Den første hårde disk i verden, IBM RAMAC 305, som så dagens lys i 1956, kunne kun rumme 5 MB data og vejede 970 kg, mens størrelsen var sammenlignelig med en industriel fryser. Nutidens erhvervslivet flagships kan prale af en kapacitet på hele 20 TB. Forestil dig dette: for 64 år siden ville det kræve over 4 millioner RAMAC 305 for at gemme så meget information, og størrelsen på datacenteret, der var nødvendigt for at huse dem, ville overstige 9 kvadratkilometer, mens man i dag ville kunne klare det med en lille æske, der vejer omkring 700 gram! Meget af den utrolige forbedring i lagertæthed er opnået ved forbedring af magnetiske optagelsesteknikker.
Det er svært at tro, men fundamentalt set har konstruktionen af hårde diske ikke ændret sig i næsten 40 år, siden 1983: det var da den første 3,5 tommer harddisk RO351, udviklet af det skotske firma Rodime, så dagens lys. Denne lille enhed havde to magnetiske plader på 10 MB hver, hvilket betyder, at den kunne rumme dobbelt så meget data som den opdaterede ST-412 på 5,25 tommer, der blev udgivet af Seagate samme år til IBM 5160 personlige computere.
Rodime RO351 — den første 3,5 tommer harddisk i verden
På trods af innovationen og de kompakte dimensioner, var RO351 ved sin lancering næsten ubrugelig, og alle fremtidige forsøg fra Rodime på at etablere sig på harddiskmarkedet mislykkedes, hvilket førte til, at firmaet i 1991 blev nødt til at stoppe sin drift, sælge næsten alle sine aktiver og reducere personalet til et minimum. Men Rodime skulle ikke være skæbnet til konkurs: snart begyndte de største harddiskproducenter at henvende sig for at erhverve licens til at bruge den skotske firmafaktor. I dag er 3,5 tommer standarden for både forbrugers HDD'er og enterprise-lagringsenheder.
Med fremkomsten af neurale netværk, Deep Learning og Internet of Things (IoT) er mængden af data, der genereres af menneskeheden, steget eksplosivt. Ifølge estimater fra analysenbureauet IDC vil mængden af information, der genereres af både mennesker og de enheder, der omgiver os, nå op på 175 zettabyte (1 ZB = 10^21 byte) inden 2025. Dette er bemærkelsesværdigt sammenlignet med 45 ZB i 2019, 16 ZB i 2016 og i 2006, hvor den samlede mængde data produceret i hele den skabte historie ikke oversteg 0,16 (!) ZB. Moderne teknologier, især avancerede datalagringsmetoder, hjælper med at håndtere informationseksplosionen.
LMR, PMR, CMR og TDMR: hvad er forskellen?
Principperne for, hvordan harddiske fungerer, er relativt enkle. Tynde metalplader, der er dækket af et lag af ferromagnetisk materiale (et krystallinsk stof, der kan bevare sin magnetisering selv uden indflydelse fra et eksternt magnetfelt ved temperaturer under Curie-punktet), bevæger sig hurtigt i forhold til skrivehovedet (5400 omdrejninger pr. minut eller mere). Når elektrisk strøm leveres til skrivehovedet, skabes et vekslende magnetfelt, der ændrer retningen af magnetiseringsvektoren i domænerne (diskrete områder af stoffet) i ferromagneten. Data læses enten ved hjælp af fænomenet elektromagnetisk induktion (bevægelserne af domænerne i forhold til sensoren skaber en vekslende elektrisk strøm) eller ved den gigantiske magnetorestriktive effekt (det elektriske modstand i sensoren ændres under indflydelse af et magnetfelt), som det ses i moderne lagermedier. Hvert domæne koder for 1 bit information, der kan accepteres som den logiske værdi "0" eller "1" afhængigt af retningen af magnetiseringsvektoren.
Længe anvendte harddiske metoden for længde-magnetisk optagelse (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), hvor magnetiseringens vektorer var placeret i planet af den magnetiske plade. På trods af den relative enkelhed i implementeringen, havde denne teknologi en væsentlig ulempe: for at overvinde koercivitet (overgangen af magnetpartikler til en enkelt domænetilstand), var det nødvendigt at efterlade en betydelig bufferzone mellem sporene (den såkaldte guard space). Som følge heraf var den maksimale optætningsdensitet, der kunne opnås ved afslutningen af denne teknologi, kun 150 Gbit/dm².
I 2010 blev LMR stort set fuldstændig erstattet af PMR (Perpendicular Magnetic Recording — perpendicular magnetic recording). Hovedforskellen mellem denne teknologi og længde-magnetisk optagelse er, at magnetiseringsvektoren for hvert domæne er placeret i en vinkel på 90° i forhold til overfladen af den magnetiske plade, hvilket har gjort det muligt at reducere afstanden mellem sporene betydeligt.
Ved hjælp af dette har det været muligt at øge optætningsdensiteten mærkbart (op til 1 Tbit/dm² i moderne enheder), samtidig med at hastigheds- og pålidelighedsegenskaberne for harddiske ikke blev ofret. I dag er perpendicular magnetic recording dominerende på markedet, hvorfor det også ofte kaldes CMR (Conventional Magnetic Recording — konventionel magnetisk optagelse). Det skal dog forstås, at der ikke er nogen forskel mellem PMR og CMR — det er blot en anden variant af navnet.
Når du undersøger tekniske specifikationer for moderne harddiske, kan du også støde på den mystiske forkortelse TDMR. Denne teknologi anvendes især af virksomhedsniveauenheder, . Fra et fysikperspektiv adskiller TDMR (hvor forkortelsen står for Two Dimensional Magnetic Recording — to-dimensionel magnetisk optagelse) sig ikke fra den velkendte PMR: ligesom før har vi med uoverlappende spor at gøre, hvor domænerne er orienteret vinkelret på planerne af de magnetiske plader. Forskellen mellem teknologierne ligger i tilgangen til læsningen af information.
I blokken af magnethoveder i hårde diske, der er skabt ved hjælp af TDMR-teknologi, er der to læsesensorer per skrivehoved, der samtidig læser data fra hver forbigående track. Denne redundans gør det muligt for HDD-controlleren effektivt at filtrere elektromagnetisk støj, som opstår på grund af intertrack-interferens (Intertrack Interference, ITI).
At løse problemet med ITI giver to ekstremt vigtige fordele:
- reduktion af interferensfaktoren, hvilket muliggør højere tæthed ved at reducere afstanden mellem tracks, hvilket giver en gevinst i den samlede kapacitet på op til 10 % sammenlignet med almindelig PMR;
- i kombination med RVS-teknologi og en trepositions mikroaktuator, gør TDMR det muligt effektivt at modarbejde rotationsvibrationer forårsaget af harddiskernes drift, hvilket hjælper med at opnå et stabilt præstationsniveau, selv under de mest udfordrende driftsforhold.
Hvad er SMR, og hvad er det godt for?
Størrelsen på skrivehovedet er cirka 1,7 gange større end størrelsen på læsesensoren. Denne markante forskel kan forklares ganske let: hvis skriveenheden gøres endnu mere kompakt, vil kraften i det magnetiske felt, den kan generere, være utilstrækkelig til at magnetisere domænerne i det ferromagnetiske lag, hvilket betyder, at data simpelthen ikke vil blive gemt. I tilfælde af læsesensoren opstår der ikke dette problem. Desuden gør miniaturiseringen det muligt at reducere påvirkningen af den nævnte ITI på læseprocessen.
Dette faktum ligger til grund for skifermagnetisk optagelse (Shingled Magnetic Recording, SMR). Lad os finde ud af, hvordan det fungerer. Når man anvender den traditionelle PMR, forskydes skrivehovedet i forhold til hver tidligere track med en afstand svarende til dens bredde plus bredden af det beskyttende rum (guard space).
Ved brug af den skifer-lignende metode til magnetisk optagelse rykker skrivehovedet kun lidt fremad, svarende til en del af sin bredde, hvilket betyder, at hver forrige bane delvist overskrives af den næste: de magnetiske baner overlapper hinanden ligesom tagsten. Denne tilgang muliggør en yderligere stigning i optagekapaciteten, hvilket giver en kapacitetsgevinstd på op til 10%, uden at det påvirker læseprocessen. Som et eksempel kan nævnes — de første i verden 3,5-tommer drev med en kapacitet på 20 TB og SATA/SAS interface, hvis oprettelse blev muliggjort ved hjælp af den nye teknologi til magnetisk optagelse. Dermed gør overgangen til SMR-diske det muligt at øge datalagringsdensiteten i de samme kabinetter med minimale omkostninger til modernisering af IT-infrastrukturen.
På trods af den betydelige fordel har SMR også en åbenlys ulempe. Da de magnetiske baner overlapper hinanden, vil opdatering af data kræve, at ikke kun den ønskede del men også alle efterfølgende spor inden for den magnetiske plade, hvis kapacitet kan overstige 2 terabyte, skal skrives igen, hvilket kan føre til et alvorligt fald i ydeevnen.
For at løse dette problem hjælper det at kombinere et bestemt antal spor i adskilte grupper, kaldet zoner. Selvom denne tilgang til organisering af datalagring lidt reducerer den samlede kapacitet af HDD'en (da der skal opretholdes tilstrækkelige mellemrum mellem zonerne for at forhindre overskrivning af spor fra nabogrupper), gør det det muligt at væsentligt fremskynde opdateringsprocessen, da kun et begrænset antal baner nu er involveret.
Skifer-lignende magnetisk optagelse indebærer flere mulige implementeringer:
- Drive Managed SMR (SMR, drevet styret)
Dens vigtigste fordel er, at der ikke er behov for at modificere software og/eller hardware på værten, da HDD-controlleren tager sig af optageproceduren. Disse drev kan tilsluttes til ethvert system, hvor der findes det nødvendige interface (SATA eller SAS), hvorefter drevet straks er klar til brug.
Ulempen ved denne tilgang er variabiliteten i ydelsesniveauet, hvilket gør Drive Managed SMR uegnet til forretningsapplikationer, hvor konstant systemydelse er et kritisk parameter. Ikke desto mindre præsterer disse drev godt i scenarier, der giver tilstrækkelig tid til at udføre baggrundsdefragmentering af data. For eksempel er DMSMR-drev , optimeret til brug i små NAS med 8 rum, et fremragende valg til et arkiverings- eller backup-system, der kræver langvarig opbevaring af backups.
- Host Managed SMR (HMSMR)
Host Managed SMR er den mest foretrukne løsning til implementering af zoneret optagelse til brug i erhvervsmiljøer. Her er det værtssystemet, der håndterer data-streams og læse-/skriveoperationer, ved at anvende udvidelser af ATA-grænseflader (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) og SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), udviklet af INCITS T10 og T13 udvalg.
Ved brug af HMSMR opdeles den tilgængelige kapacitet på drevet i to typer zoner: Conventional Zones (almindelige zoner), der bruges til opbevaring af metadata og vilkårlig skrivning (i princippet fungerer som cache), og Sequential Write Required Zones (zoner med krav om sekventiel skrivning), der udgør størstedelen af den samlede hårddiskkapacitet, hvor data skrives strengt sekventielt. Uordnede data gemmes i cache-området, hvorefter de kan flyttes til den relevante sekventielle skrivezone. Dette sikrer, at alle fysiske sektorer skrives sekventielt i radial retning og kun overskrives efter cyklisk flytning, hvilket muliggør stabil og forudsigelig systemydelse. HMSMR-diske understøtter også vilkårlig læsekommandoer ligesom drev, der bruger standard PMR.
Host Managed SMR er implementeret i enterprise-class harddiske .
Produktlinjen omfatter højkapacitets SATA- og SAS-drev, der er designet til brug i hyperskalering datacentre. Understøttelsen af Host Managed SMR udvider anvendelsesområdet for disse harddiske betydeligt: udover backup-systemer er de også velegnede til cloud-lagring, CDN eller streamingplatforme. Den høje kapacitet af harddiskene gør det muligt at øge lagerdensiteten (i de samme racks) med minimale opgraderingsomkostninger, mens det lave energiforbrug (maksimalt 0,29 watt per terabyte gemt information) og varmeudviklingen (i gennemsnit 5 °C lavere end konkurrenterne) yderligere reducerer driftsomkostningerne til vedligeholdelse af datacentret.
Den eneste ulempe ved HMSMR er den relative kompleksitet ved implementering. Årsagen er, at ingen nuværende operativsystemer eller applikationer kan arbejde med sådanne drev 'out of the box', hvilket kræver væsentlige ændringer i softwarestacken for at tilpasse IT-infrastrukturen. Først og fremmest er dette selvfølgelig relateret til selve operativsystemet, hvilket i moderne datacentre, der bruger mange-core og multi-socket servere, er en temmelig udfordrende opgave. Du kan lære mere om mulighederne for at implementere støtte til Host Managed SMR på den specialiserede side , som handler om zoneret datalagring. Oplysningerne, der er indsamlet her, kan hjælpe med at vurdere beredskabet af din IT-infrastruktur til overgangen til zonerede lagringssystemer.
- Host Aware SMR (SMR, der er host-understøttet)
Host Aware SMR-enheder kombinerer bekvemmelighed og fleksibilitet fra Drive Managed SMR med den høje skrivehastighed fra Host Managed SMR. Disse drev er bagudkompatible med ældre lagringssystemer og kan fungere uden direkte kontrol fra værten, men i dette tilfælde, ligesom ved brug af DMSMR-diskene, bliver deres ydeevne uforudsigelig.
Ligesom Host Managed SMR bruger Host Aware SMR to typer zoner: Conventional Zones til vilkårlig skrivning og Sequential Write Preferred Zones (områder med præference for sekventiel skrivning). Sidstnævnte, i modsætning til de førnævnte Sequential Write Required Zones, konverteres automatisk til almindelige, hvis der påbegyndes ikke-sekventiel skrivning af data i dem.
Implementeringen af SMR med host-understøttelse indeholder interne mekanismer til genopretning efter ikke-sekventiel skrivning. Ikke-sekventielle data skrives til cache-områder, hvorefter disken kan overføre information til den sekventielle skrivezone, når alle nødvendige blokke er modtaget. For at styre ikke-sekventiel skrivning og baggrunds-defragmentering bruger disken en indirekte referencing tabel. Men hvis virksomhedsapplikationer kræver forudsigelig og optimeret ydeevne, kan det stadig kun opnås, når værten overtager fuld kontrol over alle datastreams og skrivezoner.
Kilde: habr.com
