дабіцца на заходзе дадзенай тэхналогіі, складала ўсяго 150 Гбіт / дзюйм2.
У 2010 годзе LMR была практычна цалкам выцесненая PMR (Perpendicular Magnetic Recording – перпендыкулярны магнітны запіс). Галоўнае адрозненне дадзенай тэхналогіі ад падоўжнага магнітнага запісу складаецца ў тым, што вектар магнітнай скіраванасці кожнага дамена размяшчаецца пад кутом 90° да паверхні магнітнай пласціны, што дазволіла істотна скараціць прамежак паміж трэкамі.
За рахунак гэтага шчыльнасць запісу дадзеных атрымалася прыкметна павялічыць (да 1 Тбіт/цаля2 у сучасных прыладах), пры гэтым не ахвяруючы хуткаснымі характарыстыкамі і надзейнасцю вінчэстараў. У цяперашні час перпендыкулярная магнітная запіс з'яўляецца дамінантнай на рынку, у сувязі з чым яе таксама часта называюць CMR (Conventional Magnetic Recording - звычайны магнітны запіс). Пры гэтым трэба разумець, што паміж PMR і CMR няма роўным рахункам ніякай розніцы - гэта ўсяго толькі іншы варыянт назвы.
Вывучаючы тэхнічныя характарыстыкі сучасных цвёрдых кружэлак, вы таксама можаце натыкнуцца на загадкавую абрэвіятуру TDMR. У прыватнасці, дадзеную тэхналогію выкарыстоўваюць назапашвальнікі карпаратыўнага класа. . З пункту гледжання фізікі TDMR (што расшыфроўваецца як Two Dimensional Magnetic Recording – двухмерны магнітны запіс) нічым не адрозніваецца ад звыклай нам PMR: як і раней, мы маем справу з неперасякальнымі трэкамі, дамены ў якіх арыентаваны перпендыкулярна плоскасці магнітных пласцін. Розніца паміж тэхналогіямі заключаецца ў падыходзе да счытвання інфармацыі.
У блоку магнітных галовак вінчэстараў, створаных па тэхналогіі TDMR, на кожную пішучую галоўку прыпадаюць па два счытвальных сэнсара, якія ажыццяўляюць адначасовае чытанне дадзеных з кожнага пройдзенага трэка. Такая надмернасць дае магчымасць кантролеру HDD эфектыўна фільтраваць электрамагнітныя шумы, з'яўленне якіх абумоўлена міжтрэкавай інтэрферэнцыяй (Intertrack Interference, ITI).
Рашэнне праблемы з ITI забяспечвае дзве надзвычай важныя перавагі:
- зніжэнне каэфіцыента перашкод дазваляе павысіць шчыльнасць запісу за кошт памяншэння адлегласці паміж трэкамі, забяспечваючы выйгрыш па агульнай ёмістасці аж да 10% у параўнанні са звычайнай PMR;
- у спалучэнні з тэхналогіяй RVS і трехпозиционным мікраактуатарам, TDMR дазваляе эфектыўна супрацьстаяць ратацыйнай вібрацыі, выкліканай працай вінчэстараў, што дапамагае дабіцца стабільнага ўзроўню прадукцыйнасці нават у найбольш складаных умовах эксплуатацыі.
Што такое SMR і з чым яго ядуць?
Памеры пішучай галоўкі прыкладна ў 1,7 разы больш у параўнанні з памерамі счытвальнай сэнсара. Гэтак вялікая розніца тлумачыцца досыць проста: калі які запісвае модуль зрабіць яшчэ больш мініятурным, сілы магнітнага поля, якое ён зможа генераваць, апынецца нядосыць для намагнічвання даменаў ферамагнітнага пласта, а значыць, дадзеныя папросту не будуць захоўвацца. У выпадку са счытвальным сэнсарам такой праблемы не ўзнікае. Больш за тое: яго мініяцюрызацыя дазваляе дадаткова знізіць уплыў згаданай вышэй ITI на працэс счытвання інфармацыі.
Дадзены факт лёг у аснову чарапічнага магнітнага запісу (Shingled Magnetic Recording, SMR). Давайце разбірацца, як гэта працуе. Пры выкарыстанні традыцыйнага PMR пішучая галоўка ссоўваецца адносна кожнага папярэдняга трэка на адлегласць, роўнае яе шырыні + шырыня ахоўнай прасторы (guard space).
Пры выкарыстанні чарапічнага метаду магнітнага запісу пішучая галоўка ссоўваецца наперад толькі на частку сваёй шырыні, таму кожны папярэдні трэк апыняецца часткова перазапісаны наступным: магнітныя дарожкі накладваюцца сябар на сябра падобна дахавай чарапіцы. Такі падыход дазваляе дадаткова павысіць шчыльнасць запісу, забяспечваючы выйгрыш па ёмістасці да 10%, пры гэтым не адбіваючыся на працэсе чытання. У якасці прыкладу можна прывесці – першыя ў свеце 3.5-цалевыя назапашвальнікі аб'ёмам 20 ТБ з інтэрфейсам SATA / SAS, з'яўленне якіх стала магчымым менавіта дзякуючы новай тэхналогіі магнітнага запісу. Такім чынам, пераход на SMR-дыскі дазваляе падвысіць шчыльнасць захоўвання дадзеных у тых жа стойках пры мінімальных выдатках на мадэрнізацыю IT-інфраструктуры.
Нягледзячы на гэтак значную перавагу, SMR мае і відавочны недахоп. Паколькі магнітныя дарожкі накладваюцца сябар на сябра, пры абнаўленні дадзеных запатрабуецца перазапіс не толькі патрабаванага фрагмента, але і ўсіх наступных трэкаў у межах магнітнай пласціны, аб'ём якой можа перавышаць 2 тэрабайта, што багата сур'ёзным падзеннем прадукцыйнасці.
Вырашыць дадзеную праблему дапамагае аб'яднанне вызначанай колькасці трэкаў у адасобленыя групы, званыя зонамі. Хоць такі падыход да арганізацыі захоўвання дадзеных некалькі змяншае агульную ёмістасць HDD (паколькі паміж зонамі неабходна захоўваць дастатковыя прамежкі, якія перашкаджаюць перазапісу трэкаў з суседніх груп), гэта дазваляе істотна паскорыць працэс абнаўлення дадзеных, бо зараз у ім удзельнічае толькі абмежаваную колькасць дарожак.
Чарапічны магнітны запіс мяркуе некалькі варыянтаў рэалізацыі:
- Drive Managed SMR (SMR, кіраваная дыскам)
Асноўнай яе перавагай з'яўляецца адсутнасць неабходнасці ў мадыфікацыі праграмнага і/або апаратнага забеспячэння хаста, паколькі кіраванне працэдурай запісу дадзеных бярэ на сябе кантролер HDD. Такія дыскі могуць быць падлучаныя да любой сістэмы, у якой прысутнічае неабходны інтэрфейс (SATA ці SAS), пасля чаго назапашвальнік будзе адразу готаў да працы.
Недахоп гэтага падыходу складаецца ў зменлівасці ўзроўня прадукцыйнасці, у сувязі з чым Drive Managed SMR апыняецца непадыходнай для карпаратыўных прыкладанняў, у якіх сталасць хуткадзейнасці сістэмы з'яўляецца крытычна важным параметрам. Тым не менш такія дыскі добра паказваюць сябе ў сцэнарах, якія прадстаўляюць дастатковы час для выканання фонавай дэфрагментацыі дадзеных. Так, напрыклад, DMSMR-назапашвальнікі , Аптымізаваныя для выкарыстання ў складзе малых NAS на 8 адсекаў, стануць выдатным выбарам для сістэмы архівавання або рэзервовага капіявання, якая прадугледжвае доўгачасовае захоўванне бэкапаў.
- Host Managed SMR (SMR, кіраваная хастом)
Host Managed SMR - найболей пераважны варыянт рэалізацыі чарапічнага запісу для выкарыстання ў карпаратыўным асяроддзі. У дадзеным выпадку за кіраванне струменямі дадзеных і аперацыямі чытання/запісы адказвае сама хост-сістэма, якая задзейнічае для гэтых мэт пашырэння інтэрфейсаў ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) і SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), распрацаваныя камітэтамі INCITS T10 і T13 .
Пры выкарыстанні HMSMR увесь даступны аб'ём назапашвальніка падзяляецца на зоны двух тыпаў: Conventional Zones (звычайныя зоны), якія выкарыстоўваюцца для захоўвання метададзеных і адвольнага запісу (па сутнасці, гуляюць ролю кэша), і Sequential Write Required Zones (зоны паслядоўнага запісу), якія займаюць вялікую частка агульнай ёмістасці цвёрдай кружэлкі, у якіх дадзеныя запісваюцца строга паслядоўна. Неўпарадкаваныя дадзеныя захоўваюцца ў вобласці кэшавання, адкуль затым могуць быць перанесены ў адпаведную зону паслядоўнага запісу. Дзякуючы гэтаму ўсе фізічныя сектары запісваюцца паслядоўна ў радыяльным кірунку і перазапісваюцца толькі пасля цыклічнага пераносу, што дазваляе дабіцца стабільнай і прадказальнай прадукцыйнасці сістэмы. Пры гэтым HMSMR-дыскі падтрымліваюць каманды адвольнага чытання аналагічна назапашвальнікам, якія выкарыстоўваюць стандартны PMR.
Host Managed SMR рэалізавана ў цвёрдых дысках enterprise-класа .
Лінейка ўключае ў сябе SATA-і SAS-назапашвальнікі высокай ёмістасці, арыентаваныя на выкарыстанне ў складзе гіпермаштабных цэнтраў апрацоўкі дадзеных. Падтрымка Host Managed SMR істотна пашырае сферу прымянення такіх вінчэстараў: акрамя сістэм рэзервовага капіявання, яны выдатна падыдуць для хмарных сховішчаў, CDN або стрымінгавых платформаў. Высокая ёмістасць жорсткіх дыскаў дазваляе істотна павысіць шчыльнасць захоўвання (у тых жа стойках) пры мінімальных выдатках на апгрэйд, а нізкае энергаспажыванне (не больш за 0,29 Ват на кожны тэрабайт захаванай інфармацыі) і цеплавыдзяленне (у сярэднім на 5 ° C ніжэй, чым у аналагаў) - дадаткова скараціць аперацыйныя выдаткі на абслугоўванне ЦАДа.
Адзіным недахопам HMSMR з'яўляецца параўнальная складанасць імплементацыі. Уся справа ў тым, што на сённяшні дзень ні адна аперацыйная сістэма або прыкладанне не ўмеюць працаваць з падобнымі назапашвальнікамі "са скрынкі", у сілу чаго для адаптацыі IT-інфраструктуры патрабуюцца сур'ёзныя змены стэка праграмнага забеспячэння. У першую чаргу гэта тычыцца, вядома ж, самай АС, што ва ўмовах сучасных ЦАД, якія выкарыстоўваюць шмат'ядравыя і шматсокетныя серверы, з'яўляецца дастаткова нетрывіяльнай задачай. Даведацца падрабязней пра варыянты рэалізацыі падтрымкі Host Managed SMR можна на спецыялізаваным рэсурсе , прысвечаным пытанням занальнага захоўвання дадзеных. Сабраныя тут звесткі дапамогуць папярэдне ацаніць ступень гатоўнасці вашай IT-інфраструктуры для пераводу на занальныя сістэмы захоўвання.
- Host Aware SMR (SMR, якая падтрымліваецца хастом)
Прылады з падтрымкай Host Aware SMR спалучаюць у сабе зручнасць і гнуткасць Drive Managed SMR і высокую хуткасць запісу Host Managed SMR. Такія назапашвальнікі зваротна сумяшчальныя з састарэлымі сістэмамі захоўвання і могуць функцыянаваць без непасрэднага кантролю са боку хаста, аднак у гэтым выпадку, як і пры працы з DMSMR-дыскамі, іх прадукцыйнасць становіцца непрадказальнай.
Падобна Host Managed SMR, Host Aware SMR выкарыстае два тыпу зон: Conventional Zones для адвольнага запісу і Sequential Write Preferred Zones (зоны, пераважныя для паслядоўнага запісу). Апошнія, у адрозненне ад згаданых вышэй Sequential Write Required Zones, аўтаматычна пераводзяцца ў разрад звычайных у тым выпадку, калі ў іх пачынае весціся неўпарадкаваны запіс дадзеных.
Рэалізацыя SMR з падтрымкай хаста прадугледжвае ўнутраныя механізмы аднаўлення пасля непаслядоўнага запісу. Неўпарадкаваныя дадзеныя запісваюцца ў вобласці кэшавання, адкуль кружэлка можа пераносіць інфармацыю ў зону паслядоўнага запісу, пасля таго як будуць атрыманы ўсе неабходныя блокі. Для кіравання неўпарадкаваным запісам і фонавай дэфрагментацыяй дыск выкарыстоўвае табліцу ўскоснага звароту. Аднак, калі карпаратыўным прыкладанням патрабуецца прадказальная і аптымізаваная прадукцыйнасць, дасягнуць гэтага па-ранейшаму можна толькі ў выпадку, калі хост бярэ на сябе поўнае кіраванне ўсімі плынямі дадзеных і зонамі запісу.
Крыніца: habr.com