Verdens første harddisk, IBM RAMAC 305, udgivet i 1956, rummede kun 5 MB data, vejede 970 kg og var i størrelse sammenlignelig med et industrikøleskab. Moderne virksomhedsflagskibe kan prale af en kapacitet på 20 TB. Forestil dig bare: For 64 år siden ville der have været brug for over 4 millioner RAMAC 305 for at kunne registrere denne mængde information, og størrelsen af det datacenter, der kræves til at rumme dem, ville have overskredet 9 kvadratkilometer, hvorimod en lille boks i dag vejer omkring 700 gram! På mange måder blev denne utrolige stigning i lagertæthed opnået takket være forbedringer i magnetiske optagelsesmetoder.
Det er svært at tro, men det grundlæggende design af harddiske har ikke ændret sig i næsten 40 år, startende i 1983: det var da den første 3,5-tommer harddisk RO351, udviklet af det skotske firma Rodime, så dagens lys. Denne baby havde to magnetiske plader på hver 10 MB, hvilket betyder, at den var i stand til at indeholde dobbelt så meget data som den opdaterede 412-tommer ST-5,25 Seagate, der blev udgivet samme år til IBM 5160 personlige computere.
Rodime RO351 - verdens første 3,5-tommer harddisk
På trods af sin innovation og kompakte størrelse viste RO351 sig på tidspunktet for udgivelsen at være praktisk talt ubrugelig for nogen, og alle yderligere forsøg fra Rodime på at få fodfæste på harddiskmarkedet mislykkedes, hvorfor virksomheden i 1991 blev tvunget at indstille sine aktiviteter, sælge fra næsten alle eksisterende aktiver og reducere personalet til et minimum. Rodime var dog ikke bestemt til at gå konkurs: snart begyndte de største harddiskproducenter at kontakte den og ønskede at købe en licens til at bruge formfaktoren patenteret af skotterne. I øjeblikket er 3,5 tommer den almindeligt accepterede standard for produktion af både forbruger-harddiske og drev i virksomhedsklassen.
Med fremkomsten af neurale netværk, Deep Learning og Internet of Things (IoT), begyndte mængden af data skabt af menneskeheden at vokse eksponentielt. Ifølge estimater fra analysebureauet IDC vil mængden af information genereret af både mennesker selv og enhederne omkring os i 2025 nå op på 175 zettabyte (1 Zbyte = 1021 bytes), og dette på trods af, at det i 2019 udgjorde 45 Zbyte , i 2016 - 16 Zbytes, og tilbage i 2006 oversteg den samlede mængde data, der blev produceret over hele den observerbare historie, ikke 0,16 (!) Zbytes. Moderne teknologier er med til at klare informationseksplosionen, hvoraf ikke mindst er forbedrede metoder til dataregistrering.
LMR, PMR, CMR og TDMR: Hvad er forskellen?
Princippet om drift af harddiske er ret simpelt. Tynde metalplader belagt med et lag ferromagnetisk materiale (et krystallinsk stof, der kan forblive magnetiseret, selv når det ikke udsættes for et eksternt magnetfelt ved temperaturer under Curie-punktet) bevæger sig i forhold til skrivehovedenheden ved høj hastighed (5400 omdrejninger i minuttet eller mere). Når en elektrisk strøm påføres skrivehovedet, opstår der et vekslende magnetfelt, som ændrer retningen af magnetiseringsvektoren i ferromagnetens domæner (diskrete områder af stof). Dataaflæsning sker enten på grund af fænomenet elektromagnetisk induktion (bevægelsen af domæner i forhold til sensoren forårsager udseendet af en elektrisk vekselstrøm i sidstnævnte), eller på grund af en gigantisk magnetoresistiv effekt (under påvirkning af et magnetfelt den elektriske modstand af sensorændringer), som er implementeret i moderne drev. Hvert domæne koder for en bit information og tager den logiske værdi "0" eller "1" afhængigt af magnetiseringsvektorens retning.
I lang tid brugte harddiske metoden Longitudinal Magnetic Recording (LMR), hvor domænemagnetiseringsvektoren lå i den magnetiske plades plan. På trods af den relative enkelhed i implementeringen havde denne teknologi en betydelig ulempe: For at overvinde koercivitet (overgangen af magnetiske partikler til en enkelt-domænetilstand) måtte en imponerende bufferzone (det såkaldte guard space) efterlades mellem sporene. Som et resultat var den maksimale optagetæthed, der blev opnået i slutningen af denne teknologi, kun 150 Gbit/tomme2.
I 2010 blev LMR næsten fuldstændig erstattet af PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Den største forskel mellem denne teknologi og langsgående magnetisk optagelse er, at den magnetiske retningsvektor for hvert domæne er placeret i en vinkel på 90° i forhold til overfladen af den magnetiske plade, hvilket har reduceret afstanden mellem sporene betydeligt.
På grund af dette blev dataoptagelsestætheden øget betydeligt (op til 1 Tbit/in2 i moderne enheder) uden at ofre hastighedsegenskaberne og pålideligheden af harddiske. I øjeblikket dominerer vinkelret magnetisk optagelse markedet, hvorfor det også ofte kaldes CMR (Conventional Magnetic Recording). Samtidig skal du forstå, at der absolut ingen forskel er mellem PMR og CMR - det er bare en anden version af navnet.
Mens du studerer de tekniske egenskaber ved moderne harddiske, kan du også støde på den mystiske forkortelse TDMR. Denne teknologi bruges især af drev i virksomhedsklassen . Fra et fysiksynspunkt er TDMR (som står for Two Dimensional Magnetic Recording) ikke anderledes end den sædvanlige PMR: Som før har vi at gøre med spor, der ikke skærer hinanden, hvis domæner er orienteret vinkelret på det magnetiske plan. plader. Forskellen mellem teknologier ligger i tilgangen til at læse information.
I blokken af magnetiske hoveder på harddiske, der er skabt ved hjælp af TDMR-teknologi, har hvert skrivehoved to læsesensorer, der samtidigt læser data fra hvert spor, der passeres. Denne redundans gør det muligt for HDD-controlleren effektivt at filtrere elektromagnetisk støj, hvis udseende er forårsaget af intertrack interference (ITI).
At løse ITI-problemet giver to ekstremt vigtige fordele:
- reduktion af støjfaktoren giver dig mulighed for at øge optagetætheden ved at reducere afstanden mellem sporene, hvilket giver en forstærkning i den samlede kapacitet på op til 10 % sammenlignet med konventionel PMR;
- Kombineret med RVS-teknologi og en mikroaktuator med tre positioner modstår TDMR effektivt rotationsvibrationer forårsaget af harddiske, hvilket hjælper med at opnå ensartede ydelsesniveauer selv under de mest udfordrende driftsforhold.
Hvad er SMR, og hvad spises det med?
Størrelsen på skrivehovedet er cirka 1,7 gange større sammenlignet med størrelsen på læsesensoren. En sådan imponerende forskel kan forklares ganske enkelt: hvis optagemodulet er lavet endnu mere miniature, vil styrken af det magnetiske felt, som det kan generere, ikke være nok til at magnetisere domænerne i det ferromagnetiske lag, hvilket betyder, at dataene simpelthen vil ikke opbevares. I tilfælde af en læsesensor opstår dette problem ikke. Desuden: dens miniaturisering gør det muligt yderligere at reducere indflydelsen fra ovennævnte ITI på informationslæsningsprocessen.
Dette faktum dannede grundlaget for Shingled Magnetic Recording (SMR). Lad os finde ud af, hvordan det virker. Når du bruger en traditionel PMR, forskydes skrivehovedet i forhold til hvert tidligere spor med en afstand svarende til dets bredde + bredden af beskyttelsesrummet.
Når du bruger den magnetiske optagemetode med flisebelagte, bevæger skrivehovedet kun en del af sin bredde fremad, så hvert foregående spor overskrives delvist af det næste: de magnetiske spor overlapper hinanden som tagsten. Denne tilgang giver dig mulighed for yderligere at øge optagetætheden, hvilket giver en kapacitetsforøgelse på op til 10 % uden at påvirke læseprocessen. Et eksempel er - verdens første 3.5-tommer 20 TB-drev med et SATA/SAS-interface, hvis udseende blev muliggjort takket være den nye magnetiske optageteknologi. Således giver overgangen til SMR-diske dig mulighed for at øge tætheden af datalagring i de samme racks med minimale omkostninger til opgradering af IT-infrastrukturen.
På trods af en så væsentlig fordel har SMR også en åbenlys ulempe. Da de magnetiske spor overlapper hinanden, vil opdatering af data kræve omskrivning af ikke kun det nødvendige fragment, men også alle efterfølgende spor i den magnetiske plade, hvis volumen kan overstige 2 terabyte, hvilket kan føre til et alvorligt fald i ydeevnen.
Dette problem kan løses ved at kombinere et vist antal spor i separate grupper kaldet zoner. Selvom denne tilgang til organisering af datalagring i nogen grad reducerer HDD'ens samlede kapacitet (da det er nødvendigt at opretholde tilstrækkelige mellemrum mellem zoner for at forhindre spor fra tilstødende grupper i at blive overskrevet), kan den fremskynde processen med at opdatere data betydeligt, da nu kun et begrænset antal spor er involveret i det.
Magnetisk optagelse af fliser involverer flere implementeringsmuligheder:
- Drive Managed SMR
Dens største fordel er, at der ikke er behov for at ændre værtssoftwaren og/eller hardwaren, da HDD-controlleren tager kontrol over dataoptagelsesproceduren. Sådanne drev kan tilsluttes ethvert system, der har det nødvendige interface (SATA eller SAS), hvorefter drevet straks er klar til brug.
Ulempen ved denne tilgang er, at ydeevneniveauerne varierer, hvilket gør Drive Managed SMR uegnet til virksomhedsapplikationer, hvor ensartet systemydelse er kritisk. Sådanne drev fungerer dog godt i scenarier, der giver tilstrækkelig tid til, at baggrundsdatadefragmentering kan forekomme. For eksempel DMSMR-drev , optimeret til brug som en del af lille 8-bay NAS, vil være et glimrende valg til et arkiverings- eller backupsystem, der kræver langtidslagring af sikkerhedskopier.
- Host Managed SMR
Host Managed SMR er den foretrukne flisebelagte optagelsesimplementering til brug i et virksomhedsmiljø. I dette tilfælde er værtssystemet selv ansvarlig for styring af datastrømme og læse/skrive-operationer, ved til disse formål at bruge ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) og SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) interfaceudvidelser udviklet af INCITS T10 og T13 udvalg .
Når du bruger HMSMR, er hele drevets tilgængelige lagerkapacitet opdelt i to typer zoner: Konventionelle zoner, som bruges til at gemme metadata og tilfældig optagelse (i det væsentlige spiller rollen som en cache), og sekventielle skrivekrævede zoner, som optager en stor del af den samlede harddiskkapacitet, hvor data skrives strengt sekventielt. Out-of-order data gemmes i et cacheområde, hvorfra det derefter kan overføres til det relevante sekventielle skriveområde. Dette sikrer, at alle fysiske sektorer skrives sekventielt i radial retning og kun omskrives efter en cyklisk overførsel, hvilket resulterer i stabil og forudsigelig systemydelse. Samtidig understøtter HMSMR-drev tilfældige læsekommandoer på samme måde som drev, der bruger standard PMR.
Host Managed SMR er implementeret på harddiske i virksomhedsklassen .
Linjen inkluderer højkapacitets SATA- og SAS-drev designet til brug i hyperskala datacentre. Understøttelse af Host Managed SMR udvider markant anvendelsesområdet for sådanne harddiske: Ud over backupsystemer er de perfekte til cloud storage, CDN eller streaming platforme. Den høje kapacitet på harddiske giver dig mulighed for betydeligt at øge lagertætheden (i de samme racks) med minimale opgraderingsomkostninger og lavt strømforbrug (ikke mere end 0,29 watt pr. terabyte gemt information) og varmeafledning (i gennemsnit 5 °C lavere end analoger) - reducere driftsomkostningerne til vedligeholdelse af datacenter yderligere.
Den eneste ulempe ved HMSMR er implementeringens relative kompleksitet. Sagen er den, at i dag kan intet styresystem eller applikation fungere med sådanne drev ud af boksen, hvorfor der kræves alvorlige ændringer i softwarestakken for at tilpasse IT-infrastrukturen. Først og fremmest vedrører dette selvfølgelig selve operativsystemet, hvilket under forholdene i moderne datacentre, der bruger multi-core og multi-socket servere, er en ret ikke-triviel opgave. Du kan lære mere om mulighederne for at implementere Host Managed SMR-support på en specialiseret ressource , dedikeret til spørgsmål om zonedatalagring. De oplysninger, der indsamles her, vil hjælpe dig med en foreløbig vurdering af, om din IT-infrastruktur er klar til overførsel til zonelagringssystemer.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Host Aware SMR-aktiverede enheder kombinerer bekvemmeligheden og fleksibiliteten ved Drive Managed SMR med de høje skrivehastigheder fra Host Managed SMR. Disse drev er bagudkompatible med ældre lagersystemer og kan fungere uden direkte kontrol fra værten, men i dette tilfælde, som med DMSMR-drev, bliver deres ydeevne uforudsigelig.
Ligesom Host Managed SMR bruger Host Aware SMR to typer zoner: Konventionelle zoner til tilfældige skrivninger og sekventielle skriveforetrukne zoner. Sidstnævnte, i modsætning til de sekventielle skrivekrævede zoner nævnt ovenfor, bliver automatisk henvist til kategorien af almindelige, hvis de begynder at registrere data i uorden.
Den værtsbevidste implementering af SMR giver interne mekanismer til gendannelse fra inkonsekvente skrivninger. Out-of-order data skrives til cache-områder, hvorfra disken kan overføre informationen til det sekventielle skriveområde, efter at alle nødvendige blokke er modtaget. Disken bruger en indirekte tabel til at styre skrivning i uorden og baggrundsdefragmentering. Men hvis virksomhedsapplikationer kræver forudsigelig og optimeret ydeevne, kan dette stadig kun opnås, hvis værten tager fuld kontrol over alle datastrømme og registreringszoner.
Kilde: www.habr.com