El primer disc dur del món, l'IBM RAMAC 305, que es va llançar el 1956, contenia només 5 MB de dades, pesava 970 kg i era comparable en mida a una nevera industrial. Els vaixells insígnia corporatius moderns poden comptar amb una capacitat de ja 20 TB. Imagineu-vos: fa 64 anys, per registrar aquesta quantitat d'informació, caldrien més de 4 milions de RAMAC 305, i la mida del centre de dades necessari per acollir-los, hauria superat els 9 quilòmetres quadrats, mentre que avui dia un petit caixa d'uns 700 grams de pes! En molts aspectes, aquest increïble augment de la densitat d'emmagatzematge s'ha aconseguit gràcies a la millora dels mètodes d'enregistrament magnètic.
Costa de creure, però fonamentalment el disseny dels discs durs no ha canviat des de fa gairebé 40 anys, des del 1983: va ser aleshores quan va veure la llum el primer disc dur de 3,5 polzades RO351, desenvolupat per l'empresa escocesa Rodime. Aquest nadó va rebre dues plaques magnètiques de 10 MB cadascuna, és a dir, va poder contenir el doble de dades que l'actualitzat ST-412 de 5,25 polzades, llançat per Seagate el mateix any per als ordinadors personals IBM 5160.
Rodime RO351: el primer disc dur de 3,5 polzades del món
Malgrat la innovació i la mida compacta, en el moment del llançament del RO351, gairebé ningú el necessitava, i tots els intents posteriors de Rodime d'introduir-se en el mercat dels discs durs van fracassar, motiu pel qual l'empresa es va veure obligada a cessar les seves operacions. el 1991, després d'haver venut gairebé tots els actius existents i reduint l'estat al mínim. No obstant això, Rodime no estava destinada a fer fallida: aviat els majors fabricants de discs durs van començar a recórrer a ella, desitjant adquirir una llicència per utilitzar el factor de forma patentat pels escocesos. 3,5" és ara l'estàndard de la indústria tant per a discs durs de consum com per a empreses.
Amb l'arribada de les xarxes neuronals, l'aprenentatge profund i l'Internet de les coses (IoT), el volum de dades creades per la humanitat ha començat a créixer com una allau. Segons les estimacions de l'agència analítica IDC, l'any 2025 la quantitat d'informació generada tant per les mateixes persones com pels dispositius que ens envolten arribarà als 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes), i això malgrat que el 2019 era de 45 bytes. Zbytes, el 2016 - 16 Zbytes, i el 2006, la quantitat total de dades produïdes en tot l'historial previsible no va superar els 0,16 (!) Zbytes. Les tecnologies modernes ajuden a fer front a l'explosió de la informació, entre les quals els mètodes d'enregistrament de dades millorats no són els últims.
LMR, PMR, CMR i TDMR: quina diferència hi ha?
El principi de funcionament dels discs durs és bastant simple. Les plaques fines metàl·liques recobertes d'una capa de material ferromagnètic (una substància cristal·lina que pot romandre magnetitzada fins i tot en absència d'un camp magnètic extern a una temperatura per sota del punt de Curie) es mouen respecte al bloc de capçals d'enregistrament a gran velocitat (5400 rpm o més). Quan s'aplica un corrent elèctric al capçal d'escriptura, sorgeix un camp magnètic altern, que canvia la direcció del vector de magnetització dels dominis (regions discretes de la matèria) del ferroimant. La lectura de dades es produeix ja sigui pel fenomen d'inducció electromagnètica (el moviment dels dominis en relació al sensor provoca l'aparició d'un corrent elèctric altern en aquest últim), o bé per l'efecte magnetoresistiu gegant (la resistència elèctrica del sensor canvia sota el influència d'un camp magnètic), tal com s'implementa en els dispositius d'emmagatzematge moderns. Cada domini codifica un bit d'informació, prenent el valor lògic "0" o "1" depenent de la direcció del vector de magnetització.
Durant molt de temps, els discs durs van utilitzar el mètode d'enregistrament magnètic longitudinal (LMR), en què el vector de magnetització del domini es trobava al pla del plat magnètic. Malgrat la relativa facilitat d'implementació, aquesta tecnologia tenia un inconvenient important: per superar la coercivitat (la transició de les partícules magnètiques a un estat de domini únic), s'havia de deixar una impressionant zona tampó (l'anomenat espai de guàrdia) entre pistes. Com a resultat, la densitat màxima d'enregistrament que es va aconseguir al final d'aquesta tecnologia va ser només de 150 Gb/in2.
El 2010, LMR va ser substituït gairebé completament per PMR (Enregistrament magnètic perpendicular - enregistrament magnètic perpendicular). La principal diferència d'aquesta tecnologia amb l'enregistrament magnètic longitudinal és que el vector de directivitat magnètica de cada domini es troba en un angle de 90 ° amb la superfície de la placa magnètica, cosa que va permetre reduir significativament la bretxa entre pistes.
A causa d'això, la densitat de gravació de dades s'ha augmentat significativament (fins a 1 Tbit / polzada2 en dispositius moderns), sense sacrificar les característiques de velocitat i la fiabilitat dels discs durs. En l'actualitat, l'enregistrament magnètic perpendicular és dominant al mercat, per això també s'anomena CMR (Enregistrament magnètic convencional - enregistrament magnètic convencional). Al mateix temps, cal entendre que no hi ha absolutament cap diferència entre PMR i CMR: aquesta és només una versió diferent del nom.
Quan mireu les especificacions dels discs durs moderns, també podeu trobar l'abreviatura críptica TDMR. En particular, aquesta tecnologia és utilitzada per unitats de classe empresarial . Des del punt de vista de la física, TDMR (que significa Two Dimensional Magnetic Recording - enregistrament magnètic bidimensional) no és diferent del PMR habitual: com abans, estem davant de pistes que no s'intersequen, dominis en els quals s'orienten perpendicularment. al pla de les plaques magnètiques. La diferència entre tecnologies rau en l'enfocament de la lectura de la informació.
En el bloc de capçals magnètics dels discs durs creat amb tecnologia TDMR, cada capçal d'enregistrament té dos sensors de lectura que llegeixen simultàniament les dades de cada pista passada. Aquesta redundància permet al controlador HDD filtrar eficaçment el soroll electromagnètic causat per Intertrack Interference (ITI).
La resolució del problema amb ITI ofereix dos avantatges extremadament importants:
- la reducció del factor de soroll permet augmentar la densitat d'enregistrament reduint la distància entre pistes, proporcionant un guany en la capacitat total de fins a un 10% en comparació amb el PMR convencional;
- Combinat amb la tecnologia RVS i un micro actuador de tres posicions, TDMR resisteix eficaçment la vibració de rotació causada pels discs durs, ajudant a aconseguir nivells de rendiment constants fins i tot en els entorns més exigents.
Què és SMR i amb què es menja?
Les dimensions del capçal d'escriptura són aproximadament 1,7 vegades més grans que les dimensions del sensor de lectura. Una diferència tan impressionant s'explica de manera senzilla: si el mòdul d'enregistrament es fa encara més en miniatura, la força del camp magnètic que pot generar no serà suficient per magnetitzar els dominis de la capa ferromagnètica, la qual cosa significa que les dades simplement no ho faran. ser emmagatzemat. En el cas d'un sensor de lectura, aquest problema no sorgeix. A més, la seva miniaturització permet reduir encara més la influència de l'ITI esmentada anteriorment en el procés de lectura de la informació.
Aquest fet va ser la base de l'enregistrament magnètic enrajolat (Shingled Magnetic Recording, SMR). Entenem com funciona. Quan s'utilitza el PMR tradicional, el capçal d'escriptura es mou en relació a cada pista anterior una distància igual a la seva amplada + l'amplada de l'espai protector (espai de protecció).
Quan s'utilitza el mètode enrajolat d'enregistrament magnètic, el capçal d'enregistrament es mou cap endavant només una part de la seva amplada, de manera que cada pista anterior es sobreescriu parcialment per la següent: les pistes magnètiques se superposen com les teules. Aquest enfocament permet augmentar encara més la densitat d'enregistrament, proporcionant un guany de capacitat de fins a un 10%, sense afectar el procés de lectura. Un exemple és — les primeres unitats de 3.5 TB de 20 polzades del món amb interfície SATA/SAS, l'aparició de les quals va ser possible gràcies a la nova tecnologia de gravació magnètica. Així, la transició als discos SMR permet augmentar la densitat d'emmagatzematge de dades als mateixos bastidors amb un cost mínim per actualitzar la infraestructura informàtica.
Malgrat aquest avantatge tan important, SMR té un desavantatge evident. Atès que les pistes magnètiques es superposen, en actualitzar les dades, caldrà reescriure no només el fragment necessari, sinó també totes les pistes posteriors dins del plat magnètic, el volum del qual pot superar els 2 terabytes, que està ple d'una caiguda greu. en el rendiment.
La combinació d'un cert nombre de pistes en grups separats anomenats zones ajuda a resoldre aquest problema. Tot i que aquest enfocament de l'emmagatzematge de dades redueix una mica la capacitat global del disc dur (ja que s'han de mantenir espais suficients entre zones per evitar sobreescriure les pistes dels grups veïns), això pot accelerar significativament el procés d'actualització de dades, ja que ara només hi ha un nombre limitat de pistes. participar-hi.
L'enregistrament magnètic en mosaic implica diverses opcions d'implementació:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
El seu principal avantatge és que no cal modificar el programari i/o maquinari de l'amfitrió, ja que el controlador de l'HDD assumeix el control del procediment d'enregistrament de dades. Aquestes unitats es poden connectar a qualsevol sistema que tingui la interfície necessària (SATA o SAS), després de la qual cosa la unitat estarà immediatament llesta per al seu ús.
El desavantatge d'aquest enfocament és la variabilitat del rendiment, cosa que fa que Drive Managed SMR no sigui adequat per a aplicacions empresarials on la coherència del rendiment del sistema és fonamental. Tanmateix, aquests discs funcionen bé en escenaris que permeten el temps suficient perquè es completi la desfragmentació de dades en segon pla. Així, per exemple, les unitats DMSMR Optimitzat per al seu ús en un NAS petit de 8 badies, és una opció excel·lent per a un sistema d'arxiu o còpia de seguretat que requereix emmagatzematge de còpia de seguretat a llarg termini.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
Host Managed SMR és la implementació de mosaic preferida per a l'ús empresarial. En aquest cas, el propi sistema host s'encarrega de gestionar els fluxos de dades i les operacions de lectura/escriptura, utilitzant per a aquests efectes les extensions de les interfícies ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) i SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) desenvolupades per els comitès INCITS T10 i T13 .
Quan s'utilitza HMSMR, tota la capacitat d'emmagatzematge disponible es divideix en dos tipus de zones: zones convencionals (zones normals), que s'utilitzen per emmagatzemar metadades i enregistraments arbitraris (de fet, fan el paper d'una memòria cau) i zones requerides d'escriptura seqüencial. (zones d'escriptura seqüencial), que ocupen una gran part de la capacitat total del disc dur, en les quals les dades s'enregistren de manera estrictament seqüencial. Les dades no ordenades s'emmagatzemen a l'àrea de memòria cau, des d'on es poden transferir a la zona d'escriptura seqüencial corresponent. A causa d'això, tots els sectors físics s'escriuen seqüencialment en direcció radial i només es sobreescriuen després d'un envoltura, la qual cosa us permet aconseguir un rendiment del sistema estable i previsible. Al mateix temps, les unitats HMSMR admeten ordres de lectura aleatòria similars a les unitats que utilitzen PMR estàndard.
Host Managed SMR implementat en discs durs de classe empresarial .
La línia inclou unitats SATA i SAS d'alta capacitat dissenyades per al seu ús en centres de dades d'hiperescala. La compatibilitat amb Host Managed SMR amplia significativament l'abast d'aquests discs durs: a més dels sistemes de còpia de seguretat, són perfectes per a l'emmagatzematge al núvol, CDN o plataformes de streaming. L'alta capacitat dels discs durs permet augmentar significativament la densitat d'emmagatzematge (en els mateixos bastidors) amb uns costos d'actualització mínims i un baix consum d'energia (menys de 0,29 watts per terabyte d'informació emmagatzemada) i una dissipació de calor (de mitjana 5 °C inferior a la analògics) — reduir encara més els costos operatius de manteniment del centre de dades.
L'únic desavantatge d'HMSMR és la complexitat comparativa de la implementació. El cas és que avui dia ni un sol sistema operatiu o aplicació pot funcionar amb aquestes unitats fora de la caixa, per això calen canvis importants en la pila de programari per adaptar la infraestructura informàtica. En primer lloc, això es refereix, per descomptat, al propi sistema operatiu, que en les condicions dels centres de dades moderns que utilitzen servidors multinucli i multisocket és una tasca no trivial. Podeu obtenir més informació sobre les opcions per implementar el suport per a Host Managed SMR en un recurs especialitzat. dedicat als problemes d'emmagatzematge de dades zonal. La informació recollida aquí us ajudarà a avaluar preliminarment la preparació de la vostra infraestructura de TI per a la transició a sistemes d'emmagatzematge zonificat.
- Host Aware SMR (SMR admès per l'amfitrió)
Els dispositius compatibles amb Host Aware SMR combinen la comoditat i la flexibilitat de Drive Managed SMR amb la ràpida velocitat d'enregistrament de Host Managed SMR. Aquestes unitats són compatibles amb els sistemes d'emmagatzematge heretats i poden funcionar sense control directe de l'amfitrió, però en aquest cas, com passa amb les unitats DMSMR, el seu rendiment esdevé impredictible.
Igual que Host Managed SMR, Host Aware SMR utilitza dos tipus de zones: Zones convencionals per a escriptures aleatòries i Zones preferides d'escriptura seqüencial (zones preferides per a l'enregistrament seqüencial). Aquestes últimes, a diferència de les zones requerides d'escriptura seqüencial esmentades anteriorment, es transfereixen automàticament a la categoria de les ordinàries si comencen a escriure dades de manera no ordenada.
La implementació de SMR conscient de l'amfitrió proporciona mecanismes interns per recuperar-se d'escriptures inconsistents. Les dades aleatòries s'escriuen a l'àrea de memòria cau, des d'on el disc pot transferir informació a la zona d'escriptura seqüencial després d'haver rebut tots els blocs necessaris. La unitat utilitza una taula d'indireccions per gestionar les escriptures en ordre i la desfragmentació en segon pla. Tanmateix, si es requereix un rendiment previsible i optimitzat per a les aplicacions empresarials, això només es pot aconseguir quan l'amfitrió pren el control total de tots els fluxos de dades i les zones d'escriptura.
Font: www.habr.com