Ο πρώτος σκληρός δίσκος στον κόσμο, το IBM RAMAC 305, που κυκλοφόρησε το 1956, περιείχε μόνο 5 MB δεδομένων και ζύγιζε 970 κιλά και ήταν συγκρίσιμο σε μέγεθος με ένα βιομηχανικό ψυγείο. Οι σύγχρονες εταιρικές ναυαρχίδες μπορούν να υπερηφανεύονται για χωρητικότητα ήδη 20 TB. Φανταστείτε: πριν από 64 χρόνια, για να καταγραφεί αυτή η ποσότητα πληροφοριών, θα χρειάζονταν περισσότερα από 4 εκατομμύρια RAMAC 305 και το μέγεθος του κέντρου δεδομένων που χρειαζόταν για να τα φιλοξενήσει, θα ξεπερνούσε τα 9 τετραγωνικά χιλιόμετρα, ενώ σήμερα ένα μικρό κουτί βάρους περίπου 700 γραμμαρίων! Με πολλούς τρόπους, αυτή η απίστευτη αύξηση της πυκνότητας αποθήκευσης έχει επιτευχθεί χάρη στη βελτίωση των μεθόδων μαγνητικής καταγραφής.
Είναι δύσκολο να το πιστέψει κανείς, αλλά ουσιαστικά ο σχεδιασμός των σκληρών δίσκων δεν έχει αλλάξει για σχεδόν 40 χρόνια, από το 1983: ήταν τότε που είδε το φως ο πρώτος σκληρός δίσκος 3,5 ιντσών RO351, που αναπτύχθηκε από τη σκωτσέζικη εταιρεία Rodime. Αυτό το μωρό έλαβε δύο μαγνητικές πλάκες των 10 MB το καθένα, δηλαδή, μπορούσε να κρατήσει διπλάσια δεδομένα από το ενημερωμένο ST-412 5,25 ιντσών, που κυκλοφόρησε από τη Seagate την ίδια χρονιά για τους προσωπικούς υπολογιστές IBM 5160.
Rodime RO351 - ο πρώτος σκληρός δίσκος 3,5 ιντσών στον κόσμο
Παρά την καινοτομία και το συμπαγές μέγεθος, τη στιγμή της κυκλοφορίας του RO351, σχεδόν κανείς δεν το χρειαζόταν και όλες οι περαιτέρω προσπάθειες της Rodime να κερδίσει έδαφος στην αγορά των σκληρών δίσκων απέτυχαν, γι' αυτό η εταιρεία αναγκάστηκε να σταματήσει τη λειτουργία της το 1991, έχοντας πουλήσει σχεδόν όλα τα υπάρχοντα περιουσιακά στοιχεία και μειώνοντας την κατάσταση στο ελάχιστο. Ωστόσο, η Rodime δεν προοριζόταν να χρεοκοπήσει: σύντομα οι μεγαλύτεροι κατασκευαστές σκληρών δίσκων άρχισαν να στρέφονται σε αυτήν, επιθυμώντας να αποκτήσουν άδεια χρήσης του παράγοντα μορφής που κατοχυρώθηκε από τους Σκωτσέζους. Το 3,5" είναι πλέον το βιομηχανικό πρότυπο τόσο για καταναλωτικούς όσο και για επιχειρήσεις HDD.
Με την έλευση των νευρωνικών δικτύων, του Deep Learning και του Internet of Things (IoT), ο όγκος των δεδομένων που δημιουργεί η ανθρωπότητα έχει αρχίσει να αυξάνεται σαν χιονοστιβάδα. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του αναλυτικού πρακτορείου IDC, μέχρι το 2025 ο όγκος των πληροφοριών που θα παράγονται τόσο από τους ίδιους τους ανθρώπους όσο και από τις συσκευές γύρω μας θα φτάσει τα 175 zettabyte (1 Zbyte = 1021 bytes) και αυτό παρά το γεγονός ότι το 2019 ήταν 45 Zbytes, το 2016 - 16 Zbyte, και πίσω το 2006, ο συνολικός όγκος δεδομένων που παράγονται σε ολόκληρο το προβλέψιμο ιστορικό δεν ξεπερνούσε τα 0,16 (!) Zbyte. Οι σύγχρονες τεχνολογίες βοηθούν στην αντιμετώπιση της έκρηξης των πληροφοριών, μεταξύ των οποίων οι βελτιωμένες μέθοδοι καταγραφής δεδομένων δεν είναι οι τελευταίες.
LMR, PMR, CMR και TDMR: ποια είναι η διαφορά;
Η αρχή λειτουργίας των σκληρών δίσκων είναι αρκετά απλή. Λεπτές μεταλλικές πλάκες επικαλυμμένες με ένα στρώμα σιδηρομαγνητικού υλικού (μια κρυσταλλική ουσία που μπορεί να παραμείνει μαγνητισμένη ακόμη και απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο Curie) κινούνται σε σχέση με το μπλοκ των κεφαλών εγγραφής με υψηλή ταχύτητα (5400 rpm ή περισσότερο). Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα στην κεφαλή γραφής, δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλλάζει την κατεύθυνση του διανύσματος μαγνήτισης των περιοχών (διακριτές περιοχές ύλης) του σιδηρομαγνήτη. Η ανάγνωση δεδομένων συμβαίνει είτε λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (η κίνηση των περιοχών σε σχέση με τον αισθητήρα προκαλεί την εμφάνιση εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος στον τελευταίο), είτε λόγω του γιγαντιαίου μαγνητοαντιστικού φαινομένου (η ηλεκτρική αντίσταση του αισθητήρα αλλάζει επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου), όπως εφαρμόζεται στις σύγχρονες συσκευές αποθήκευσης. Κάθε τομέας κωδικοποιεί ένα bit πληροφοριών, λαμβάνοντας τη λογική τιμή "0" ή "1" ανάλογα με την κατεύθυνση του διανύσματος μαγνήτισης.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι σκληροί δίσκοι χρησιμοποιούσαν τη μέθοδο Longitudinal Magnetic Recording (LMR), στην οποία το διάνυσμα μαγνήτισης τομέα βρισκόταν στο επίπεδο της μαγνητικής πλάκας. Παρά τη σχετική ευκολία εφαρμογής, αυτή η τεχνολογία είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα: για να ξεπεραστεί ο καταναγκασμός (η μετάβαση των μαγνητικών σωματιδίων σε κατάσταση ενός τομέα), έπρεπε να μείνει μια εντυπωσιακή ζώνη προστασίας (ο λεγόμενος χώρος προστασίας). κομμάτια. Ως αποτέλεσμα, η μέγιστη πυκνότητα εγγραφής που επιτεύχθηκε στο τέλος αυτής της τεχνολογίας ήταν μόνο 150 Gb/in2.
Το 2010, το LMR αντικαταστάθηκε σχεδόν πλήρως από το PMR (Perpendicular Magnetic Recording - perpendicular magnetic recording). Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτής της τεχνολογίας και της διαμήκους μαγνητικής εγγραφής είναι ότι το διάνυσμα μαγνητικής κατευθυντικότητας κάθε τομέα βρίσκεται σε γωνία 90° ως προς την επιφάνεια της μαγνητικής πλάκας, γεγονός που επέτρεψε τη σημαντική μείωση του χάσματος μεταξύ των τροχιών.
Λόγω αυτού, η πυκνότητα εγγραφής δεδομένων έχει αυξηθεί σημαντικά (έως 1 Tbit / inch2 στις σύγχρονες συσκευές), ενώ δεν θυσιάζει τα χαρακτηριστικά ταχύτητας και την αξιοπιστία των σκληρών δίσκων. Επί του παρόντος, η κάθετη μαγνητική εγγραφή είναι η κυρίαρχη στην αγορά, γι' αυτό και συχνά αναφέρεται και ως CMR (Conventional Magnetic Recording - συμβατική μαγνητική εγγραφή). Ταυτόχρονα, πρέπει να καταλάβει κανείς ότι δεν υπάρχει καμία απολύτως διαφορά μεταξύ PMR και CMR - αυτή είναι απλώς μια διαφορετική εκδοχή του ονόματος.
Εξετάζοντας τις προδιαγραφές των σύγχρονων σκληρών δίσκων, μπορεί επίσης να συναντήσετε την κρυπτική συντομογραφία TDMR. Συγκεκριμένα, αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται από μονάδες εταιρικής κλάσης . Από τη σκοπιά της φυσικής, το TDMR (που σημαίνει Two Dimensional Magnetic Recording - δισδιάστατη μαγνητική εγγραφή) δεν διαφέρει από το συνηθισμένο PMR: όπως και πριν, έχουμε να κάνουμε με μη τεμνόμενες διαδρομές, τομείς στους οποίους είναι προσανατολισμένοι κάθετα στο επίπεδο των μαγνητικών πλακών. Η διαφορά μεταξύ των τεχνολογιών έγκειται στην προσέγγιση της ανάγνωσης πληροφοριών.
Στο μπλοκ των μαγνητικών κεφαλών των σκληρών δίσκων που δημιουργήθηκε με την τεχνολογία TDMR, κάθε κεφαλή εγγραφής έχει δύο αισθητήρες ανάγνωσης που διαβάζουν ταυτόχρονα δεδομένα από κάθε περασμένο κομμάτι. Αυτός ο πλεονασμός επιτρέπει στον ελεγκτή σκληρού δίσκου να φιλτράρει αποτελεσματικά τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο που προκαλείται από παρεμβολές Intertrack (ITI).
Η επίλυση του προβλήματος με το ITI παρέχει δύο εξαιρετικά σημαντικά οφέλη:
- Η μείωση του συντελεστή θορύβου επιτρέπει την αύξηση της πυκνότητας εγγραφής μειώνοντας την απόσταση μεταξύ των τροχιών, παρέχοντας κέρδος στη συνολική χωρητικότητα έως και 10% σε σύγκριση με το συμβατικό PMR.
- Σε συνδυασμό με την τεχνολογία RVS και έναν μικροενεργοποιητή τριών θέσεων, το TDMR αντιστέκεται αποτελεσματικά στους κραδασμούς περιστροφής που προκαλούνται από τους σκληρούς δίσκους, συμβάλλοντας στην επίτευξη σταθερών επιπέδων απόδοσης ακόμη και στα πιο απαιτητικά περιβάλλοντα.
Τι είναι το SMR και με τι τρώγεται;
Οι διαστάσεις της κεφαλής γραφής είναι περίπου 1,7 φορές μεγαλύτερες από τις διαστάσεις του αισθητήρα ανάγνωσης. Μια τέτοια εντυπωσιακή διαφορά εξηγείται πολύ απλά: εάν η μονάδα εγγραφής γίνει ακόμη πιο μικρογραφία, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου που μπορεί να δημιουργήσει δεν θα είναι αρκετή για να μαγνητίσει τους τομείς του σιδηρομαγνητικού στρώματος, πράγμα που σημαίνει ότι τα δεδομένα απλά δεν θα να αποθηκευτεί. Στην περίπτωση αισθητήρα ανάγνωσης, αυτό το πρόβλημα δεν προκύπτει. Επιπλέον, η μικρογραφία του καθιστά δυνατή την περαιτέρω μείωση της επιρροής του ITI που αναφέρεται παραπάνω στη διαδικασία ανάγνωσης πληροφοριών.
Το γεγονός αυτό αποτέλεσε τη βάση της μαγνητικής καταγραφής με πλακίδια (Shingled Magnetic Recording, SMR). Ας καταλάβουμε πώς λειτουργεί. Όταν χρησιμοποιείτε παραδοσιακό PMR, η κεφαλή γραφής μετατοπίζεται σε σχέση με κάθε προηγούμενο κομμάτι κατά μια απόσταση ίση με το πλάτος της + το πλάτος του προστατευτικού χώρου (χώρος προστασίας).
Όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος μαγνητικής εγγραφής με πλακάκια, η κεφαλή εγγραφής κινείται προς τα εμπρός μόνο ένα μέρος του πλάτους της, έτσι κάθε προηγούμενο κομμάτι αντικαθίσταται εν μέρει από το επόμενο: τα μαγνητικά κομμάτια επικαλύπτονται μεταξύ τους σαν κεραμίδια στέγης. Αυτή η προσέγγιση καθιστά δυνατή την περαιτέρω αύξηση της πυκνότητας εγγραφής, παρέχοντας κέρδος χωρητικότητας έως και 10%, ενώ δεν επηρεάζει τη διαδικασία ανάγνωσης. Ένα παράδειγμα είναι — οι πρώτοι στον κόσμο δίσκοι 3.5 TB 20 ιντσών με διεπαφή SATA/SAS, η εμφάνιση των οποίων έγινε δυνατή χάρη στη νέα τεχνολογία μαγνητικής εγγραφής. Έτσι, η μετάβαση σε δίσκους SMR σάς επιτρέπει να αυξήσετε την πυκνότητα της αποθήκευσης δεδομένων στα ίδια rack με ελάχιστο κόστος για την αναβάθμιση της υποδομής πληροφορικής.
Παρά ένα τόσο σημαντικό πλεονέκτημα, το SMR έχει ένα προφανές μειονέκτημα. Δεδομένου ότι τα μαγνητικά ίχνη αλληλοεπικαλύπτονται, κατά την ενημέρωση δεδομένων, θα χρειαστεί να ξαναγράψετε όχι μόνο το απαιτούμενο τμήμα, αλλά και όλα τα επόμενα κομμάτια μέσα στη μαγνητική πλάκα, ο όγκος των οποίων μπορεί να υπερβαίνει τα 2 terabyte, γεγονός που είναι γεμάτο με σοβαρή πτώση στην απόδοση.
Ο συνδυασμός ενός συγκεκριμένου αριθμού κομματιών σε ξεχωριστές ομάδες που ονομάζονται ζώνες βοηθά στην επίλυση αυτού του προβλήματος. Αν και αυτή η προσέγγιση στην αποθήκευση δεδομένων μειώνει κάπως τη συνολική χωρητικότητα του σκληρού δίσκου (καθώς πρέπει να διατηρούνται επαρκή κενά μεταξύ των ζωνών για να αποτραπεί η αντικατάσταση κομματιών από γειτονικές ομάδες), αυτό μπορεί να επιταχύνει σημαντικά τη διαδικασία ενημέρωσης δεδομένων, καθώς τώρα μόνο περιορισμένος αριθμός κομματιών συμμετέχουν σε αυτό.
Η μαγνητική εγγραφή με πλακάκια περιλαμβάνει διάφορες επιλογές υλοποίησης:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Το κύριο πλεονέκτημά του είναι ότι δεν υπάρχει ανάγκη τροποποίησης του λογισμικού ή/και του υλικού του κεντρικού υπολογιστή, αφού ο ελεγκτής HDD αναλαμβάνει τον έλεγχο της διαδικασίας εγγραφής δεδομένων. Τέτοιες μονάδες δίσκου μπορούν να συνδεθούν σε οποιοδήποτε σύστημα που διαθέτει την απαιτούμενη διεπαφή (SATA ή SAS), μετά την οποία η μονάδα θα είναι αμέσως έτοιμη για χρήση.
Το μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η μεταβλητότητα απόδοσης, η οποία καθιστά το Drive Managed SMR ακατάλληλο για εταιρικές εφαρμογές όπου η συνέπεια της απόδοσης του συστήματος είναι κρίσιμη. Ωστόσο, τέτοιοι δίσκοι έχουν καλή απόδοση σε σενάρια που επιτρέπουν επαρκή χρόνο για να ολοκληρωθεί η ανασυγκρότηση δεδομένων παρασκηνίου. Έτσι, για παράδειγμα, μονάδες DMSMR Βελτιστοποιημένο για χρήση σε μικρό NAS 8 θέσεων, είναι μια εξαιρετική επιλογή για ένα σύστημα αρχειοθέτησης ή δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας που απαιτεί μακροπρόθεσμη αποθήκευση αντιγράφων ασφαλείας.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
Το Host Managed SMR είναι η πιο προτιμώμενη εφαρμογή πλακιδίων για εταιρική χρήση. Σε αυτήν την περίπτωση, το ίδιο το κεντρικό σύστημα είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση των ροών δεδομένων και των λειτουργιών ανάγνωσης/εγγραφής, χρησιμοποιώντας για τους σκοπούς αυτούς τις επεκτάσεις των διεπαφών ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) και SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) που αναπτύχθηκαν από οι επιτροπές INCITS T10 και T13 .
Όταν χρησιμοποιείτε HMSMR, ολόκληρη η διαθέσιμη χωρητικότητα αποθήκευσης χωρίζεται σε δύο τύπους ζωνών: Συμβατικές ζώνες (κανονικές ζώνες), οι οποίες χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση μεταδεδομένων και αυθαίρετη εγγραφή (στην πραγματικότητα, παίζουν το ρόλο μιας κρυφής μνήμης) και Απαιτούμενες ζώνες διαδοχικής εγγραφής (διαδοχικές ζώνες εγγραφής), οι οποίες καταλαμβάνουν μεγάλο μέρος της συνολικής χωρητικότητας του σκληρού δίσκου, στον οποίο τα δεδομένα καταγράφονται αυστηρά διαδοχικά. Τα μη ταξινομημένα δεδομένα αποθηκεύονται στην περιοχή της κρυφής μνήμης, από όπου μπορούν στη συνέχεια να μεταφερθούν στην αντίστοιχη διαδοχική ζώνη εγγραφής. Λόγω αυτού, όλοι οι φυσικοί τομείς γράφονται διαδοχικά στην ακτινική κατεύθυνση και αντικαθίστανται μόνο μετά από μια περιτύλιξη, η οποία σας επιτρέπει να επιτύχετε σταθερή και προβλέψιμη απόδοση του συστήματος. Ταυτόχρονα, οι μονάδες HMSMR υποστηρίζουν εντολές τυχαίας ανάγνωσης παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούν τυπικό PMR.
Host Managed SMR που εφαρμόζεται σε σκληρούς δίσκους εταιρικής κατηγορίας .
Η σειρά περιλαμβάνει μονάδες SATA και SAS υψηλής χωρητικότητας που έχουν σχεδιαστεί για χρήση σε κέντρα δεδομένων υπερκλίμακας. Η υποστήριξη για SMR με διαχείριση κεντρικού υπολογιστή διευρύνει σημαντικά το πεδίο εφαρμογής τέτοιων σκληρών δίσκων: εκτός από συστήματα δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας, είναι ιδανικά για αποθήκευση cloud, CDN ή πλατφόρμες ροής. Η υψηλή χωρητικότητα των σκληρών δίσκων σάς επιτρέπει να αυξήσετε σημαντικά την πυκνότητα αποθήκευσης (στα ίδια rack) με ελάχιστο κόστος αναβάθμισης και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (λιγότερο από 0,29 watt ανά terabyte αποθηκευμένων πληροφοριών) και απαγωγή θερμότητας (κατά μέσο όρο 5 ° C χαμηλότερη από ανάλογα) — περαιτέρω μείωση του λειτουργικού κόστους συντήρησης του κέντρου δεδομένων.
Το μόνο μειονέκτημα του HMSMR είναι η συγκριτική πολυπλοκότητα της υλοποίησης. Το θέμα είναι ότι σήμερα ούτε ένα λειτουργικό σύστημα ή εφαρμογή δεν μπορεί να λειτουργήσει με τέτοιους δίσκους εκτός συσκευασίας, γι' αυτό απαιτούνται σημαντικές αλλαγές στη στοίβα λογισμικού για την προσαρμογή της υποδομής πληροφορικής. Πρώτα απ 'όλα, αυτό αφορά, φυσικά, το ίδιο το λειτουργικό σύστημα, το οποίο στις συνθήκες των σύγχρονων κέντρων δεδομένων που χρησιμοποιούν διακομιστές πολλαπλών πυρήνων και πολλαπλών υποδοχών είναι μια μάλλον μη τετριμμένη εργασία. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις επιλογές για την υλοποίηση υποστήριξης για SMR με διαχείριση κεντρικού υπολογιστή σε έναν εξειδικευμένο πόρο. αφιερωμένο στα ζητήματα της αποθήκευσης δεδομένων σε ζώνες. Οι πληροφορίες που συλλέγονται εδώ θα σας βοηθήσουν να αξιολογήσετε προκαταρκτικά την ετοιμότητα της υποδομής πληροφορικής σας για μετάβαση σε συστήματα αποθήκευσης ζωνών.
- Host Aware SMR (SMR που υποστηρίζεται από τον κεντρικό υπολογιστή)
Οι συσκευές με δυνατότητα Host Aware SMR συνδυάζουν την άνεση και την ευελιξία του Drive Managed SMR με τη γρήγορη ταχύτητα εγγραφής του Host Managed SMR. Τέτοιες μονάδες δίσκου είναι συμβατές με παλαιότερα συστήματα αποθήκευσης και μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς άμεσο έλεγχο από τον κεντρικό υπολογιστή, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, όπως και με τις μονάδες DMSMR, η απόδοσή τους γίνεται απρόβλεπτη.
Όπως το Host Managed SMR, το Host Aware SMR χρησιμοποιεί δύο τύπους ζωνών: Συμβατικές ζώνες για τυχαίες εγγραφές και Sequential Write Preferred Zones (ζώνες που προτιμώνται για διαδοχική εγγραφή). Οι τελευταίες, σε αντίθεση με τις Απαιτούμενες Ζώνες Διαδοχικής Εγγραφής που αναφέρθηκαν παραπάνω, μεταφέρονται αυτόματα στην κατηγορία των συνηθισμένων, εάν αρχίσουν να γράφουν δεδομένα με μη ταξινομημένο τρόπο.
Η υλοποίηση του SMR με επίγνωση του κεντρικού υπολογιστή παρέχει εσωτερικούς μηχανισμούς ανάκτησης από ασυνεπείς εγγραφές. Τα τυχαία δεδομένα εγγράφονται στην περιοχή της κρυφής μνήμης, από όπου ο δίσκος μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες στη ζώνη διαδοχικής εγγραφής αφού ληφθούν όλα τα απαραίτητα μπλοκ. Η μονάδα δίσκου χρησιμοποιεί έναν πίνακα έμμεσων κατευθύνσεων για τη διαχείριση εγγραφών με σειρά και ανασυγκρότηση φόντου. Ωστόσο, εάν απαιτείται προβλέψιμη και βελτιστοποιημένη απόδοση για εταιρικές εφαρμογές, αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο όταν ο κεντρικός υπολογιστής έχει τον πλήρη έλεγχο όλων των ροών δεδομένων και των ζωνών εγγραφής.
Πηγή: www.habr.com