Технологии за магнитно записване на твърди дискове: просто за комплекса

Първият твърд диск в света, IBM RAMAC 305, който беше пуснат през 1956 г., съдържаше само 5 MB данни и тежеше 970 kg и беше сравним по размер с индустриален хладилник. Съвременните корпоративни флагмани могат да се похвалят с капацитет от вече 20 TB. Само си представете: преди 64 години, за да се запише това количество информация, са били необходими повече от 4 милиона RAMAC 305, а размерът на центъра за данни, необходим за тяхното настаняване, би надхвърлил 9 квадратни километра, докато днес малък кутия с тегло около 700 грама! В много отношения това невероятно увеличение на плътността на съхранение е постигнато благодарение на подобряването на методите за магнитно записване.
Трудно е да се повярва, но принципно дизайнът на твърдите дискове не се е променил почти 40 години, от 1983 г. насам: тогава първият 3,5-инчов твърд диск RO351, разработен от шотландската компания Rodime, видя светлината. Това бебе получи две магнитни плочи по 10 MB всяка, тоест успя да побере два пъти повече данни от актуализирания 412-инчов ST-5,25, пуснат от Seagate през същата година за персоналните компютри IBM 5160.

Rodime RO351 - първият в света 3,5-инчов твърд диск

Въпреки иновативността и компактния размер, по време на пускането на RO351 почти никой не се нуждаеше от него и всички по-нататъшни опити на Rodime да стъпи на пазара на твърди дискове се провалиха, поради което компанията беше принудена да прекрати дейността си през 1991 г., след като продаде почти всички съществуващи активи и намали държавата до минимум. Въпреки това, Rodime не беше предопределено да фалира: скоро най-големите производители на твърди дискове започнаха да се обръщат към нея, желаейки да придобият лиценз за използване на форм-фактора, патентован от шотландците. 3,5" вече е индустриален стандарт както за потребителски, така и за корпоративни твърди дискове.

С навлизането на невронните мрежи, Deep Learning и Интернет на нещата (IoT), обемът от данни, създадени от човечеството, започна да расте лавинообразно. Според изчисленията на аналитичната агенция IDC до 2025 г. количеството информация, генерирана както от самите хора, така и от устройствата около нас, ще достигне 175 зетабайта (1 Zbyte = 1021 байта) и това въпреки факта, че през 2019 г. беше 45 Zbytes, през 2016 г. - 16 Zbytes, а през 2006 г. общото количество данни, произведени в цялата предвидима история, не надвишава 0,16 (!) Zbytes. Съвременните технологии помагат да се справят с информационния взрив, сред които подобрените методи за запис на данни не са на последно място.

LMR, PMR, CMR и TDMR: каква е разликата?

Принципът на работа на твърдите дискове е доста прост. Тънки метални пластини, покрити със слой от феромагнитен материал (кристално вещество, което може да остане намагнетизирано дори при липса на външно магнитно поле при температура под точката на Кюри), се движат спрямо блока от записващи глави с висока скорост (5400 об./мин. или Повече ▼). Когато се приложи електрически ток към пишещата глава, възниква променливо магнитно поле, което променя посоката на вектора на намагнитване на домейните (дискретни области на материята) на феромагнетика. Четенето на данни възниква или поради феномена на електромагнитната индукция (движението на домейни спрямо сензора причинява появата на променлив електрически ток в последния), или поради гигантския магниторезистивен ефект (електрическото съпротивление на сензора се променя под въздействието на влияние на магнитно поле), както се прилага в съвременните устройства за съхранение. Всеки домейн кодира един бит информация, приемайки логическата стойност "0" или "1" в зависимост от посоката на вектора на намагнитване.

Дълго време твърдите дискове използваха метода на надлъжно магнитно записване (LMR), при който векторът на намагнитване на домейна лежеше в равнината на магнитната плоча. Въпреки относителната лекота на внедряване, тази технология имаше значителен недостатък: за да се преодолее коерцитивността (преходът на магнитни частици към състояние с един домейн), трябваше да се остави впечатляваща буферна зона (така нареченото защитно пространство) между писти. В резултат на това максималната плътност на запис, която беше постигната в края на тази технология, беше само 150 Gb/in2.

През 2010 г. LMR беше почти напълно заменен от PMR (Perpendicular Magnetic Recording - перпендикулярен магнитен запис). Основната разлика между тази технология и надлъжния магнитен запис е, че векторът на магнитната насоченост на всеки домейн е разположен под ъгъл от 90° спрямо повърхността на магнитната плоча, което направи възможно значително намаляване на разстоянието между пистите.

Поради това плътността на запис на данни е значително увеличена (до 1 Tbit / inch2 в съвременните устройства), без да се жертват характеристиките на скоростта и надеждността на твърдите дискове. В момента перпендикулярният магнитен запис е доминиращ на пазара, поради което често се нарича CMR (Conventional Magnetic Recording - конвенционален магнитен запис). В същото време трябва да се разбере, че няма абсолютно никаква разлика между PMR и CMR - това е просто различна версия на името.

Когато разглеждате спецификациите на съвременните твърди дискове, може да срещнете и загадъчното съкращение TDMR. По-специално, тази технология се използва от устройства от корпоративен клас Western Digital Ultrastar 500 Series. От гледна точка на физиката, TDMR (което означава Two Dimensional Magnetic Recording - двумерен магнитен запис) не се различава от обичайния PMR: както преди, имаме работа с непресичащи се писти, домейни, в които са ориентирани перпендикулярно към равнината на магнитните плочи. Разликата между технологиите е в подхода за четене на информация.

В блока от магнитни глави на твърди дискове, създаден с помощта на технологията TDMR, всяка записваща глава има два сензора за четене, които едновременно четат данни от всяка премината песен. Това резервиране позволява на HDD контролера ефективно да филтрира електромагнитния шум, причинен от Intertrack Interference (ITI).

Решаването на проблема с ITI осигурява две изключително важни предимства:

1. намаляването на шумовия фактор позволява да се увеличи плътността на записа чрез намаляване на разстоянието между песните, осигурявайки печалба в общия капацитет до 10% в сравнение с конвенционалния PMR;
2. Комбиниран с RVS технология и трипозиционен микрозадвижващ механизъм, TDMR ефективно се противопоставя на ротационните вибрации, причинени от твърдите дискове, като помага за постигане на постоянни нива на производителност дори в най-взискателните среди.

Какво е SMR и с какво се яде?

Размерите на пишещата глава са около 1,7 пъти по-големи от размерите на сензора за четене. Такава впечатляваща разлика се обяснява съвсем просто: ако записващият модул е ​​направен още по-миниатюрен, силата на магнитното поле, което може да генерира, няма да бъде достатъчна, за да магнетизира домейните на феромагнитния слой, което означава, че данните просто няма да да се съхраняват. В случай на сензор за четене този проблем не възниква. Освен това неговата миниатюризация позволява допълнително да се намали влиянието на споменатите по-горе ITI върху процеса на четене на информация.

Този факт е в основата на магнитния запис с плочки (Singled Magnetic Recording, SMR). Нека разберем как работи. Когато се използва традиционен PMR, пишещата глава се измества спрямо всяка предишна песен на разстояние, равно на нейната ширина + ширината на защитното пространство (предпазно пространство).

Когато се използва методът на магнитен запис с плочки, записващата глава се движи напред само с част от ширината си, така че всяка предишна песен се презаписва частично от следващата: магнитните песни се припокриват една друга като керемиди. Този подход дава възможност за по-нататъшно увеличаване на плътността на записа, осигурявайки увеличаване на капацитета до 10%, без да засяга процеса на четене. Пример е Western Digital Ultrastar DC HC 650 — първите в света 3.5-инчови 20 TB дискове с интерфейс SATA/SAS, чиято поява стана възможна благодарение на новата технология за магнитен запис. По този начин преходът към SMR дискове ви позволява да увеличите плътността на съхранение на данни в същите стелажи с минимални разходи за надграждане на ИТ инфраструктурата.

Въпреки такова значително предимство, SMR има очевиден недостатък. Тъй като магнитните песни се припокриват една друга, при актуализиране на данни ще е необходимо да се презапише не само необходимия фрагмент, но и всички следващи песни в рамките на магнитната плоча, чийто обем може да надвишава 2 терабайта, което е изпълнено със сериозен спад в изпълнение.

Комбинирането на определен брой песни в отделни групи, наречени зони, помага за решаването на този проблем. Въпреки че този подход за съхранение на данни намалява донякъде общия капацитет на HDD (тъй като трябва да се поддържат достатъчно празнини между зоните, за да се предотврати презаписването на песни от съседни групи), това може значително да ускори процеса на актуализиране на данните, тъй като сега само ограничен брой песни участват в него.

Магнитният запис с плочки включва няколко опции за изпълнение:

• Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)

Основното му предимство е, че не е необходимо да се модифицира софтуерът и/или хардуерът на хоста, тъй като HDD контролерът поема контрола върху процедурата за запис на данни. Такива устройства могат да бъдат свързани към всяка система, която има необходимия интерфейс (SATA или SAS), след което устройството веднага ще бъде готово за употреба.

Недостатъкът на този подход е променливостта на производителността, което прави Drive Managed SMR неподходящ за корпоративни приложения, където последователността на производителността на системата е критична. Такива дискове обаче се представят добре в сценарии, които позволяват достатъчно време за завършване на дефрагментирането на фоновите данни. Така например, DMSMR дискове WD RedОптимизиран за използване в малки NAS с 8 отделения, той е отличен избор за система за архивиране или архивиране, която изисква дългосрочно съхранение на резервни копия.

• SMR, управляван от хост (SMR, управляван от хост)

Управляваният от хоста SMR е най-предпочитаното внедряване на плочки за корпоративна употреба. В този случай самата хост система е отговорна за управлението на потоците от данни и операциите за четене/запис, използвайки за тези цели разширенията на ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) и SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) интерфейси, разработени от комисиите INCITS T10 и T13.

Когато се използва HMSMR, целият наличен капацитет за съхранение е разделен на два типа зони: конвенционални зони (обикновени зони), които се използват за съхраняване на метаданни и произволен запис (всъщност играят ролята на кеш) и зони, изискващи последователно записване (sequential write zones), които заемат голяма част от общия капацитет на твърдия диск, в който данните се записват строго последователно. Неподредените данни се съхраняват в областта на кеша, откъдето след това могат да бъдат прехвърлени към съответната зона за последователно записване. Поради това всички физически сектори се записват последователно в радиална посока и се презаписват само след обвиване, което ви позволява да постигнете стабилна и предвидима производителност на системата. В същото време устройствата HMSMR поддържат команди за произволно четене, подобни на устройствата, използващи стандартен PMR.

SMR, управляван от хост, внедрен в твърди дискове от корпоративен клас Western Digital Ultrastar HC DC 600 Series.

Линията включва SATA и SAS устройства с голям капацитет, предназначени за използване в хипермащабни центрове за данни. Поддръжката на Host Managed SMR значително разширява обхвата на такива твърди дискове: в допълнение към системите за архивиране, те са идеални за облачно съхранение, CDN или стрийминг платформи. Големият капацитет на твърдите дискове ви позволява значително да увеличите плътността на съхранение (в едни и същи стелажи) с минимални разходи за надграждане и ниска консумация на енергия (по-малко от 0,29 вата на терабайт съхранена информация) и разсейване на топлината (средно с 5 °C по-ниско от аналози) — допълнително намаляване на оперативните разходи за поддръжка на центъра за данни.

Единственият недостатък на HMSMR е сравнителната сложност на изпълнение. Работата е там, че днес нито една операционна система или приложение не може да работи с такива устройства извън кутията, поради което са необходими големи промени в софтуерния стек за адаптиране на ИТ инфраструктурата. На първо място, това се отнася, разбира се, за самата операционна система, която в условията на съвременни центрове за данни, използващи многоядрени и многосокетни сървъри, е доста нетривиална задача. Можете да научите повече за опциите за внедряване на поддръжка за Host Managed SMR на специализиран ресурс. ZonedStorage.ioпосветен на въпросите на зоналното съхранение на данни. Събраната тук информация ще ви помогне да оцените предварително готовността на вашата ИТ инфраструктура за преминаване към зонирани системи за съхранение.

• Host Aware SMR (SMR се поддържа от хоста)

Устройствата с Host Aware SMR съчетават удобството и гъвкавостта на Drive Managed SMR с бързата скорост на запис на Host Managed SMR. Такива устройства са обратно съвместими с наследени системи за съхранение и могат да функционират без директен контрол от хоста, но в този случай, както при DMSMR устройствата, тяхната производителност става непредвидима.

Подобно на Host Managed SMR, Host Aware SMR използва два типа зони: конвенционални зони за произволни записи и предпочитани зони за последователно записване (зони, предпочитани за последователно записване). Последните, за разлика от посочените по-горе зони за последователно записване, автоматично се прехвърлят в категорията на обикновените, ако започнат да записват данни по неподреден начин.

Хост-съзнателното изпълнение на SMR осигурява вътрешни механизми за възстановяване от непоследователни записи. Произволни данни се записват в областта на кеша, откъдето дискът може да прехвърли информация в зоната за последователен запис, след като са получени всички необходими блокове. Устройството използва таблица за ненасочване, за да управлява пореден запис и фоново дефрагментиране. Въпреки това, ако се изисква предсказуема и оптимизирана производителност за корпоративни приложения, това все още може да бъде постигнато само когато хостът поеме пълен контрол върху всички потоци от данни и зони за запис.

Източник: www.habr.com