El primer disco duro del mundo, el IBM RAMAC 305, que apareció en 1956, tenía una capacidad de solo 5 MB de datos, pesaba 970 kg y sus dimensiones eran comparables a las de un refrigerador industrial. Los modelos empresariales modernos pueden presumir de capacidades de hasta 20 TB. ¡Imagínese! Hace 64 años, para almacenar esa cantidad de información, habrían sido necesarias más de 4 millones de RAMAC 305, y el tamaño del centro de datos requerido para alojarlos habría superado los 9 kilómetros cuadrados, mientras que hoy en día basta con una pequeña caja que pesa alrededor de 700 gramos. Este increíble aumento en la densidad de almacenamiento se ha logrado en gran medida gracias a la mejora de los métodos de grabación magnética.
Es difícil de creer, pero la construcción de los discos duros no ha cambiado fundamentalmente en casi 40 años, desde 1983, cuando se presentó el primer disco duro de 3,5 pulgadas, el RO351, desarrollado por la empresa escocesa Rodime. Este pequeño dispositivo contaba con dos platos magnéticos de 10 MB cada uno, lo que le permitía almacenar el doble de datos que el actualizado ST-412 de 5,25 pulgadas, lanzado por Seagate en el mismo año para los ordenadores personales IBM 5160.
Rodime RO351 — el primer disco duro de 3,5 pulgadas del mundo
A pesar de su innovación y tamaño compacto, en el momento de su lanzamiento el RO351 resultó prácticamente innecesario, y todos los intentos posteriores de Rodime por establecerse en el mercado de discos duros fracasaron, lo que llevó a la empresa a cesar sus actividades en 1991, vendiendo prácticamente todos sus activos y reduciendo su plantilla al mínimo. Sin embargo, Rodime no estaba destinada a la quiebra: poco después comenzaron a contactar a ella los principales fabricantes de discos duros, interesados en adquirir la licencia para utilizar el factor de forma patentado por los escoceses. Actualmente, los 3,5 pulgadas son el estándar aceptado tanto para la producción de HDD de consumo como para los dispositivos de clase empresarial.
Con la llegada de las redes neuronales, el Deep Learning y el Internet de las Cosas (IoT), la cantidad de datos generados por la humanidad ha crecido de forma exponencial. Según la firma de análisis IDC, para el año 2025, la cantidad de información generada tanto por personas como por los dispositivos que nos rodean alcanzará los 175 zettabytes (1 ZB = 10^21 bytes), mientras que en 2019 era de 45 ZB, en 2016 de 16 ZB, y en el lejano 2006, el volumen total de datos producidos en toda la historia visible no superaba los 0,16 (!) ZB. Las tecnologías modernas ayudan a lidiar con esta explosión de información, entre las cuales ocupan un lugar destacado los métodos avanzados de grabación de datos.
LMR, PMR, CMR y TDMR: ¿cuál es la diferencia?
El principio de funcionamiento de los discos duros es bastante simple. Delgadas placas metálicas, cubiertas con una capa de material ferromagnético (una sustancia cristalina que puede retener la magnetización incluso sin la influencia de un campo magnético externo a temperaturas por debajo del punto de Curie), se mueven a gran velocidad (5400 revoluciones por minuto o más) en relación con el bloque de cabezales de lectura y escritura. Al aplicar corriente eléctrica a la cabeza de escritura, se genera un campo magnético alterno que cambia la dirección del vector de magnetización de los dominios (áreas discretas de material) del ferromagnético. La lectura de datos se produce ya sea a través del fenómeno de inducción electromagnética (el movimiento de los dominios con respecto al sensor provoca la generación de corriente eléctrica alterna en el sensor), o mediante el efecto gigante del magnetorresistivo (la resistencia eléctrica del sensor cambia bajo la influencia del campo magnético), como se realiza en los dispositivos de almacenamiento modernos. Cada dominio codifica un bit de información, tomando un valor lógico de '0' o '1' dependiendo de la dirección del vector de magnetización.
Durante mucho tiempo, los discos duros utilizaron el método de grabación magnética longitudinal (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), en el que el vector de magnetización de los dominios estaba en el plano del disco magnético. A pesar de su relativa simplicidad de implementación, esta tecnología tenía una desventaja significativa: para superar la coercitividad (la transición de las partículas magnéticas a un estado de unidominio), era necesario dejar una zona de amortiguamiento considerable entre las pistas (lo que se conoce como guard space). Como resultado, la máxima densidad de grabación que se logró al final de esta tecnología era de solo 150 Gbit/dp2.
En 2010, el LMR fue prácticamente completamente reemplazado por el PMR (Perpendicular Magnetic Recording — grabación magnética perpendicular). La principal diferencia de esta tecnología con respecto a la grabación magnética longitudinal es que el vector de alineación magnética de cada dominio se coloca en un ángulo de 90° con respecto a la superficie del disco magnético, lo que permitió reducir significativamente el espacio entre las pistas.
Gracias a esto, la densidad de grabación de datos se pudo aumentar notablemente (hasta 1 Tbit/dp2 en los dispositivos modernos), sin sacrificar las características de velocidad y la fiabilidad de los discos duros. Actualmente, la grabación magnética perpendicular es dominante en el mercado, por lo que a menudo se le llama CMR (Conventional Magnetic Recording — grabación magnética convencional). Debe entenderse que entre PMR y CMR no hay ninguna diferencia real, simplemente son diferentes variantes del nombre.
Al estudiar las especificaciones técnicas de los discos duros modernos, también puede encontrar la misteriosa abreviatura TDMR. En particular, esta tecnología es utilizada por los dispositivos de clase empresarial Desde el punto de vista físico, el TDMR (que se interpreta como Two Dimensional Magnetic Recording — grabación magnética bidimensional) no se diferencia en nada de la conocida PMR: como antes, se trata de pistas no intersecadas, cuyos dominios están orientados perpendicularmente al plano de los discos magnéticos. La diferencia entre las tecnologías radica en el enfoque para leer la información.
En el bloque de cabezales magnéticos de los discos duros fabricados con la tecnología TDMR, cada cabeza de escritura tiene dos sensores de lectura que realizan la lectura de datos simultáneamente desde cada pista recorrida. Esta redundancia permite que el controlador del HDD filtre eficazmente los ruidos electromagnéticos, cuyo origen se debe a la interferencia entre pistas (Intertrack Interference, ITI).
La solución al problema del ITI ofrece dos ventajas extremadamente importantes:
- la reducción del coeficiente de interferencia permite aumentar la densidad de grabación al disminuir la distancia entre las pistas, lo que puede resultar en una capacidad total hasta un 10% superior en comparación con la PMR convencional;
- en combinación con la tecnología RVS y un microactuador de tres posiciones, TDMR permite hacer frente eficazmente a la vibración rotacional causada por el funcionamiento de los discos duros, lo que ayuda a lograr un nivel de rendimiento estable incluso en las condiciones de operación más difíciles.
¿Qué es SMR y cómo funciona?
Las dimensiones de la cabeza de escritura son aproximadamente 1.7 veces mayores que las del sensor de lectura. Esta diferencia tan significativa se explica de forma bastante sencilla: si se miniaturizara aún más el módulo de grabación, la fuerza del campo magnético que podría generar no sería suficiente para magnetizar los dominios de la capa ferromagnética, lo que significa que los datos simplemente no se guardarían. En el caso del sensor de lectura, no surge tal problema. De hecho, su miniaturización permite reducir aún más el impacto del mencionado ITI en el proceso de lectura de información.
Este hecho fue la base de la grabación magnética en capas (Shingled Magnetic Recording, SMR). Vamos a ver cómo funciona. Al utilizar la PMR tradicional, la cabeza de escritura se desplaza con respecto a cada pista anterior a una distancia igual a su ancho más el ancho del espacio de protección (guard space).
Al utilizar el método de grabación magnética en mosaico, la cabeza de escritura se desplaza hacia adelante solo en parte de su ancho, por lo que cada pista anterior queda parcialmente sobrescrita por la siguiente: las pistas magnéticas se superponen entre sí como tejas. Este enfoque permite aumentar adicionalmente la densidad de grabación, logrando una capacidad de hasta un 10%, sin afectar el proceso de lectura. Como ejemplo podemos mencionar — los primeros discos duros de 3.5 pulgadas del mundo con una capacidad de 20 TB y conectividad SATA/SAS, cuya aparición fue posible gracias a la nueva tecnología de grabación magnética. Así, la transición a discos SMR permite aumentar la densidad de almacenamiento de datos en los mismos racks con mínimos costos de modernización de la infraestructura IT.
A pesar de su notable ventaja, el SMR tiene una desventaja evidente. Dado que las pistas magnéticas se superponen, al actualizar datos no solo es necesario sobrescribir el fragmento requerido, sino también todas las pistas subsiguientes en la placa magnética, cuyo volumen puede superar los 2 terabytes, lo que puede resultar en una caída significativa del rendimiento.
Una solución a este problema es agrupar ciertas pistas en grupos separados, llamados zonas. Aunque este enfoque para organizar el almacenamiento de datos reduce algo la capacidad total del HDD (ya que es necesario mantener suficiente espacio entre las zonas para evitar la sobreescritura de pistas de grupos adyacentes), permite acelerar significativamente el proceso de actualización de datos, ya que ahora solo se involucra un número limitado de pistas.
La grabación magnética en mosaico contempla varias opciones de implementación:
- Drive Managed SMR (SMR gestionado por el disco)
Su principal ventaja es la ausencia de necesidad de modificar el software y/o hardware del host, ya que el controlador del HDD se encarga del proceso de escritura de datos. Estos discos pueden ser conectados a cualquier sistema que tenga la interfaz necesaria (SATA o SAS), después de lo cual el dispositivo estará listo para usarse de inmediato.
La desventaja de este enfoque radica en la variabilidad del nivel de rendimiento, lo que hace que el Drive Managed SMR no sea adecuado para aplicaciones empresariales donde la consistencia del rendimiento del sistema es un parámetro crítico. Sin embargo, estos discos funcionan bien en escenarios que permiten tiempo suficiente para realizar la desfragmentación en segundo plano de los datos. Por ejemplo, los discos DMSMR. , optimizados para su uso en NAS pequeños de 8 bahías, son una excelente opción para un sistema de archivado o respaldo que supone un almacenamiento a largo plazo de copias de seguridad.
- Host Managed SMR (SMR gestionada por el host)
Host Managed SMR es la opción más preferida para implementar la grabación de bandas en un entorno corporativo. En este caso, la gestión de los flujos de datos y las operaciones de lectura/escritura son responsabilidad del sistema host, que utiliza extensiones de las interfaces ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) y SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), desarrolladas por los comités INCITS T10 y T13.
Al utilizar HMSMR, todo el espacio disponible del disco se divide en zonas de dos tipos: Conventional Zones (zonas convencionales), que se emplean para almacenar metadatos y grabaciones aleatorias (en esencia, actúan como caché), y Sequential Write Required Zones (zonas de escritura secuencial), que ocupan la mayor parte de la capacidad total del disco duro, donde los datos se graban estrictamente de manera secuencial. Los datos no ordenados se almacenan en el área de caché, desde donde luego pueden trasladarse a la zona de escritura secuencial correspondiente. Gracias a esto, todos los sectores físicos se graban secuencialmente en dirección radial y se reescriben solo después de una transferencia cíclica, lo que permite lograr un rendimiento estable y predecible del sistema. Además, los discos HMSMR admiten comandos de lectura aleatoria, similar a los dispositivos que utilizan PMR estándar.
Host Managed SMR está implementado en discos duros de clase empresarial. .
La línea incluye discos duros de alta capacidad SATA y SAS, diseñados para su uso en centros de datos de hiperescala. El soporte de SMR gestionado por el host expande significativamente el ámbito de aplicación de estos discos duros: además de sistemas de respaldo, son ideales para almacenamiento en la nube, CDN o plataformas de streaming. La alta capacidad de los discos duros permite aumentar considerablemente la densidad de almacenamiento (en los mismos racks) con mínimas inversiones en actualizaciones, y el bajo consumo energético (no más de 0.29 vatios por terabyte de información almacenada) y la menor generación de calor (en promedio, 5 °C más baja que en los modelos equivalentes) ayudan a reducir aún más los costos operativos del centro de datos.
El único inconveniente de HMSMR es la complejidad relativa de su implementación. A día de hoy, ningún sistema operativo o aplicación puede trabajar con estos discos «listos para usar», lo que requiere cambios significativos en la infraestructura de TI para adaptarse. Esto afecta principalmente al propio sistema operativo, lo que en el contexto de los modernos centros de datos, que utilizan servidores multicores y multiprocesador, representa un desafío considerable. Puedes encontrar más información sobre las opciones de implementación de soporte para Host Managed SMR en el recurso especializado , dedicado a cuestiones de almacenamiento zonal. La información recopilada aquí te ayudará a evaluar preliminarmente la preparación de tu infraestructura de TI para la transición a sistemas de almacenamiento zonal.
- Host Aware SMR (SMR gestionada por el host)
Los dispositivos con soporte para Host Aware SMR combinan la comodidad y flexibilidad de Drive Managed SMR con la alta velocidad de escritura de Host Managed SMR. Estos discos son retrocompatibles con sistemas de almacenamiento antiguos y pueden funcionar sin control directo del host; sin embargo, en este caso, al igual que al trabajar con discos DMSMR, su rendimiento se vuelve impredecible.
Al igual que el SMR gestionado por el host, el SMR consciente del host utiliza dos tipos de zonas: Zonas Convencionales para escritura aleatoria y Zonas Preferidas para Escritura Secuencial. Estas últimas, a diferencia de las Zonas Requeridas para Escritura Secuencial mencionadas anteriormente, se convierten automáticamente en zonas normales si se comienza a realizar una escritura de datos desordenada en ellas.
La implementación de SMR con soporte de host cuenta con mecanismos internos de recuperación tras la escritura no secuencial. Los datos desordenados se escriben en áreas de caché, desde donde el disco puede mover la información a la zona de escritura secuencial, una vez que se han recibido todos los bloques necesarios. Para controlar la escritura desordenada y la desfragmentación en segundo plano, el disco utiliza una tabla de indirectos. Sin embargo, si las aplicaciones empresariales requieren un rendimiento predecible y optimizado, esto solo se puede lograr si el host se encarga de la gestión completa de todos los flujos de datos y zonas de escritura.
Fuente: habr.com
