Die erste Festplatte der Welt, der IBM RAMAC 305, die 1956 auf den Markt kam, hatte gerade einmal 5 MB SpeicherkapazitĂ€t, wog jedoch 970 kg und hatte die GröĂe eines industriellen KĂŒhlschranks. Moderne Unternehmens-Flaggschiffe können bereits mit einer KapazitĂ€t von bis zu 20 TB aufwarten. Stellen Sie sich vor: Vor 64 Jahren hĂ€tte man mehr als 4 Millionen RAMAC 305 benötigt, um eine derartige Datenmenge zu speichern, und die dafĂŒr nötigen Rechenzentren wĂ€ren ĂŒber 9 Quadratkilometer groĂ gewesen. Heute reicht dafĂŒr ein kleines KĂ€stchen, das gerade einmal 700 Gramm wiegt! Ein GroĂteil des unglaublichen Anstiegs der Speicherdichte ist auf die Weiterentwicklung der Magnetaufzeichnungstechniken zurĂŒckzufĂŒhren.
Es ist schwer zu glauben, aber das Grundprinzip der Festplattentechnologie hat sich seit fast 40 Jahren nicht verĂ€ndert. Seit 1983, als die erste 3,5-Zoll-Festplatte RO351 von dem schottischen Unternehmen Rodime auf den Markt kam, hat sich kaum etwas Grundlegendes geĂ€ndert: Diese kleine Festplatte verfĂŒgte ĂŒber zwei magnetische Platten mit jeweils 10 MB, was bedeutete, dass sie doppelt so viele Daten speichern konnte wie die aktualisierte ST-412 mit 5,25 Zoll, die Seagate im selben Jahr fĂŒr die IBM-PCs 5160 herausbrachte.
Rodime RO351 â die weltweit erste 3,5-Zoll-Festplatte
Trotz ihrer Innovationskraft und kompakten GröĂe war die RO351 zum Zeitpunkt ihrer MarkteinfĂŒhrung kaum gefragt. Alle weiteren Versuche von Rodime, sich auf dem Festplattenspeichermarkt zu etablieren, scheiterten, was 1991 zur SchlieĂung des Unternehmens fĂŒhrte, das nahezu alle Vermögenswerte verkaufte und die Belegschaft auf ein Minimum reduzierte. Doch Rodime war nicht bestimmt, insolvent zu werden: Bald darauf wandten sich die gröĂten Festplattenhersteller an sie, um eine Lizenz fĂŒr die Nutzung des von den Schotten patentierten Formfaktors zu erwerben. Heute ist der 3,5-Zoll-Formfaktor der allgemein akzeptierte Standard fĂŒr die Produktion sowohl von Verbraucher-HDDs als auch von Unternehmensspeichern.
Mit dem Aufkommen von neuronalen Netzen, Deep Learning und dem Internet der Dinge (IoT) wĂ€chst das Volumen der von der Menschheit erzeugten Daten explosionsartig. SchĂ€tzungen des Analystenhauses IDC zufolge wird die Menge an Informationen, die sowohl von Menschen als auch von uns umgebenden GerĂ€ten generiert wird, bis 2025 175 Zettabyte (1 ZB = 10^21 Bytes) erreichen. Zum Vergleich, im Jahr 2019 belief sich dieser Wert auf 45 ZB, 2016 waren es 16 ZB und im fernen Jahr 2006 ĂŒberschritt das gesamte Datenvolumen in der bisherigen Geschichte nicht einmal 0,16 (!) ZB. Mit der BewĂ€ltigung dieser Informationsflut helfen moderne Technologien, zu denen auch verbesserte Methoden der Datenspeicherung gehören.
LMR, PMR, CMR und TDMR: Was ist der Unterschied?
Der Funktionsprinzip von Festplatten ist relativ einfach. DĂŒnne metallische Platten, die mit einer Schicht aus ferromagnetischem Material beschichtet sind (ein kristallines Material, das Magnetisierung selbst ohne Ă€uĂeres Magnetfeld bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur speichern kann), bewegen sich relativ zu einem Schreibkopfblock mit hoher Geschwindigkeit (5400 U/min oder mehr). Bei Anlegen eines elektrischen Stroms an den Schreibkopf entsteht ein wechselndes Magnetfeld, das die Richtung des Magnetisierungsvektors in den DomĂ€nen (diskrete Bereiche des Materials) des Ferromagneten verĂ€ndert. Das Auslesen der Daten erfolgt entweder durch das PhĂ€nomen der elektromagnetischen Induktion (die Bewegung der DomĂ€nen relative zum Sensor erzeugt einen alternierenden elektrischen Strom) oder durch den riesigen magnetoresistiven Effekt (die elektrische WiderstandsĂ€nderung des Sensors unter dem Einfluss eines Magnetfelds), wie es in modernen Speichermedien realisiert wird. Jede DomĂ€ne kodiert ein Bit Information, wobei sie den logischen Wert â0â oder â1â je nach Richtung des Magnetisierungsvektors annimmt.
Ăber viele Jahre verwendeten Festplatten die Methode der longitudinalen magnetischen Aufzeichnung (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), bei der der Magnetisierungsvektor der DomĂ€nen in der Ebene der Magnetplatte lag. Trotz der relativen Einfachheit der Implementierung hatte diese Technologie einen wesentlichen Nachteil: Um die KoerzitivitĂ€t (den Ăbergang magnetischer Partikel in einen EinheitsdomĂ€nzustand) zu ĂŒberwinden, musste zwischen den Spuren ein erheblicher Pufferraum (das sogenannte Guard Space) gelassen werden. Dies fĂŒhrte dazu, dass die maximale Aufzeichnungsdichte, die am Ende dieser Technologie erreicht werden konnte, lediglich 150 Gbit/dmÂČ betrug.
Im Jahr 2010 wurde LMR praktisch vollstĂ€ndig von PMR (Perpendicular Magnetic Recording â senkrechte magnetische Aufzeichnung) verdrĂ€ngt. Der Hauptunterschied dieser Technologie zur longitudinalen magnetischen Aufzeichnung besteht darin, dass der Magnetisierungsvektor jeder DomĂ€ne unter einem Winkel von 90° zur OberflĂ€che der Magnetplatte angeordnet ist, was es ermöglichte, den Abstand zwischen den Spuren erheblich zu verringern.
Durch diese Technologie konnte die Datendichte deutlich erhöht werden (bis zu 1 Tbit/inchÂČ in modernen GerĂ€ten), ohne dabei die Geschwindigkeit und ZuverlĂ€ssigkeit der Festplatten zu beeintrĂ€chtigen. Derzeit ist die senkrechte Magnetaufzeichnung die dominierende Technologie auf dem Markt, weshalb sie auch hĂ€ufig als CMR (Conventional Magnetic Recording â herkömmliche Magnetaufzeichnung) bezeichnet wird. Es ist wichtig zu verstehen, dass es zwischen PMR und CMR keinen wesentlichen Unterschied gibt â es handelt sich lediglich um eine andere Bezeichnung.
Wenn Sie die technischen Spezifikationen moderner Festplatten untersuchen, könnten Sie auf die geheimnisvolle AbkĂŒrzung TDMR stoĂen. Insbesondere wird diese Technologie in Unternehmensspeichermedien eingesetzt. . Physikalisch betrachtet unterscheidet sich TDMR (was fĂŒr Two Dimensional Magnetic Recording â zweidimensionale Magnetaufzeichnung steht) nicht von dem uns vertrauten PMR: wie zuvor haben wir es mit nicht ĂŒberlappenden Spuren zu tun, deren Bereiche senkrecht zur OberflĂ€che der magnetischen Platten ausgerichtet sind. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt im Ansatz zur Informationsauslesung.
In den magnetischen Kopfblöcken von Festplatten, die mit der TDMR-Technologie hergestellt wurden, gibt es fĂŒr jeden Schreibkopf zwei Lesesensoren, die gleichzeitig Daten von jedem zurĂŒckgelegten Track lesen. Diese Redundanz ermöglicht es dem HDD-Controller, elektromagnetische Störungen, die durch die Intertrack-Interferenz (Intertrack Interference, ITI) verursacht werden, effizient zu filtern.
Die Lösung des ITI-Problems bietet zwei Ă€uĂerst wichtige Vorteile:
- Die Reduzierung des Störfaktors ermöglicht eine höhere Datendichte, indem der Abstand zwischen den Tracks verringert wird, was zu einer GesamtkapazitĂ€tssteigerung von bis zu 10 % im Vergleich zu herkömmlichem PMR fĂŒhrt;
- In Kombination mit der RVS-Technologie und einem dreipositionierten Mikroaktuator kann TDMR effektiv gegen Rotationsvibrationen, die durch den Betrieb von Festplatten verursacht werden, entgegenwirken. Dies hilft, ein stabiles Leistungsniveau selbst unter den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen zu erreichen.
Was ist SMR und wie funktioniert es?
Die GröĂe des Schreibkopfs ist etwa 1,7 Mal gröĂer als die des Lesesensors. Dieser signifikante Unterschied lĂ€sst sich einfach erklĂ€ren: Wenn man das Schreibmodul noch kompakter gestaltet, reicht die StĂ€rke des erzeugten Magnetfelds nicht aus, um die DomĂ€nen der ferromagnetischen Schicht zu magnetisieren, was bedeutet, dass die Daten einfach nicht gespeichert werden können. Bei dem Lesesensor stellt sich dieses Problem nicht. DarĂŒber hinaus ermöglicht seine Miniaturisierung, den Einfluss des zuvor erwĂ€hnten ITI auf den Lesevorgang weiter zu reduzieren.
Diese Tatsache bildet die Grundlage fĂŒr die Schindelmagnetaufzeichnung (Shingled Magnetic Recording, SMR). Lassen Sie uns zusammen erkunden, wie das funktioniert. Bei herkömmlichem PMR bewegt sich der Schreibkopf im Vergleich zu jedem vorherigen Track um einen Abstand, der der Breite des Schreibkopfs plus der Breite des Schutzraums (guard space) entspricht.
Beim Einsatz der Schindelaufzeichnungs-Methode bewegt sich der Schreibkopf nur um einen Teil seiner Breite nach vorne, wodurch jeder vorherige Track teilweise vom folgenden ĂŒberschrieben wird: Die magnetischen Spuren ĂŒberlagern sich wie Dachziegel. Dieser Ansatz ermöglicht eine zusĂ€tzliche Erhöhung der Aufzeichnungsdichte, wodurch die KapazitĂ€t um bis zu 10 % gesteigert wird, ohne dass dies den Leseprozess beeintrĂ€chtigt. Ein Beispiel dafĂŒr ist â die ersten 3,5-Zoll-Laufwerke der Welt mit einer KapazitĂ€t von 20 TB und SATA/SAS-Schnittstelle, deren Entwicklung dank der neuen Magnetaufzeichnungstechnologie erst möglich wurde. So ermöglicht der Wechsel zu SMR-Laufwerken eine höhere Datenspeicherdichte in denselben Racks bei minimalen Kosten fĂŒr die Modernisierung der IT-Infrastruktur.
Trotz des erheblichen Vorteils hat SMR einen klaren Nachteil. Da die magnetischen Spuren ĂŒbereinandergelegt werden, erfordert die Aktualisierung von Daten nicht nur das Ăberschreiben des benötigten Fragmentes, sondern aller nachfolgenden Spuren innerhalb der magnetischen Platte, deren KapazitĂ€t 2 Terabyte ĂŒberschreiten kann. Dies kann zu erheblichen LeistungseinbuĂen fĂŒhren.
Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, eine bestimmte Anzahl von Spuren in separate Gruppen zu bĂŒndeln, die als Zonen bezeichnet werden. Obwohl dieser Ansatz zur Datenspeicherung die GesamtkapazitĂ€t der HDD geringfĂŒgig verringert (da zwischen den Zonen ausreichende AbstĂ€nde eingehalten werden mĂŒssen, um ein Ăberschreiben der Spuren aus benachbarten Gruppen zu verhindern), ermöglicht er eine signifikante Beschleunigung des Aktualisierungsprozesses, da nun nur eine begrenzte Anzahl von Spuren beteiligt ist.
Die scheibenförmige magnetische Aufzeichnung sieht mehrere Implementierungsvarianten vor:
- Drive Managed SMR (SMR, laufwerksverwaltet)
Ein wesentliches Vorteil besteht darin, dass keine Modifikationen an der Software und/oder Hardware des Hosts erforderlich sind, da der HDD-Controller die Verwaltung des Schreibprozesses ĂŒbernimmt. Solche Festplatten können an jedes System angeschlossen werden, das ĂŒber die benötigte Schnittstelle (SATA oder SAS) verfĂŒgt, und sind sofort einsatzbereit.
Ein Nachteil dieses Ansatzes ist die Schwankung der Leistungsniveaus, weshalb Drive Managed SMR fĂŒr Unternehmensanwendungen, bei denen eine konstante Systemgeschwindigkeit entscheidend ist, nicht geeignet ist. Dennoch schneiden diese Festplatten gut ab in Szenarien, die ausreichend Zeit fĂŒr die Hintergrunddefragmentierung von Daten bieten. So sind beispielsweise DMSMR-Laufwerke , optimiert fĂŒr den Einsatz in kleinen NAS mit 8 EinschĂŒben, eine ausgezeichnete Wahl fĂŒr ein Archivierungs- oder Backup-System, das eine langfristige Speicherung von Backups vorsieht.
- Host Managed SMR (Host-gesteuertes SMR)
Host Managed SMR â die bevorzugte Wahl fĂŒr die Umsetzung von Shingled Magnetic Recording in Unternehmensumgebungen. In diesem Fall ĂŒbernimmt das Host-System die Verwaltung von Datenströmen sowie Lese- und SchreibvorgĂ€ngen und nutzt hierfĂŒr die Erweiterungen der ATA-Schnittstellen (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 der gesamte verfĂŒgbare Speicherplatz in zwei Arten von Zonen unterteilt: konventionelle Zonen, die fĂŒr die Speicherung von Metadaten und beliebigen Aufzeichnungen verwendet werden (praktisch fungieren sie als Cache), und Zonen fĂŒr sequentielles Schreiben, die den gröĂten Teil der GesamtkapazitĂ€t der Festplatte beanspruchen, in denen Daten strikt sequenziell geschrieben werden. Ungeordneten Daten werden im Cache gespeichert, von wo sie spĂ€ter in die entsprechende sequentielle Schreibzone ĂŒbertragen werden können. Dadurch werden alle physischen Sektoren radial und sequentiell geschrieben und nur nach einem zyklischen Transfer erneut beschrieben, was eine stabile und vorhersehbare Systemleistung ermöglicht. Gleichzeitig unterstĂŒtzen HMSMR-Festplatten zufĂ€llige Lese-Befehle Ă€hnlich wie die von Standard-PMR.
Host Managed SMR wird in Enterprise-Klasse Festplatten umgesetzt. .
Die Produktreihe umfasst hochkapazitative SATA- und SAS-Laufwerke, die fĂŒr den Einsatz in hyperskalierbaren Rechenzentren konzipiert sind. Die UnterstĂŒtzung fĂŒr Host Managed SMR erweitert erheblich die Einsatzmöglichkeiten dieser Festplatten: Neben Backup-Systemen eignen sie sich hervorragend fĂŒr Cloud-Speicher, CDNs oder Streaming-Plattformen. Die hohe SpeicherkapazitĂ€t der Festplatten ermöglicht eine signifikante Steigerung der Speicherdichte (in denselben Racks) bei minimalen Upgrade-Kosten, wĂ€hrend der niedrige Energieverbrauch (nicht mehr als 0,29 Watt pro Terabyte gespeicherter Daten) und die geringere WĂ€rmeentwicklung (im Durchschnitt 5 °C niedriger als bei vergleichbaren Produkten) die Betriebskosten fĂŒr den Betrieb des Rechenzentrums zusĂ€tzlich senken.
Der einzige Nachteil von HMSMR ist die vergleichsweise komplizierte Implementierung. Der Grund dafĂŒr ist, dass bislang kein Betriebssystem oder Anwendung âout of the boxâ mit solchen Speichermedien umgehen kann, was bedeuten kann, dass gravierende Ănderungen im Software-Stack notwendig sind, um die IT-Infrastruktur anzupassen. Dies betrifft in erster Linie das Betriebssystem selbst, was in modernen Rechenzentren, die mehrkernige und multiprozessorfĂ€hige Server nutzen, eine nicht triviale Aufgabe darstellt. Detaillierte Informationen zu den Umsetzungsmöglichkeiten der UnterstĂŒtzung von Host Managed SMR finden Sie auf der spezialisierten Plattform [ZonedStorage.io], die sich mit Fragen des zonalen Datenspeichers beschĂ€ftigt. , die Ihnen helfen, den Grad der Bereitschaft Ihrer IT-Infrastruktur fĂŒr den Umstieg auf zonale Speichersysteme vorab einzuschĂ€tzen.
- Host Aware SMR (hostgesteuertes SMR)
GerĂ€te mit Host Aware SMR-UnterstĂŒtzung vereinen den Komfort und die FlexibilitĂ€t von Drive Managed SMR mit der hohen Schreibgeschwindigkeit von Host Managed SMR. Solche Speicher sind abwĂ€rtskompatibel mit Ă€lteren Speichersystemen und können ohne direkte Kontrolle durch den Host betrieben werden. In diesem Fall, Ă€hnlich wie bei DMSMR-Laufwerken, wird jedoch die Leistung unvorhersehbar.
Ăhnlich wie Host Managed SMR verwendet Host Aware SMR zwei Arten von Zonen: Conventional Zones fĂŒr zufĂ€llige SchreibvorgĂ€nge und Sequential Write Preferred Zones (Zonen, die fĂŒr sequenzielle SchreibvorgĂ€nge bevorzugt werden). Letztere werden, im Gegensatz zu den oben genannten Sequential Write Required Zones, automatisch in den Status der konventionellen Zonen versetzt, wenn unordentliche Datenaufzeichnungen beginnen.
Die Implementierung von SMR mit UnterstĂŒtzung des Hosts umfasst interne Mechanismen zur Wiederherstellung nach inkonsistentem Schreiben. Ungeordnete Daten werden im Cache-Bereich gespeichert, von wo die Festplatte Informationen in den Bereich des sequentiellen Schreibens ĂŒbertragen kann, nachdem alle erforderlichen Blöcke empfangen wurden. Zur Verwaltung von ungeordnetem Schreiben und Hintergrund-Defragmentierung verwendet die Festplatte eine Indextabelle. Wenn jedoch Unternehmensanwendungen vorhersehbare und optimierte Leistung benötigen, kann dies nur erreicht werden, wenn der Host die vollstĂ€ndige Kontrolle ĂŒber alle Datenströme und Schreibzonen ĂŒbernimmt.
Quelle: habr.com
