Die erste Festplatte der Welt, IBM RAMAC 305, die 1956 auf den Markt kam, hatte nur 5 MB Speicherplatz, wog jedoch 970 kg und hatte die AusmaĂe eines industriellen KĂŒhlschranks. Moderne Unternehmensflagships können bereits mit einer KapazitĂ€t von 20 TB aufwarten. Stellen Sie sich vor: Vor 64 Jahren wĂ€ren zur Speicherung einer derartigen Datenmenge ĂŒber 4 Millionen RAMAC 305 nötig gewesen, und die benötigten Rechenzentren hĂ€tten eine FlĂ€che von ĂŒber 9 Quadratkilometern eingenommen, wĂ€hrend heute bereits eine kleine Box mit einem Gewicht von etwa 700 Gramm ausreicht! Einem GroĂteil dieses unglaublichen Anstiegs der Speicherdichte verdanken wir den Verbesserungen in den Methoden der magnetischen Aufzeichnung.
Es ist schwer zu glauben, aber das grundlegende Design von Festplatten hat sich seit fast 40 Jahren nicht verĂ€ndert, seit 1983, als die erste 3,5-Zoll-Festplatte RO351, entwickelt von der schottischen Firma Rodime, das Licht der Welt erblickte. Dieses kleine GerĂ€t hatte zwei magnetische Platten mit jeweils 10 MB, was bedeutete, dass es doppelt so viele Daten speichern konnte wie das aktualisierte ST-412 mit 5,25 Zoll, das Seagate im selben Jahr fĂŒr die IBM 5160 Personal Computer herausbrachte.
Rodime RO351 â die erste 3,5-Zoll-Festplatte der Welt
Trotz seiner InnovativitĂ€t und kompakten GröĂe war der RO351 zum Zeitpunkt seines Erscheinens praktisch niemandem von Nutzen, und alle weiteren Versuche von Rodime, sich auf dem Festplattentechnologiemarkt zu etablieren, scheiterten, was im Jahr 1991 zur SchlieĂung des Unternehmens fĂŒhrte, das fast alle seine Vermögenswerte verĂ€uĂerte und das Personal auf das Minimum reduzierte. Doch Rodime sollte nicht in den Konkurs gehen: Bald begannen die gröĂten Festplattenhersteller, sich an das Unternehmen zu wenden, um Lizenzen fĂŒr die Nutzung des von den Schotten patentierten Formfaktors zu erwerben. Heute sind 3,5 Zoll der allgemein akzeptierte Standard fĂŒr die Herstellung sowohl von Consumer-HDDs als auch von Enterprise-Speicherlösungen.
Mit dem Aufkommen von neuronalen Netzen, Deep Learning und dem Internet der Dinge (IoT) hat das Volumen der von der Menschheit erzeugten Daten explosionsartig zugenommen. Laut einer SchĂ€tzung des Analyseunternehmens IDC wird bis 2025 die Menge an Informationen, die sowohl von Menschen als auch von den uns umgebenden GerĂ€ten generiert wird, 175 Zettabyte (1 ZB = 10^21 Byte) erreichen, wĂ€hrend sie 2019 bei 45 ZB lag, 2016 bei 16 ZB und im Jahr 2006 der gesamte gesammelte Datenbestand in der gesamten verfĂŒgbaren Geschichte nicht mehr als 0,16 (!) ZB betrug. Mit modernen Technologien, darunter ausgeklĂŒgelte Methoden zur Datenspeicherung, gelingt es uns, die Informationsflut zu bewĂ€ltigen.
LMR, PMR, CMR und TDMR: Was ist der Unterschied?
Der Betrieb von Festplatten ist relativ einfach. DĂŒnne metallene Platten, die mit einer Schicht ferromagnetischen Materials (einer kristallinen Substanz, die magnetisch bleibt, auch wenn sie keinem Ă€uĂeren Magnetfeld unterliegt und bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur arbeitet) beschichtet sind, bewegen sich relativ schnell (5400 Umdrehungen pro Minute oder mehr) im Vergleich zum Schreibkopf. Wird ein elektrischer Strom an den Schreibkopf angelegt, entsteht ein wechselndes Magnetfeld, das die Richtung des Magnetisierungsvektors der DomĂ€nen (diskrete Bereiche des Stoffes) des Ferromagneten verĂ€ndert. Das Auslesen von Daten geschieht entweder durch das PhĂ€nomen der elektromagnetischen Induktion (die Bewegung der DomĂ€nen relativ zum Sensor erzeugt einen wechselnden elektrischen Strom im Sensor) oder durch den gigantischen magnetoresistiven Effekt (die elektrische Widerstand des Sensors Ă€ndert sich unter dem Einfluss eines Magnetfeldes), wie es in modernen Speichermedien umgesetzt ist. Jede DomĂ€ne kodiert ein Bit von Informationen und nimmt je nach Richtung des Magnetisierungsvektors den logischen Wert â0â oder â1â an.
lange Zeit verwendeten Festplatten das Verfahren der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), bei dem der Magnetisierungsvektor der DomĂ€nen in der Ebene der magnetischen Platte lag. Trotz der relativ einfachen Umsetzung hatte diese Technologie einen erheblichen Nachteil: Um die KoerzitivitĂ€t (den Ăbergang magnetischer Partikel in den EinheitsdomĂ€nenzustand) zu ĂŒberwinden, musste zwischen den Spuren eine betrĂ€chtliche Pufferzone (so genanntes Guard Space) gelassen werden. Infolgedessen betrug die maximale Aufzeichnungsdichte, die am Ende dieser Technologie erreicht wurde, nur 150 Gbit/dimÂČ.
Im Jahr 2010 wurde LMR praktisch vollstÀndig durch PMR (Perpendicular Magnetic Recording - senkrechte magnetische Aufzeichnung) ersetzt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Technologie und der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung besteht darin, dass der Magnetisierungsvektor jeder DomÀne in einem Winkel von 90° zur OberflÀche der magnetischen Platte angeordnet ist, was eine erhebliche Verringerung des Abstands zwischen den Spuren ermöglichte.
Durch diese MaĂnahme konnte die Aufzeichnungsdichte erheblich gesteigert werden (bis zu 1 Tbit/dimÂČ in modernen GerĂ€ten), ohne die Geschwindigkeitsmerkmale und die ZuverlĂ€ssigkeit der Festplatten zu beeintrĂ€chtigen. Derzeit ist die senkrechte magnetische Aufzeichnung auf dem Markt dominant, weshalb sie auch oft als CMR (Conventional Magnetic Recording - konventionelle magnetische Aufzeichnung) bezeichnet wird. Dabei ist zu verstehen, dass es zwischen PMR und CMR absolut keinen Unterschied gibt â es ist lediglich eine andere Bezeichnung.
Wenn Sie die technischen Spezifikationen moderner Festplatten untersuchen, können Sie auch auf das mysteriöse Akronym TDMR stoĂen. Insbesondere wird diese Technologie in Enterprise-Klasse-Speichern verwendet . Aus physikalischer Sicht unterscheidet sich TDMR (was als Two Dimensional Magnetic Recording - zweidimensionale magnetische Aufzeichnung ĂŒbersetzt wird) nicht von dem uns vertrauten PMR: Wie zuvor haben wir es mit nicht ĂŒberlappenden Spuren zu tun, in denen die DomĂ€nen senkrecht zur Ebene der magnetischen Platten ausgerichtet sind. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt im Ansatz zur Informationsauslesung.
Im Block der magnetischen Schreibköpfe von Festplatten, die nach der TDMR-Technologie hergestellt wurden, kommen auf jeden Schreibkopf zwei Lesesensoren, die gleichzeitig Daten von jedem durchlaufenen Track lesen. Diese Redundanz ermöglicht es dem HDD-Controller, elektromagnetische Störungen, die durch zwischen Track-Interferenzen (Intertrack Interference, ITI) entstehen, effektiv herauszufiltern.
Die Lösung des ITI-Problems bietet zwei Ă€uĂerst wichtige Vorteile:
- Die Verringerung des Störfaktors ermöglicht eine höhere Datendichte durch Verringerung des Abstands zwischen den Spuren, was eine GesamtkapazitÀtssteigerung von bis zu 10 % im Vergleich zu herkömmlichen PMR ermöglicht;
- In Kombination mit der RVS-Technologie und dem dreistufigen Mikroaktuator ermöglicht TDMR eine effektive BekÀmpfung der rotierenden Vibrationen, die durch den Betrieb der Festplatten verursacht werden, was hilft, ein stabiles Leistungsniveau selbst unter den schwierigsten Betriebsbedingungen zu erreichen.
Was ist SMR und wie funktioniert es?
Die GröĂe des Schreibkopfes ist etwa 1,7 Mal gröĂer als die GröĂe des Lesesensors. Dieser erhebliche Unterschied lĂ€sst sich einfach erklĂ€ren: Wenn das Schreibmodul noch kompakter gestaltet wird, reichen die generierten MagnetfeldkrĂ€fte nicht aus, um die DomĂ€nen der ferromagnetischen Schicht zu magnetisieren, was bedeutet, dass die Daten einfach nicht gespeichert werden. Bei dem Lesesensor tritt dieses Problem nicht auf. DarĂŒber hinaus ermöglicht eine Miniaturisierung des Lesesensors eine zusĂ€tzliche Verringerung des Einflusses der oben erwĂ€hnten ITI auf den Lesevorgang.
Diese Tatsache bildet die Grundlage fĂŒr die schindelartige magnetische Aufzeichnung (Shingled Magnetic Recording, SMR). Lassen Sie uns herausfinden, wie das funktioniert. Bei der Verwendung von herkömmlichem PMR wird der Schreibkopf relativ zu jedem vorherigen Track um einen Abstand verschoben, der gleich seiner Breite plus der Breite des Sicherheitsraums (guard space) ist.
Beim Einsatz der Plattendach-Magnetaufnahme wird der Schreibkopf lediglich um einen Teil seiner Breite vorwĂ€rts verschoben, sodass jeder vorherige Track teilweise vom nachfolgenden ĂŒberschrieben wird: Die Magnetbahnen ĂŒberlappen sich wie Dachziegel. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Datendichte zusĂ€tzlich zu erhöhen und eine KapazitĂ€tssteigerung von bis zu 10 % zu erzielen, ohne dass sich dies auf den Lesevorgang auswirkt. Als Beispiel kann man anfĂŒhren â die ersten 3,5-Zoll-Laufwerke der Welt mit 20 TB KapazitĂ€t und SATA/SAS-Schnittstelle, deren Erscheinung gerade durch die neue Magnetaufzeichnungstechnologie möglich wurde. Somit ermöglicht der Wechsel zu SMR-Laufwerken, die Datenspeicherdichte in denselben Racks bei minimalen Modernisierungskosten zu erhöhen.
Trotz dieses erheblichen Vorteils hat SMR auch einen offensichtlichen Nachteil. Da die Magnetbahnen ĂŒbereinander liegen, erfordert die Aktualisierung von Daten die Neuschreibung nicht nur des benötigten Abschnitts, sondern auch aller nachfolgenden Tracks innerhalb der Magnetplatte, deren Volumen 2 Terabyte ĂŒberschreiten kann, was zu einem erheblichen Leistungsabfall fĂŒhren kann.
Um dieses Problem zu lösen, hilft die Zusammenfassung einer bestimmten Anzahl von Tracks in separierte Gruppen, die als Zonen bezeichnet werden. Obwohl dieser Ansatz zur Datenorganisation die GesamtkapazitĂ€t der HDD etwas verringert (da zwischen den Zonen ausreichend AbstĂ€nde eingehalten werden mĂŒssen, um das Ăberschreiben von Tracks aus benachbarten Gruppen zu verhindern), beschleunigt er den Aktualisierungsprozess erheblich, da jetzt nur eine begrenzte Anzahl von Bahnen beteiligt ist.
Die Plattendach-Magnetaufnahme sieht mehrere Varianten der Umsetzung vor:
- Drive Managed SMR (SMR, vom Laufwerk verwaltet)
Ihr Hauptvorteil liegt darin, dass keine Modifikationen an der Software- und/oder Hardware des Hosts erforderlich sind, da der HDD-Controller die Verwaltung des Schreibprozesses ĂŒbernimmt. Solche Laufwerke können an jedes System angeschlossen werden, das ĂŒber die erforderliche Schnittstelle (SATA oder SAS) verfĂŒgt, wonach das Speichermedium sofort betriebsbereit ist.
Der Nachteil dieses Ansatzes liegt in der Schwankung der Leistungsstufen, weshalb Drive Managed SMR fĂŒr Unternehmensanwendungen ungeeignet ist, in denen eine konstante Systemleistung ein kritischer Parameter ist. Dennoch zeigen sich solche Festplatten in Szenarien gut, die ausreichend Zeit fĂŒr die Hintergrund-Datendefragmentierung bieten. So beispielsweise die DMSMR-Laufwerke , optimiert fĂŒr den Einsatz in kleinen NAS mit 8 EinschĂŒben, sind eine ausgezeichnete Wahl fĂŒr ein Archivierungs- oder Backup-System, das eine langfristige Speicherung von Backups erfordert.
- Host Managed SMR (Host-gesteuertes SMR)
Host Managed SMR ist die bevorzugteste Implementierungsweise der zonierten Schreibtechnik fĂŒr den Einsatz in Unternehmensumgebungen. In diesem Fall ĂŒbernimmt das Hosts-System die Verwaltung der Datenströme und der Lese-/Schreiboperationen und verwendet hierfĂŒr die ATA-Schnittstelle (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) und SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), die von den Komitees INCITS T10 und T13 entwickelt wurden.
Bei der Verwendung von HMSMR wird das gesamte verfĂŒgbare Volumen des Speichermediums in zwei Zonentypen unterteilt: Conventional Zones (konventionelle Zonen), die zur Speicherung von Metadaten und zufĂ€lligen SchreibvorgĂ€ngen verwendet werden (die im Wesentlichen als Cache fungieren), und Sequential Write Required Zones (Zonen mit sequentieller Schreibanforderung), die den GroĂteil der GesamtkapazitĂ€t der Festplatte ausmachen, in denen Daten strikt sequentiell geschrieben werden. Nicht geordnete Daten werden im Cache-Bereich gespeichert, von wo aus sie dann in die entsprechende sequentielle Schreibzone verschoben werden können. Dadurch werden alle physischen Sektoren sequenziell in radialer Richtung beschrieben und nur nach einem zyklischen Transfer neu beschrieben, was eine stabile und vorhersehbare Systemleistung ermöglicht. Gleichzeitig unterstĂŒtzen HMSMR-Festplatten zufĂ€llige Leseoperationen Ă€hnlich wie Laufwerke, die den Standard PMR verwenden.
Host Managed SMR wird in Enterprise-Class-Festplatten implementiert .
Die Produktreihe umfasst hochkapazitive SATA- und SAS-Laufwerke, die fĂŒr den Einsatz in hyperskalierenden Rechenzentren ausgelegt sind. Die UnterstĂŒtzung von Host Managed SMR erweitert das Anwendungsfeld solcher Festplatten wesentlich: neben Backup-Systemen eignen sie sich hervorragend fĂŒr Cloud-Speicher, CDNs oder Streaming-Plattformen. Die hohe KapazitĂ€t der Festplatten ermöglicht es, die Speicherdichte (in denselben Racks) bei minimalen Upgrade-Kosten erheblich zu erhöhen, wĂ€hrend der niedrige Energieverbrauch (nicht mehr als 0,29 Watt pro Terabyte gespeicherter Informationen) und die WĂ€rmeabgabe (im Durchschnitt 5 °C geringer als bei vergleichbaren Produkten) zusĂ€tzlich die Betriebskosten fĂŒr die Wartung des Rechenzentrums senken.
Der einzige Nachteil von HMSMR ist die vergleichsweise komplexe Implementierung. Der Grund dafĂŒr ist, dass derzeit kein Betriebssystem oder keine Anwendung in der Lage ist, mit solchen Laufwerken âout of the boxâ zu arbeiten, was bedeutet, dass fĂŒr die Anpassung der IT-Infrastruktur erhebliche Ănderungen im Software-Stack erforderlich sind. Dies betrifft in erster Linie das Betriebssystem selbst, was in modernen Rechenzentren, die Mehrkern- und Mehrsockel-Server nutzen, eine recht anspruchsvolle Aufgabe darstellt. Weitere Informationen zur Umsetzung der UnterstĂŒtzung von Host Managed SMR finden Sie auf der spezialisierten Webseite , die sich mit Fragen der zonalen Datenspeicherung befasst. Die hier gesammelten Informationen helfen Ihnen, den Grad der Bereitschaft Ihrer IT-Infrastruktur fĂŒr den Ăbergang zu zonalen Speichersystemen vorab zu bewerten.
- Host Aware SMR (Host-unterstĂŒtztes SMR)
GerĂ€te mit UnterstĂŒtzung fĂŒr Host Aware SMR kombinieren die Benutzerfreundlichkeit und FlexibilitĂ€t von Drive Managed SMR mit der hohen Schreibgeschwindigkeit von Host Managed SMR. Solche Laufwerke sind rĂŒckwĂ€rtskompatibel mit veralteten Speichersystemen und können ohne direkte Kontrolle durch den Host funktionieren; in diesem Fall wird jedoch, wie bei der Verwendung von DMSMR-Laufwerken, ihre Leistung unvorhersehbar.
Ăhnlich wie bei Host Managed SMR verwendet Host Aware SMR zwei Arten von Zonen: Conventional Zones fĂŒr zufĂ€lliges Schreiben und Sequential Write Preferred Zones (Zonen, die fĂŒr sequenzielles Schreiben bevorzugt werden). Letztere werden, im Gegensatz zu den oben genannten Sequential Write Required Zones, automatisch zu normalen Zonen, wenn in ihnen mit ungeordnetem Datensatz geschrieben wird.
Die Implementierung von SMR mit Host-UnterstĂŒtzung sieht interne Mechanismen zur Wiederherstellung nach nicht sequenzieller Aufnahme vor. Ungeordnete Daten werden in Cache-Bereiche geschrieben, von wo aus die Festplatte Informationen in die sequenzielle Schreibzone ĂŒbertragen kann, nachdem alle erforderlichen Blöcke empfangen wurden. Um nicht sequenzielles Schreiben und Hintergrund-Defragmentierung zu verwalten, verwendet die Festplatte eine Indextabelle. Wenn jedoch Unternehmensanwendungen eine vorhersehbare und optimierte Leistung benötigen, ist dies weiterhin nur möglich, wenn der Host die vollstĂ€ndige Kontrolle ĂŒber alle Datenströme und Schreibzonen ĂŒbernimmt.
Quelle: habr.com
