První na světě pevný disk, IBM RAMAC 305, který spatřil světlo světa v roce 1956, měl kapacitu pouhých 5 MB dat, vážil 970 kg a svými rozměry byl srovnatelný s průmyslovým chladničkou. Moderní firemní vlajkové lodě se již mohou pochlubit kapacitou 20 TB. Jen si to představte: před 64 lety by pro zápis takového množství informací bylo potřeba více než 4 miliony RAMAC 305, a rozměry datového centra potřebného k jejich umístění by přesáhly 9 čtverečních kilometrů, zatímco dnes by k tomu stačila malá krabička o hmotnosti asi 700 gramů! V mnoha ohledech se tohoto neuvěřitelného zvýšení hustoty úložiště podařilo dosáhnout díky zdokonalování metod magnetického záznamu.
Těžko uvěřit, ale konstrukce pevných disků se principiálně nemění už téměř 40 let, počínaje rokem 1983: právě tehdy spatřil světlo světa první 3,5palcový disk RO351, vyvinutý skotskou společností Rodime. Tento malý kousek měl dvě magnetické desky o velikosti 10 MB každá, tedy byl schopen pojmout dvakrát více dat než aktualizovaný ST-412 o 5,25 palce, který byl vydán společností Seagate ve stejném roce pro osobní počítače IBM 5160.
Rodime RO351 — první na světě 3,5palcový disk
Navzdory své inovativnosti a kompaktním rozměrům se při uvedení na trh RO351 ukázal jako téměř nepotřebný, a všechny další pokusy společnosti Rodime prosadit se na trhu disků skončily fiaskem, což vedlo k tomu, že v roce 1991 byla společnost nucena ukončit svou činnost, přičemž prakticky všechny své aktiva prodala a snížila zaměstnanost na minimum. Nicméně se Rodime nestalo bankrotu: brzy se na ni začali obracet největší výrobci disků, kteří chtěli získat licenci na použití patentovaného formátu vyvinutého Skoty. V současnosti je 3,5 palce obecně uznávaným standardem výroby jak pro spotřebitelské HDD, tak pro podnikové úložiště.
S nástupem neuro sítí, hlubokého učení a internetu věcí (IoT) objem dat generovaných lidstvem začal exponenciálně růst. Podle odhadů analytické agentury IDC by do roku 2025 mělo množství informací generovaných jak lidmi, tak i zařízeními kolem nás dosáhnout 175 zettabajtů (1 ZB = 10^21 bajtů). Pro srovnání, v roce 2019 to bylo 45 ZB, v roce 2016 - 16 ZB a v roce 2006 celkový objem dat za celou známou historii nepřesáhl 0,16 (!) ZB. Moderní technologie, mezi kterými hrají významnou roli vylepšené metody zápisu dat, pomáhají zvládat informační boom.
LMR, PMR, CMR a TDMR: jaký je rozdíl?
Princip fungování pevných disků je dostatečně jednoduchý. Tenké kovové desky pokryté vrstvou feromagnetického materiálu (krystalickou látkou schopnou uchovávat magnetismus i bez vlivu vnějšího magnetického pole při teplotě pod Curieovou teplotou) se pohybují vůči bloku zapisovacích hlav na vysoké rychlosti (5400 otáček za minutu nebo více). Při přivedení elektrického proudu na zapisovací hlavu vzniká proměnné magnetické pole, které mění směr vektoru magnetizace domén (diskrétních oblastí látky) feromagnetika. Čtení dat probíhá buď prostřednictvím jevu elektromagnetické indukce (pohyb domén vůči senzoru způsobuje vznik proměnného elektrického proudu), nebo prostřednictvím giganti efektu magnetorezistance (pod vlivem magnetického pole se mění elektrický odpor senzoru), jak je realizováno v moderních paměťových zařízeních. Každá doména kóduje jeden bit informace, přičemž nabývá logické hodnoty „0“ nebo „1“ v závislosti na směru vektoru magnetizace.
Dlouhá léta používaly pevné disky metodu podélní magnetické záznamu (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), při které ležel vektor magnetizace domén v rovině magnetické desky. Přestože tato technologie byla relativně jednoduchá na realizaci, měla zásadní nevýhodu: aby se překonala koercitivita (přechod magnetických částic do jednorozměrného stavu), musela se mezi stopami ponechat značná vyrovnávací zóna (takzvaný guard space - ochranný prostor). Důsledkem toho byla maximální hustota záznamu, které se podařilo dosáhnout na sklonku této technologie, pouhých 150 Gb/inch2.
V roce 2010 byla LMR prakticky zcela vytlačena PMR (Perpendicular Magnetic Recording - kolmé magnetické záznam). Hlavní rozdíl této technologie oproti podélnímu magnetickému záznamu spočívá v tom, že vektor magnetické orientace každé domény je umístěn pod úhlem 90° k povrchu magnetické desky, což umožnilo výrazně zkrátit mezery mezi stopami.
Díky tomu se hustotu záznamu podařilo výrazně zvýšit (až na 1 Tbit/inch2 v moderních zařízeních), aniž by se obětovala rychlostní charakteristika a spolehlivost pevných disků. V současnosti je kolmá magnetická záznam dominantní na trhu, a proto je také často nazývána CMR (Conventional Magnetic Recording - běžný magnetický záznam). Je třeba si však uvědomit, že mezi PMR a CMR není žádný zásadní rozdíl - jde pouze o jinou variantu názvu.
Při zkoumání technických specifikací moderních pevných disků můžete také narazit na tajemnou zkratku TDMR. Tuto technologii používají zejména podnikové úložné zařízení, . Z pohledu fyziky se TDMR (což se překládá jako Two Dimensional Magnetic Recording - dvourozměrný magnetický záznam) nijak neliší od známého PMR: stále se setkáváme s nepřekrývajícími se stopami, jejichž domény jsou orientovány kolmo k rovině magnetických desek. Rozdíl mezi technologiemi spočívá v přístupu ke čtení informací.
V bloku magnetických hlav s pevnými disky, vyrobenými technologií TDMR, připadá na každou zapisovací hlavu dva čtecí senzory, které provádějí současné čtení dat z každé prošlé stopy. Tato redundantnost umožňuje řadiči HDD efektivně filtrovat elektromagnetické šumy, jejichž vznik je způsoben mezistopovou interferencí (Intertrack Interference, ITI).
Řešení problému s ITI poskytuje dvě extrémně důležité výhody:
- snížení rušivého koeficientu umožňuje zvýšení hustoty záznamu díky zmenšení vzdálenosti mezi stopami, což zajišťuje navýšení celkové kapacity až o 10 % ve srovnání s běžným PMR;
- ve spojení s technologií RVS a třístupňovým mikroaktuátorem, TDMR efektivně čelí rotační vibraci způsobené prací pevných disků, což pomáhá dosáhnout stabilní úrovně výkonu i v nejnáročnějších provozních podmínkách.
Co je to SMR a k čemu slouží?
Rozměry zapisovací hlavy jsou přibližně 1,7krát větší ve srovnání s rozměry čtecího senzoru. Tak významný rozdíl je dost snadno vysvětlitelný: pokud bychom zapisovací modul udělali ještě menší, síla magnetického pole, kterou by mohl generovat, by byla nedostatečná pro magnetizaci domén feromagnetické vrstvy, což znamená, že data by jednoduše nebyla ukládána. U čtecího senzoru tento problém nenastává. Navíc: miniaturizace umožňuje dále snížit vliv výše zmíněné ITI na proces čtení informací.
Tento fakt se stal základem šindelové magnetické záznamu (Shingled Magnetic Recording, SMR). Pojďme se podívat, jak to funguje. Při použití tradičního PMR se zapisovací hlava posouvá vůči každé předchozí stopy o vzdálenost rovnou její šířce + šířce ochranného prostoru (guard space).
Při použití metody dlaždicového magnetického záznamu se zápisová hlava posune dopředu pouze o část své šířky, takže každý předchozí track je částečně přepsán následujícím: magnetické dráhy se překrývají podobně jako střešní tašky. Tento přístup umožňuje dále zvýšit hustotu záznamu, zajišťující nárůst kapacity o až 10 %, aniž by to ovlivnilo proces čtení. Příkladem může být — první 3,5palcové disky na světě s kapacitou 20 TB a rozhraním SATA/SAS, jejichž vznik je možný právě díky nové technologii magnetického záznamu. Tímto způsobem přechod na SMR disky umožňuje zvýšit hustotu ukládání dat ve stejných stojanech s minimálními náklady na modernizaci IT infrastruktury.
Navzdory této výrazné výhodě má SMR i očividnou nevýhodu. Protože se magnetické dráhy překrývají, při aktualizaci dat bude nutná pře-writing nejen požadovaného fragmentu, ale i všech následných tracků v rámci magnetické desky, jejíž objem může překročit 2 terabajty, což může vést k výraznému poklesu výkonu.
Řešením tohoto problému je seskupení určitého počtu tracků do oddělených skupin nazývaných zóny. I když tento přístup k organizaci ukládání dat mírně snižuje celkovou kapacitu HDD (protože mezi zónami je nutné zachovat dostatečné mezery, které brání přepisování tracků z sousedních skupin), výrazně to urychluje proces aktualizace dat, protože nyní se na něm podílí pouze omezený počet dráh.
Dlaždicový magnetický záznam předpokládá několik variant realizace:
- Drive Managed SMR (SMR řízený diskem)
Jeho hlavní výhodou je absence potřeby modifikovat software a/nebo hardware hostitele, protože řízení procesu zápisu dat přebírá řadič HDD. Takové disky mohou být připojeny k jakémukoliv systému, který má potřebné rozhraní (SATA nebo SAS), po němž je jednotka okamžitě připravena k použití.
Nevýhoda tohoto přístupu spočívá ve variabilitě výkonnosti, což činí Drive Managed SMR nevhodným pro podnikové aplikace, kde je stálost výkonu systému kritickým parametrem. Nicméně, tyto disky se dobře osvědčují ve scénářích, které poskytují dostatek času na provádění pozadí defragmentace dat. Například, DMSMR úložiště , optimalizované pro použití v malých NAS na 8 pozic, budou vynikající volbou pro systém archivace nebo zálohování, který předpokládá dlouhodobé uchovávání záloh.
- Host Managed SMR (SMR spravovaná hostitelem)
Host Managed SMR je preferovanou variantou pro implementaci zónového zápisu pro použití v podnikovém prostředí. V tomto případě je správa datových toků a operací čtení/zápisu zodpovědná sama hostitelská systém, která používá rozšíření rozhraní ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) a SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) vyvinuté výbory INCITS T10 a T13.
Při použití HMSMR je veškerý dostupný objem úložiště rozdělen do dvou typů zón: Conventional Zones (běžné zóny), které se používají pro uchovávání metadat a náhodné zápisy (v podstatě fungují jako cache) a Sequential Write Required Zones (zóny sekvenčního zápisu), které zabírají většinu celkové kapacity pevného disku, ve kterých jsou data zapisována výhradně sekvenčně. Neuspořádaná data se uchovávají v cache oblasti, odkud mohou být poté přesunuta do příslušné zóny sekvenčního zápisu. Díky tomu jsou všechny fyzické sektory zapisovány sekvenčně radiálním směrem a přepisovány pouze po cyklickém přenosu, což umožňuje dosáhnout stabilního a předvídatelného výkonu systému. HMSMR disky přitom podporují příkazy náhodného čtení podobně jako úložiště využívající standardní PMR.
Host Managed SMR je implementována v podnikově třídě pevných disků .
Produktová řada zahrnuje SATA a SAS disky s vysokou kapacitou, určené pro použití ve hyperskalárních datových centrech. Podpora Host Managed SMR výrazně rozšiřuje oblast jejich použití: kromě systémů zálohování jsou ideální také pro cloudová úložiště, CDN nebo streamovací platformy. Vysoká kapacita pevných disků umožňuje výrazně zvýšit hustotu úložiště (ve stejných rozvodných skříních) při minimálních nákladech na upgrade a nízká spotřeba energie (maximálně 0,29 W na terabyte uložených informací) a tepelné vyzařování (v průměru o 5 °C nižší než u srovnatelných produktů) dále snižují provozní náklady na správu datových center.
Jedinou nevýhodou HMSMR je relativní složitost implementace. V současnosti totiž žádný operační systém ani aplikace neumí pracovat s těmito disky „out of the box“, což si žádá vážné změny softwarového stacku pro přizpůsobení IT infrastruktury. Týká se to především samotného operačního systému, což je v moderních datových centrech s vícejádrovými a vícenásobnými servery dost zásadní úkol. Více informací o možnostech implementace podpory Host Managed SMR naleznete na specializovaném webu , který se věnuje otázkám zonálního ukládání dat. Shromážděné informace zde vám pomohou předběžně posoudit úroveň připravenosti vaší IT infrastruktury na přechod na zonální systémy ukládání.
- Host Aware SMR (SMR, řízená hostem)
Zařízení s podporou Host Aware SMR kombinují pohodlí a flexibilitu Drive Managed SMR a vysokou rychlost zápisu Host Managed SMR. Tyto disky jsou zpětně kompatibilní se staršími úložnými systémy a mohou fungovat bez přímé kontroly ze strany hosta, avšak v takovém případě, stejně jako při použití DMSMR disků, se jejich výkon stává nepředvídatelným.
Podobně jako Host Managed SMR, Host Aware SMR využívá dva typy zón: Conventional Zones pro náhodný zápis a Sequential Write Preferred Zones (zóny, preferované pro sekvenční zápis). Tyto poslední, na rozdíl od výše zmíněných Sequential Write Required Zones, se automaticky převádějí na běžné, pokud začne probíhat neuspořádaný zápis dat.
Implementace SMR s podporou hostitele zahrnuje vnitřní mechanismy obnovy po neuspořádaném zápisu. Neuspořádaná data jsou zapisována do vyrovnávacích oblastí, odkud disk může přenést informace do zóny sekvenčního zápisu poté, co jsou získány všechny potřebné bloky. Pro řízení neuspořádaného zápisu a pozadí defragmentace disk používá tabulku nepřímého adresování. Pokud však podnikové aplikace vyžadují předvídatelný a optimalizovaný výkon, lze toho dosáhnout pouze tehdy, pokud hostitel převezme plnou kontrolu nad všemi datovými toky a zónami zápisu.
Zdroj: habr.com
