Първият в света твърд диск, IBM RAMAC 305, представен през 1956 година, е имал капацитет от само 5 МБ данни, докато е тежал 970 кг и е бил с размери, сходни с промишлен хладилник. Съвременните корпоративни флагмани вече могат да се похвалят с капацитет от 20 ТБ. Представете си: преди 64 години, за да запишете толкова информация, биха били необходими над 4 милиона RAMAC 305, а размерите на център за данни, необходим за тяхното разполагане, биха надхвърлили 9 квадратни километра, докато днес за това е достатъчна малка кутия с тегло около 700 грама! В голяма степен това невероятно повишаване на плътността на съхранение е постигнато благодарение на усъвършенстването на методите за магнитно записване.
Трудно е да се повярва, но принципната конструкция на твърдите дискове не се променя вече почти 40 години, от 1983 година: именно тогава се появи първият 3,5-инчов винчестер RO351, разработен от шотландската компания Rodime. Този малък диск е имал две магнитни плочи по 10 МБ всяка, тоест е бил способен да съхранява два пъти повече данни от актуализирания ST-412 на 5,25 инча, произведен от Seagate в същата година за персоналните компютри IBM 5160.
Rodime RO351 — първият в света 3,5-инчов винчестер
Въпреки иновациите и компактните размери, при излизането си RO351 се е оказал практически ненужен, а всичките последващи опити на Rodime да се утвърди на пазара на винчестери са се провалили, поради което през 1991 година компанията е била принудена да прекрати дейността си, разпродавайки почти всички налични активи и съкращавайки персонала до минимум. Но Rodime не е била съдена да фалира: скоро след това към нея започнали да се обръщат най-големите производители на винчестери, желаещи да закупят лиценз за използване на патентования от шотландците форм-фактор. В момента 3,5 инча е общопризнат стандарт за производство както на потребителски HDD, така и на корпоративни хранилища.
С появата на невронните мрежи, Deep Learning и интернет на нещата (IoT), обемът на данните, създавани от човечеството, започна да нараства лавинообразно. Според оценките на аналитичната агенция IDC, до 2025 година количеството информация, генерирано както от самите хора, така и от устройствата около нас, ще достигне 175 зетабайта (1 Збайт = 1021 байт), при положение че през 2019 година този обем е бил 45 Збайта, през 2016 година — 16 Збайта, а през далечната 2006 година общият обем на данните, произведени в цялата обозрима история, не е надвишавал 0,16 (!) Збайта. Справянето с информационния взрив се подпомага от съвременни технологии, сред които значително място заемат усъвършенстваните методи за запис на данни.
LMR, PMR, CMR и TDMR: каква е разликата?
Принципът на работа на твърдите дискове е достатъчно прост. Тънки метални пластини, покрити със слой ферромагнитен материал (кристално вещество, способно да запазва намагнитването дори при отсъствие на външно магнитно поле при температура под точката на Кюри), се движат относително спрямо блока на записващите глави с голяма скорост (5400 оборота в минута или повече). При подаване на електрически ток на записващата глава възниква променливо магнитно поле, което променя посоката на вектора на намагнитване на домейните (дискретни области на веществеността) на ферромагнетика. Четенето на данни се извършва или чрез явлението електромагнитна индукция (движението на домейните спрямо сензора предизвиква появата на променлив електрически ток), или чрез гигантски магниторезистивен ефект (под действието на магнитно поле електрическото съпротивление на сензора се променя), каквото е реализирано в съвременните носители. Всеки домейн кодира един бит информация, приемаща логическата стойност «0» или «1» в зависимост от посоката на вектора на намагнитване.
Дълго време твърдите дискове използваха метода на дълговременната магнитна запись (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), при който векторът на намагнитване на домейните лежеше в равнината на магнитната плоча. Въпреки относителната простота на изпълнението, тази технология имаше съществени недостатъци: за да се преодолее коерцитивността (преходът на магнитните частици в однодоменното състояние), между траковете беше необходимо да се остави значителна буферна зона (така нареченото guard space — защитно пространство). В резултат на това максималната плътност на записа, която успяха да постигнат в края на тази технология, беше само 150 Гбит/дюйм2.
През 2010 година LMR беше практически напълно изместена от PMR (Perpendicular Magnetic Recording — перпендикулярна магнитна запис). Основната разлика между тази технология и дълговременната магнитна запис е, че векторът на магнитната ориентация на всеки домейн е разположен под ъгъл от 90° към повърхността на магнитната плоча, което значително намали интервала между траковете.
Благодарение на това плътността на записа на данни успя да се увеличи значително (до 1 Тбит/дюйм2 в съвременните устройства), като същевременно не се жертваха скоростните характеристики и надеждността на дисковете. В момента перпендикулярната магнитна запись е доминираща на пазара, поради което често я наричат CMR (Conventional Magnetic Recording — обикновена магнитна запис). Трябва да се разбира, че няма никаква разлика между PMR и CMR — това е просто друг вариант на името.
Изучавайки техническите характеристики на съвременните твърди дискове, може също да срещнете загадъчната абревиатура TDMR. В частност, тази технология се използва от корпоративни класови хранилища . От гледна точка на физиката TDMR (което се разшифрова като Two Dimensional Magnetic Recording — двумерна магнитна запис) не се различава от познатата ни PMR: както и преди, имаме работа с непересичащи се тракове, в които домейните са ориентирани перпендикулярно на равнината на магнитните плочи. Разликата между технологиите е в подхода към четенето на информация.
В блока магнитни глави на харддисковете, създадени с технологията TDMR, на всяка пишеща глава се падат по два четящи сензора, които извършват едновременно четене на данни от всеки преминат трак. Тази излишност позволява на HDD контролера ефективно да филтрира електромагнитни шумове, произтичащи от интерференция между траковете (Intertrack Interference, ITI).
Решението на проблема с ITI осигурява две изключително важни предимства:
- намаляването на координираните смущения позволява повишаване на плътността на записите, благодарение на намаляване на разстоянията между траковете, осигурявайки печалба на общ капацитет до 10% в сравнение с обикновената PMR;
- в съчетание с технологията RVS и трипозиционен микроактуатор, TDMR позволява ефективно противодействие на ротационни вибрации, предизвикани от работа на харддискове, което помага да се постигне стабилно ниво на производителност дори в най-трудни условия на експлоатация.
Какво е SMR и какво означава?
Размерите на пишещата глава са приблизително 1,7 пъти по-големи в сравнение с размерите на четящия сензор. Тази забележима разлика се обяснява лесно: ако записващият модул бъде направен още по-миниатюрен, силите на магнитното поле, които той може да генерира, ще бъдат недостатъчни за намагнитване на домените на ферромагнитния слой, което означава, че данните просто няма да се съхраняват. В случай на четящия сензор такъв проблем не възниква. Освен това: миниатюризацията му позволява допълнително да се намали влиянието на споменатата по-горе ITI върху процеса на четене на информация.
Този факт легна в основата на засенченото магнитно записване (Shingled Magnetic Recording, SMR). Нека разберем как работи това. При използване на традиционна PMR пишещата глава се премества спрямо всеки предишен трак на разстояние, равно на нейната ширина + ширината на защитното пространство (guard space).
При използване на плочковия метод на магнитно записване, записващата глава се премества напред само с част от ширината си, поради което всеки предишен трек частично се презаписва от следващия: магнитните пътища се накладыват един върху друг подобно на покривни плочки. Този подход позволява допълнително да се увеличи плътността на запис, осигурявайки увеличение на капацитета до 10%, без да се отразява на процеса на четене. Като пример можем да посочим — първите в света 3.5-инчови устройства с капацитет 20 ТБ и интерфейси SATA/SAS, появата на които стана възможна именно благодарение на новата технология на магнитното записване. Така преходът към SMR дискове позволява да се увеличи плътността на съхранение на данни в същите стелажи при минимални разходи за модернизация на IT инфраструктурата.
Въпреки това толкова значително предимство, SMR има и очевиден недостатък. Понеже магнитните тракове се накладыват един върху друг, при обновяване на данни е необходимо да се презапишат не само необходимия фрагмент, но и всички последващи трекове в пределите на магнитната пластина, чийто обем може да надвишава 2 терабайта, което е свързано с сериозно падение на производителността.
Решението на този проблем помага обединението на определен брой трекове в отделни групи, наречени зони. Въпреки че такъв подход към организацията на съхранение на данни леко намалява общата капацитет на HDD (понеже между зоните е необходимо да се запазят достатъчни интервали, които да предотвратят презаписването на трекове от съседни групи), това позволява значително да се ускори процеса на обновяване на данни, тъй като сега участие взимат само определен брой пътища.
Плочковото магнитно записване предполага няколко варианта за реализация:
- Drive Managed SMR (SMR, управляван от диска)
Основното предимство е, че не е необходимо модифициране на софтуера и/или хардуера на хоста, тъй като контролерът на HDD поема управлението на процедурата на запис на данни. Такива дискове могат да бъдат свързани към всяка система, в която има необходимия интерфейс (SATA или SAS), след което устройството веднага ще бъде готово за работа.
Недостатък на този подход е променливостта на производителността, поради която Drive Managed SMR се оказва неподходящ за корпоративни приложения, при които постоянството на производителността на системата е критично важно. Въпреки това, такива дискове показват добри резултати в сценарии, които осигуряват достатъчно време за фоново дефрагментиране на данни. Например, DMSMR-накопители , оптимизирани за работа с малки NAS с 8 слота, ще бъдат отличен избор за система за архивиране или резервно копиране, пред която стои дългосрочното съхранение на бекъпи.
- Host Managed SMR (HMSMR)
Host Managed SMR е най-предпочитаният вариант за реализация на зоновото записване за използване в корпоративна среда. В този случай за управлението на данните и операциите по четене/писане отговаря самата хост-система, която за тези цели използва разширения на интерфейсите ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) и SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), разработени от комитетите INCITS T10 и T13.
При използването на HMSMR целият наличен обем на накопителя се разделя на две типа зони: Conventional Zones (обикновени зони), които се използват за съхранение на метаданни и произволно записване (в същност, играят роля на кеш), и Sequential Write Required Zones (зони за последователно записване), които заемат голяма част от общата капацитет на твърдия диск, където данните се записват строго последователно. Неподредените данни се съхраняват в кеш зоната, откъдето могат да бъдат прехвърлени в съответната зона за последователно записване. Това гарантира, че всички физически сектори се записват последователно в радиалната посока и се презаписват само след циклично прехвърляне, което позволява да се постигне стабилна и предсказуема производителност на системата. В същото време HMSMR-дискът поддържа команди за произволно четене, подобно на устройствата, използващи стандартен PMR.
Host Managed SMR е реализирана в дискове клас enterprise .
Линията включва SATA и SAS дискове с висока капацитет, проектирани за употреба в хипермасштабни центрове за данни. Поддръжката на Host Managed SMR значително разширява приложението на тези твърди дискове: освен за системи за архивиране, те са идеални за облачни хранилища, CDN или стрийминг платформи. Високият капацитет на твърдите дискове позволява значително увеличаване на плътността на съхранение (в същите стелажи) с минимални разходи за обновление, а ниското енергийно потребление (не повече от 0,29 вата на всеки терабайт съхранена информация) и топлинното отделяне (в средно с 5 °C по-ниско от аналогичните) допълнително намаляват оперативните разходи за обслужване на ЦОД.
Единственият недостатък на HMSMR е сравнителната сложност на имплементацията. Всичко е в това, че в момента нито една операционна система или приложение не могат да работят с подобни дискове „извън кутията“, което налага сериозни изменения в софтуерния стек за адаптиране на IT инфраструктурата. На първо място, това засяга самата ОС, което в условията на съвременните ЦОД, използващи многоядрени и многосокетни сървъри, представлява доста нетривиална задача. Можете да научите повече за вариантите за реализиране на поддръжка на Host Managed SMR на специализиран ресурс , посветен на въпросите на зоналното съхранение на данни. Събраната тук информация ще помогне предварително да оцените готовността на вашата IT инфраструктура за преход към зонални системи за съхранение.
- Host Aware SMR (SMR с поддръжка от хоста)
Устройствата с поддръжка на Host Aware SMR съчетават удобството и гъвкавостта на Drive Managed SMR с висока скорост на запис от Host Managed SMR. Тези дискове са обратно съвместими с остарели системи за съхранение и могат да функционират без непосредствен контрол от страна на хоста, но в този случай, както и при работа с DMSMR дискове, производителността им става непредсказуема.
Подобно Host Managed SMR, Host Aware SMR използва два типа зони: Conventional Zones за произволно записване и Sequential Write Preferred Zones (зони, предпочитани за последователно записване). Последните, за разлика от споменатите по-горе Sequential Write Required Zones, автоматично се трансформират в обикновени, ако в тях започне да се извършва неупорядъчено записване на данни.
Реализацията на SMR с поддръжка на хоста предвижда вътрешни механизми за възстановяване след непоследователно записване. Неупорядъчените данни се записват в кеш области, от където дискът може да прехвърли информация в зоната за последователно записване, след като бъдат получени всички необходими блокове. За управление на неупорядъченото записване и фоновата дефрагментация, дискът използва таблица на индиректния достъп. Въпреки това, ако корпоративните приложения изискват предсказуема и оптимизирана производителност, това все още може да бъде постигнато само ако хостът поеме пълен контрол над всички потоци данни и зони за запис.
Източник: habr.com
