Prvi čvrsti disk na svijetu, IBM RAMAC 305, objavljen 1956. godine, sadržavao je samo 5 MB podataka, težio je 970 kg i bio je uporediv po veličini s industrijskim hladnjakom. Moderni korporativni vodeći modeli mogu se pohvaliti kapacitetom od 20 TB. Zamislite samo: prije 64 godine, da bi se zabilježila ova količina informacija, bilo bi potrebno preko 4 miliona RAMAC-a 305, a veličina podatkovnog centra potrebna za njihov smještaj premašila bi 9 kvadratnih kilometara, dok bi danas mala kutija teška oko 700 grama! Na mnogo načina, ovo neverovatno povećanje gustine skladištenja je postignuto zahvaljujući poboljšanjima metoda magnetnog snimanja.
Teško je povjerovati, ali osnovni dizajn tvrdih diskova nije se mijenjao skoro 40 godina, počevši od 1983.: tada je prvi 3,5-inčni hard disk RO351, razvijen od strane škotske kompanije Rodime, ugledao svjetlo dana. Ova beba je imala dvije ploče od 10MB, što znači da je mogla držati dvostruko više podataka od Seagateovog ažuriranog 412-inčnog ST-5,25, koji je iste godine izašao za IBM 5160 personalni računar.
Rodime RO351 - prvi čvrsti disk na svetu od 3,5 inča
Uprkos svojoj inovativnosti i kompaktnoj veličini, RO351 se u trenutku puštanja u prodaju pokazao praktički beskorisnim nikome, a svi daljnji pokušaji Rodimea da se učvrsti na tržištu hard diskova su propali, zbog čega je 1991. godine kompanija bila prisiljena da prestane sa svojim aktivnostima, rasprodajući gotovo svu postojeću imovinu i svodeći osoblje na minimum. Međutim, Rodimeu nije suđeno da bankrotira: ubrzo su ga počeli kontaktirati najveći proizvođači hard diskova, koji su željeli kupiti licencu za korištenje faktora oblika koji su patentirali Škoti. Trenutno je 3,5 inča općeprihvaćeni standard za proizvodnju i potrošačkih HDD-a i pogona poslovne klase.
Sa pojavom neuronskih mreža, dubokog učenja i interneta stvari (IoT), količina podataka koju je stvorilo čovječanstvo počela je eksponencijalno rasti. Prema procjenama analitičke agencije IDC, do 2025. godine količina informacija koju generiraju i sami ljudi i uređaji oko nas dostići će 175 zetabajta (1 zbajt = 1021 bajt), i to uprkos činjenici da je 2019. to iznosilo 45 zbajta. , u 2016. godini - 16 Zbajta, a još 2006. godine ukupna količina proizvedenih podataka tokom čitave posmatrane istorije nije prelazila 0,16 (!) Zbajta. Moderne tehnologije pomažu u suočavanju sa eksplozijom informacija, među kojima su i poboljšane metode snimanja podataka.
LMR, PMR, CMR i TDMR: Koja je razlika?
Princip rada tvrdih diskova je prilično jednostavan. Tanke metalne ploče presvučene slojem feromagnetnog materijala (kristalna tvar koja može ostati magnetizirana čak i kada nije izložena vanjskom magnetskom polju na temperaturama ispod Curie tačke) pomiču se u odnosu na jedinicu glave za pisanje velikom brzinom (5400 okretaja u minuti ili više). Kada se električna struja dovede na glavu za pisanje, nastaje naizmjenično magnetno polje, koje mijenja smjer vektora magnetizacije domena (diskretnih područja materije) feromagneta. Očitavanje podataka nastaje ili zbog fenomena elektromagnetne indukcije (pomicanje domena u odnosu na senzor uzrokuje pojavu naizmjenične električne struje u potonjem), ili zbog ogromnog magnetorezistivnog efekta (pod utjecajem magnetskog polja električni otpor promjene senzora), kao što je implementirano u modernim pogonima. Svaki domen kodira jedan bit informacije, uzimajući logičku vrijednost "0" ili "1" ovisno o smjeru vektora magnetizacije.
Dugo vremena su tvrdi diskovi koristili metodu longitudinalnog magnetnog snimanja (LMR), u kojoj je vektor magnetizacije domena ležao u ravni magnetne ploče. Unatoč relativnoj jednostavnosti implementacije, ova tehnologija je imala značajan nedostatak: da bi se prevladala koercitivnost (prijelaz magnetnih čestica u jednodomeno stanje), između staze. Kao rezultat toga, maksimalna gustina snimanja koja je postignuta na kraju ove tehnologije bila je samo 150 Gbit/inch2.
Godine 2010. LMR je gotovo u potpunosti zamijenjen PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Glavna razlika između ove tehnologije i longitudinalnog magnetskog snimanja je u tome što se vektor magnetskog smjera svake domene nalazi pod uglom od 90° u odnosu na površinu magnetne ploče, što je značajno smanjilo razmak između staza.
Zbog toga je značajno povećana gustina snimanja podataka (do 1 Tbit/in2 u savremenim uređajima), bez žrtvovanja karakteristika brzine i pouzdanosti hard diskova. Trenutno, okomito magnetno snimanje dominira tržištem, zbog čega se često naziva i CMR (Konvencionalno magnetno snimanje). Istovremeno, morate shvatiti da nema apsolutno nikakve razlike između PMR-a i CMR-a - to je samo drugačija verzija imena.
Dok proučavate tehničke karakteristike modernih tvrdih diskova, možete naići i na misterioznu skraćenicu TDMR. Konkretno, ovu tehnologiju koriste pogoni poslovne klase . Sa stajališta fizike, TDMR (što je skraćenica za dvodimenzionalno magnetno snimanje) se ne razlikuje od uobičajenog PMR-a: kao i prije, imamo posla sa stazama koje se ne ukrštaju, čiji su domeni orijentirani okomito na ravan magnetskog polja. ploče. Razlika između tehnologija leži u pristupu čitanju informacija.
U bloku magnetnih glava tvrdih diskova kreiranih pomoću TDMR tehnologije, svaka glava za pisanje ima dva senzora za čitanje koji istovremeno čitaju podatke sa svake prođene staze. Ova redundantnost omogućava HDD kontroleru da efikasno filtrira elektromagnetnu buku, čija je pojava uzrokovana interferencijom između staza (ITI).
Rješavanje problema ITI pruža dvije izuzetno važne prednosti:
- smanjenje faktora šuma omogućava vam da povećate gustinu snimanja smanjenjem udaljenosti između staza, pružajući povećanje ukupnog kapaciteta do 10% u poređenju sa konvencionalnim PMR-om;
- U kombinaciji sa RVS tehnologijom i tropoložajnim mikroaktuatorom, TDMR se efikasno odupire rotacionim vibracijama uzrokovanim čvrstim diskovima, pomažući u postizanju konzistentnih nivoa performansi čak iu najizazovnijim radnim uslovima.
Šta je SMR i sa čime se jede?
Veličina glave za pisanje je otprilike 1,7 puta veća u odnosu na veličinu senzora za čitanje. Ovako impresivna razlika može se jednostavno objasniti: ako je modul za snimanje još minijaturniji, jačina magnetnog polja koju može generirati neće biti dovoljna da magnetizira domene feromagnetnog sloja, što znači da će podaci jednostavno ne biti pohranjen. U slučaju senzora za očitavanje, ovaj problem se ne pojavljuje. Štaviše: njegova minijaturizacija omogućava dalje smanjenje uticaja gore pomenutog ITI na proces čitanja informacija.
Ova činjenica je bila osnova magnetnog snimanja s šindrom (SMR). Hajde da shvatimo kako to funkcioniše. Kada se koristi tradicionalni PMR, glava za pisanje se pomjera u odnosu na svaku prethodnu stazu za razmak jednaku njegovoj širini + širini zaštitnog prostora.
Kada se koristi metoda magnetnog snimanja u pločicama, glava za pisanje pomiče se naprijed samo dijelom svoje širine, tako da se svaka prethodna traka djelimično prepisuje sljedećim: magnetne trake se preklapaju jedna s drugom poput crijepova. Ovaj pristup vam omogućava da dodatno povećate gustinu snimanja, obezbeđujući povećanje kapaciteta do 10%, bez uticaja na proces čitanja. Primjer je - prvi 3.5-inčni diskovi na svijetu od 20 TB sa SATA/SAS interfejsom, čiji je izgled omogućen zahvaljujući novoj tehnologiji magnetnog snimanja. Dakle, prelazak na SMR diskove vam omogućava da povećate gustinu skladištenja podataka u istim rekovima uz minimalne troškove za nadogradnju IT infrastrukture.
Uprkos tako značajnoj prednosti, SMR ima i očigledan nedostatak. Budući da se magnetne staze međusobno preklapaju, ažuriranje podataka će zahtijevati ponovno pisanje ne samo potrebnog fragmenta, već i svih narednih staza unutar magnetne ploče, čiji volumen može premašiti 2 terabajta, što može dovesti do ozbiljnog pada performansi.
Ovaj problem se može riješiti kombinovanjem određenog broja staza u zasebne grupe koje se nazivaju zonama. Iako ovakav pristup organizaciji skladištenja podataka donekle smanjuje ukupni kapacitet HDD-a (budući da je potrebno održavati dovoljne praznine između zona kako bi se spriječilo prepisivanje staza iz susjednih grupa), može značajno ubrzati proces ažuriranja podataka, jer sada u njemu je uključen samo ograničen broj pjesama.
Magnetsko snimanje pločica uključuje nekoliko opcija implementacije:
- Drive Managed SMR
Njegova glavna prednost je u tome što nema potrebe za modifikacijom host softvera i/ili hardvera, budući da HDD kontroler preuzima kontrolu nad procedurom snimanja podataka. Takvi diskovi se mogu povezati na bilo koji sistem koji ima potreban interfejs (SATA ili SAS), nakon čega će disk biti odmah spreman za upotrebu.
Nedostatak ovog pristupa je u tome što se nivoi performansi razlikuju, što SMR upravlja pogonom čini neprikladnim za poslovne aplikacije gdje su dosljedne performanse sistema kritične. Međutim, takvi pogoni dobro rade u scenarijima koji omogućavaju dovoljno vremena za defragmentaciju podataka u pozadini. Na primjer, DMSMR diskovi , optimizovan za upotrebu kao deo malog NAS-a sa 8 ležišta, biće odličan izbor za sistem arhiviranja ili rezervne kopije koji zahteva dugotrajno skladištenje rezervnih kopija.
- Host Managed SMR
Host Managed SMR je preferirana implementacija popločanog snimanja za upotrebu u poslovnom okruženju. U ovom slučaju, sam host sistem je odgovoran za upravljanje tokovima podataka i operacijama čitanja/pisanja, koristeći u ove svrhe ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) i SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) ekstenzije interfejsa koje je razvio INCITS T10 i T13 komisije .
Kada se koristi HMSMR, cjelokupni raspoloživi kapacitet za pohranu diska podijeljen je u dvije vrste zona: konvencionalne zone, koje se koriste za pohranjivanje metapodataka i nasumičnih snimanja (u suštini igraju ulogu keš memorije) i zone potrebne za sekvencijalno upisivanje, koje zauzimaju veliki dio ukupnog kapaciteta tvrdog diska u koji se podaci upisuju striktno sekvencijalno. Podaci koji nisu u redu pohranjeni su u području keš memorije, odakle se zatim mogu prenijeti u odgovarajuću oblast za sekvencijalno upisivanje. Ovo osigurava da se svi fizički sektori upisuju sekvencijalno u radijalnom smjeru i da se ponovno pišu tek nakon cikličkog prijenosa, što rezultira stabilnim i predvidljivim performansama sistema. U isto vrijeme, HMSMR pogoni podržavaju nasumične komande čitanja na isti način kao i pogoni koji koriste standardni PMR.
Host Managed SMR implementiran je u hard diskove poslovne klase .
Linija uključuje SATA i SAS diskove velikog kapaciteta dizajnirane za upotrebu u hiperscale data centrima. Podrška za Host Managed SMR značajno proširuje obim primjene ovakvih tvrdih diskova: pored backup sistema, savršeni su za skladištenje u oblaku, CDN ili streaming platforme. Veliki kapacitet tvrdih diskova omogućava vam da značajno povećate gustinu skladištenja (u istim regalima) uz minimalne troškove nadogradnje, nisku potrošnju energije (ne više od 0,29 vati po terabajtu pohranjenih informacija) i rasipanje topline (u prosjeku 5 °C niže od analoga) - dodatno smanjuju operativne troškove održavanja data centra.
Jedini nedostatak HMSMR-a je relativna složenost implementacije. Stvar je u tome da danas nijedan operativni sistem ili aplikacija ne može da radi sa ovakvim diskovima iz kutije, zbog čega su potrebne ozbiljne izmene softverskog steka da bi se prilagodila IT infrastruktura. Prije svega, to se, naravno, odnosi na sam OS, što je u uvjetima modernih podatkovnih centara koji koriste višejezgrene i višesocket servere prilično netrivijalan zadatak. Možete saznati više o opcijama za implementaciju Host Managed SMR podrške na specijalizovanom resursu , posvećen pitanjima zonskog skladištenja podataka. Ovdje prikupljene informacije pomoći će vam da preliminarno ocijenite spremnost vaše IT infrastrukture za prijenos na zonske sisteme za pohranu podataka.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Host Aware SMR uređaji kombinuju praktičnost i fleksibilnost Drive Managed SMR sa visokim brzinama pisanja Host Managed SMR. Ovi diskovi su kompatibilni sa starim sistemima za skladištenje podataka i mogu da rade bez direktne kontrole od strane hosta, ali u ovom slučaju, kao i kod DMSMR disk jedinica, njihove performanse postaju nepredvidive.
Poput Host Managed SMR, Host Aware SMR koristi dvije vrste zona: konvencionalne zone za nasumično upisivanje i preferirane zone sekvencijalnog pisanja. Potonje se, za razliku od gore navedenih zona zahtijevanog sekvencijalnog pisanja, automatski prebacuju u kategoriju regularnih ako počnu da bilježe podatke van reda.
Implementacija SMR-a svjesna hosta pruža interne mehanizme za oporavak od nekonzistentnog upisivanja. Podaci koji nisu u redu upisuju se u područje keš memorije, odakle disk može prenijeti informacije u područje sekvencijalnog pisanja nakon što su svi potrebni blokovi primljeni. Disk koristi tabelu indirekcije za upravljanje neredovnim pisanjem i defragmentacijom u pozadini. Međutim, ako poslovne aplikacije zahtijevaju predvidljive i optimizirane performanse, to se i dalje može postići samo ako host preuzme potpunu kontrolu nad svim tokovima podataka i zonama snimanja.
izvor: www.habr.com