Die weltweit erste Festplatte, die 305 erschienene IBM RAMAC 1956, fasste nur 5 MB Daten, wog 970 kg und war in der Größe mit einem Industriekühlschrank vergleichbar. Moderne Unternehmens-Flaggschiffe können eine Kapazität von 20 TB vorweisen. Stellen Sie sich vor: Um diese Menge an Informationen aufzuzeichnen, wären vor 64 Jahren über 4 Millionen RAMAC 305 erforderlich gewesen, und die Größe des dafür erforderlichen Rechenzentrums hätte mehr als 9 Quadratkilometer betragen, während heute eine kleine Kiste wiegt etwa 700 Gramm! Diese unglaubliche Steigerung der Speicherdichte wurde in vielerlei Hinsicht dank Verbesserungen bei den magnetischen Aufzeichnungsmethoden erreicht.
Es ist kaum zu glauben, aber das grundlegende Design von Festplatten hat sich seit fast 40 Jahren nicht verändert, beginnend im Jahr 1983: Damals erblickte die erste 3,5-Zoll-Festplatte RO351, entwickelt von der schottischen Firma Rodime, das Licht der Welt. Dieses Baby verfügte über zwei 10-MB-Platten, was bedeutete, dass es doppelt so viele Daten speichern konnte wie der aktualisierte 412-Zoll-ST-5,25 von Seagate, der im selben Jahr für den IBM 5160-Personalcomputer herausgebracht wurde.
Rodime RO351 – die weltweit erste 3,5-Zoll-Festplatte
Trotz seiner Innovation und kompakten Größe erwies sich der RO351 zum Zeitpunkt seiner Veröffentlichung als praktisch nutzlos für jedermann und alle weiteren Versuche von Rodime, auf dem Festplattenmarkt Fuß zu fassen, scheiterten, weshalb das Unternehmen 1991 gezwungen wurde seine Aktivitäten einzustellen, fast alle bestehenden Vermögenswerte zu veräußern und das Personal auf ein Minimum zu reduzieren. Rodime war jedoch nicht dazu bestimmt, bankrott zu gehen: Bald begannen die größten Festplattenhersteller Kontakt mit Rodime aufzunehmen und eine Lizenz zur Nutzung des von den Schotten patentierten Formfaktors zu erwerben. Derzeit ist 3,5 Zoll der allgemein akzeptierte Standard für die Produktion sowohl von Consumer-Festplatten als auch von Laufwerken der Enterprise-Klasse.
Mit dem Aufkommen neuronaler Netze, Deep Learning und dem Internet der Dinge (IoT) begann die Menge der von der Menschheit erzeugten Daten exponentiell zu wachsen. Nach Schätzungen der Analyseagentur IDC wird die Menge an Informationen, die sowohl von den Menschen selbst als auch von den Geräten um uns herum generiert wird, bis zum Jahr 2025 175 Zettabyte (1 Zbyte = 1021 Bytes) erreichen, und das, obwohl diese im Jahr 2019 45 Zbytes betrug , im Jahr 2016 - 16 Zbytes, und im Jahr 2006 überschritt die Gesamtdatenmenge, die über den gesamten beobachtbaren Verlauf produziert wurde, nicht 0,16 (!) Zbytes. Moderne Technologien tragen zur Bewältigung der Informationsflut bei, nicht zuletzt verbesserte Methoden zur Datenerfassung.
LMR, PMR, CMR und TDMR: Was ist der Unterschied?
Das Funktionsprinzip von Festplatten ist recht einfach. Dünne Metallplatten, die mit einer Schicht aus ferromagnetischem Material (einer kristallinen Substanz, die bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts auch dann magnetisiert bleiben kann, wenn sie keinem äußeren Magnetfeld ausgesetzt sind) beschichtet sind, bewegen sich relativ zur Schreibkopfeinheit mit hoher Geschwindigkeit (5400 Umdrehungen pro Minute bzw mehr). Wenn an den Schreibkopf ein elektrischer Strom angelegt wird, entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das die Richtung des Magnetisierungsvektors der Domänen (diskrete Materiebereiche) des Ferromagneten ändert. Das Auslesen der Daten erfolgt entweder aufgrund des Phänomens der elektromagnetischen Induktion (die Bewegung von Domänen relativ zum Sensor verursacht das Auftreten eines elektrischen Wechselstroms in diesem) oder aufgrund eines riesigen magnetoresistiven Effekts (unter dem Einfluss eines Magnetfelds wird die elektrische Spannung erzeugt). Widerstand des Sensors ändert sich), wie er in modernen Antrieben umgesetzt wird. Jede Domäne kodiert ein Informationsbit und nimmt je nach Richtung des Magnetisierungsvektors den logischen Wert „0“ oder „1“ an.
Lange Zeit verwendeten Festplatten das LMR-Verfahren (Longitudinal Magnetic Recording), bei dem der Domänenmagnetisierungsvektor in der Ebene der Magnetplatte lag. Trotz der relativ einfachen Implementierung hatte diese Technologie einen erheblichen Nachteil: Um die Koerzitivkraft (den Übergang magnetischer Partikel in einen Eindomänenzustand) zu überwinden, musste eine beeindruckende Pufferzone (der sogenannte Schutzraum) dazwischen gelassen werden Die Schienen. Infolgedessen betrug die maximale Aufzeichnungsdichte, die am Ende dieser Technologie erreicht wurde, nur 150 Gbit/Zoll2.
Im Jahr 2010 wurde LMR fast vollständig durch PMR (Perpendicular Magnetic Recording) ersetzt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Technologie und der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung besteht darin, dass der magnetische Richtungsvektor jeder Domäne in einem Winkel von 90° zur Oberfläche der Magnetplatte angeordnet ist, wodurch der Abstand zwischen den Spuren erheblich verringert wurde.
Dadurch wurde die Datenaufzeichnungsdichte deutlich erhöht (bis zu 1 Tbit/in2 bei modernen Geräten), ohne dass die Geschwindigkeitseigenschaften und Zuverlässigkeit von Festplatten darunter leiden. Derzeit dominiert die senkrechte Magnetaufzeichnung den Markt, weshalb sie auch oft als CMR (Conventional Magnetic Recording) bezeichnet wird. Gleichzeitig müssen Sie verstehen, dass es absolut keinen Unterschied zwischen PMR und CMR gibt – es handelt sich lediglich um eine andere Version des Namens.
Beim Studium der technischen Eigenschaften moderner Festplatten stößt man möglicherweise auch auf die mysteriöse Abkürzung TDMR. Diese Technologie wird insbesondere von Laufwerken der Enterprise-Klasse verwendet . Aus physikalischer Sicht unterscheidet sich TDMR (was für Two Dimensional Magnetic Recording steht) nicht vom üblichen PMR: Nach wie vor haben wir es mit sich nicht überschneidenden Spuren zu tun, deren Domänen senkrecht zur Ebene des Magneten ausgerichtet sind Platten. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt in der Herangehensweise an das Lesen von Informationen.
Im Block der Magnetköpfe von Festplatten, die mit der TDMR-Technologie erstellt wurden, verfügt jeder Schreibkopf über zwei Lesesensoren, die gleichzeitig Daten von jeder durchlaufenen Spur lesen. Diese Redundanz ermöglicht es dem HDD-Controller, elektromagnetisches Rauschen, das durch Intertrack-Interferenz (ITI) verursacht wird, effektiv zu filtern.
Die Lösung des ITI-Problems bietet zwei äußerst wichtige Vorteile:
- Durch die Reduzierung des Rauschfaktors können Sie die Aufzeichnungsdichte erhöhen, indem Sie den Abstand zwischen den Spuren verringern, was zu einer Steigerung der Gesamtkapazität um bis zu 10 % im Vergleich zu herkömmlichem PMR führt.
- In Kombination mit der RVS-Technologie und einem Drei-Positionen-Mikroaktuator widersteht TDMR effektiv Rotationsvibrationen, die durch Festplatten verursacht werden, und trägt so dazu bei, auch unter schwierigsten Betriebsbedingungen ein gleichbleibendes Leistungsniveau zu erreichen.
Was ist SMR und womit wird es gegessen?
Die Größe des Schreibkopfes ist im Vergleich zur Größe des Lesesensors etwa 1,7-mal größer. Dieser beeindruckende Unterschied lässt sich ganz einfach erklären: Wenn das Aufzeichnungsmodul noch kleiner gemacht wird, reicht die Stärke des Magnetfelds, das es erzeugen kann, nicht aus, um die Domänen der ferromagnetischen Schicht zu magnetisieren, was bedeutet, dass die Daten einfach nicht ausreichen nicht gespeichert werden. Bei einem Lesesensor tritt dieses Problem nicht auf. Darüber hinaus ermöglicht seine Miniaturisierung, den Einfluss des oben genannten ITI auf den Informationsleseprozess weiter zu reduzieren.
Diese Tatsache bildete die Grundlage für das Shingled Magnetic Recording (SMR). Lassen Sie uns herausfinden, wie es funktioniert. Bei Verwendung eines herkömmlichen PMR wird der Schreibkopf relativ zu jeder vorherigen Spur um einen Abstand verschoben, der seiner Breite + der Breite des Schutzraums entspricht.
Bei der gekachelten magnetischen Aufzeichnungsmethode bewegt sich der Schreibkopf nur um einen Teil seiner Breite vorwärts, sodass jede vorherige Spur teilweise von der nächsten überschrieben wird: Die Magnetspuren überlappen einander wie Dachziegel. Mit diesem Ansatz können Sie die Aufzeichnungsdichte weiter erhöhen und so eine Kapazitätssteigerung von bis zu 10 % erzielen, ohne den Lesevorgang zu beeinträchtigen. Ein Beispiel ist - die weltweit ersten 3.5-Zoll-20-TB-Laufwerke mit SATA/SAS-Schnittstelle, deren Erscheinung durch die neue Magnetaufzeichnungstechnologie ermöglicht wurde. Somit ermöglicht Ihnen der Übergang zu SMR-Festplatten eine Erhöhung der Datenspeicherdichte in denselben Racks bei minimalen Kosten für die Modernisierung der IT-Infrastruktur.
Trotz dieses erheblichen Vorteils hat SMR auch einen offensichtlichen Nachteil. Da sich die Magnetspuren überlappen, erfordert die Datenaktualisierung nicht nur das Neuschreiben des erforderlichen Fragments, sondern auch aller nachfolgenden Spuren innerhalb der Magnetplatte, deren Volumen 2 Terabyte überschreiten kann, was zu einem erheblichen Leistungsabfall führen kann.
Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine bestimmte Anzahl von Spuren in separaten Gruppen, sogenannten Zonen, zusammengefasst wird. Obwohl dieser Ansatz zur Organisation der Datenspeicherung die Gesamtkapazität der Festplatte etwas verringert (da ausreichende Lücken zwischen den Zonen eingehalten werden müssen, um zu verhindern, dass Titel benachbarter Gruppen überschrieben werden), kann er den Prozess der Datenaktualisierung seitdem erheblich beschleunigen Es ist nur eine begrenzte Anzahl von Titeln daran beteiligt.
Die magnetische Kachelaufzeichnung umfasst mehrere Implementierungsmöglichkeiten:
- Laufwerksverwaltetes SMR
Der Hauptvorteil besteht darin, dass keine Änderungen an der Host-Software und/oder -Hardware erforderlich sind, da der HDD-Controller die Kontrolle über den Datenaufzeichnungsvorgang übernimmt. Solche Laufwerke können an jedes System angeschlossen werden, das über die erforderliche Schnittstelle (SATA oder SAS) verfügt, woraufhin das Laufwerk sofort einsatzbereit ist.
Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Leistungsniveaus variieren, wodurch Drive Managed SMR für Unternehmensanwendungen ungeeignet ist, bei denen eine konsistente Systemleistung von entscheidender Bedeutung ist. Solche Laufwerke funktionieren jedoch gut in Szenarien, in denen genügend Zeit für die Defragmentierung der Hintergrunddaten bleibt. Zum Beispiel DMSMR-Laufwerke , optimiert für den Einsatz als Teil eines kleinen NAS mit 8 Einschüben, ist eine ausgezeichnete Wahl für ein Archivierungs- oder Backup-System, das eine langfristige Speicherung von Backups erfordert.
- Vom Host verwaltetes SMR
Host Managed SMR ist die bevorzugte gekachelte Aufzeichnungsimplementierung für den Einsatz in einer Unternehmensumgebung. In diesem Fall ist das Hostsystem selbst für die Verwaltung der Datenströme und Lese-/Schreibvorgänge verantwortlich und nutzt zu diesem Zweck die von INCITS entwickelten Schnittstellenerweiterungen ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) und SCSI (Zoned Block Commands, ZBC). T10- und T13-Ausschüsse.
Bei der Verwendung von HMSMR wird die gesamte verfügbare Speicherkapazität des Laufwerks in zwei Arten von Zonen unterteilt: Konventionelle Zonen, die zum Speichern von Metadaten und zufälliger Aufzeichnung verwendet werden (im Wesentlichen die Rolle eines Caches spielen), und Zonen mit sequenziellem Schreibbedarf, die diese belegen einen großen Teil der gesamten Festplattenkapazität aus, in den Daten streng sequentiell geschrieben werden. Daten außerhalb der Reihenfolge werden in einem Cache-Bereich gespeichert, von wo aus sie dann in den entsprechenden sequentiellen Schreibbereich übertragen werden können. Dadurch wird sichergestellt, dass alle physischen Sektoren sequentiell in radialer Richtung beschrieben und erst nach einer zyklischen Übertragung neu beschrieben werden, was zu einer stabilen und vorhersehbaren Systemleistung führt. Gleichzeitig unterstützen HMSMR-Laufwerke zufällige Lesebefehle auf die gleiche Weise wie Laufwerke, die Standard-PMR verwenden.
Host Managed SMR ist in Festplatten der Enterprise-Klasse implementiert .
Die Linie umfasst SATA- und SAS-Laufwerke mit hoher Kapazität, die für den Einsatz in Hyperscale-Rechenzentren konzipiert sind. Durch die Unterstützung von Host Managed SMR erweitert sich der Einsatzbereich solcher Festplatten deutlich: Neben Backup-Systemen eignen sie sich perfekt für Cloud-Speicher, CDN oder Streaming-Plattformen. Die hohe Kapazität von Festplatten ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Speicherdichte (in denselben Racks) bei minimalen Upgrade-Kosten und geringem Stromverbrauch (nicht mehr als 0,29 Watt pro Terabyte gespeicherter Informationen) und Wärmeableitung (durchschnittlich 5 °C niedriger). als Analoga) - reduzieren Sie die Betriebskosten für die Wartung des Rechenzentrums weiter.
Der einzige Nachteil von HMSMR ist die relative Komplexität der Implementierung. Tatsache ist, dass heutzutage kein Betriebssystem und keine Anwendung mehr mit solchen Laufwerken funktionieren kann, weshalb gravierende Änderungen am Software-Stack erforderlich sind, um die IT-Infrastruktur anzupassen. Dies betrifft zunächst natürlich das Betriebssystem selbst, was unter den Bedingungen moderner Rechenzentren mit Multi-Core- und Multi-Socket-Servern eine eher nicht triviale Aufgabe ist. Weitere Informationen zu Optionen zur Implementierung der Host Managed SMR-Unterstützung finden Sie auf einer speziellen Ressource , gewidmet Fragen der zonalen Datenspeicherung. Die hier gesammelten Informationen helfen Ihnen, die Bereitschaft Ihrer IT-Infrastruktur für die Übertragung auf Zonenspeichersysteme vorab einzuschätzen.
- Host-Aware-SMR (Host-Aware-SMR)
Host Aware SMR-fähige Geräte kombinieren den Komfort und die Flexibilität von Drive Managed SMR mit den hohen Schreibgeschwindigkeiten von Host Managed SMR. Diese Laufwerke sind abwärtskompatibel mit älteren Speichersystemen und können ohne direkte Steuerung durch den Host betrieben werden. In diesem Fall ist ihre Leistung jedoch wie bei DMSMR-Laufwerken unvorhersehbar.
Wie Host Managed SMR verwendet Host Aware SMR zwei Arten von Zonen: konventionelle Zonen für zufällige Schreibvorgänge und bevorzugte Zonen für sequenzielles Schreiben. Letztere werden im Gegensatz zu den oben erwähnten Sequential Write Required Zones automatisch in die Kategorie der regulären Zonen verbannt, wenn sie beginnen, Daten nicht in der richtigen Reihenfolge aufzuzeichnen.
Die hostbewusste Implementierung von SMR bietet interne Mechanismen zur Wiederherstellung nach inkonsistenten Schreibvorgängen. Daten außerhalb der Reihenfolge werden in Cache-Bereiche geschrieben, von wo aus die Festplatte die Informationen an den sequentiellen Schreibbereich übertragen kann, nachdem alle erforderlichen Blöcke empfangen wurden. Die Festplatte verwendet eine Indirektionstabelle, um das Schreiben außerhalb der Reihenfolge und die Defragmentierung im Hintergrund zu verwalten. Wenn Unternehmensanwendungen jedoch eine vorhersehbare und optimierte Leistung erfordern, kann dies dennoch nur erreicht werden, wenn der Host die volle Kontrolle über alle Datenflüsse und Aufzeichnungszonen übernimmt.
Source: habr.com