El primer disco duro del mundo, el IBM RAMAC 305, lanzado en 1956, contenía sólo 5 MB de datos, pesaba 970 kg y era comparable en tamaño a un frigorífico industrial. Los buques insignia corporativos modernos pueden presumir de una capacidad de 20 TB. Imagínese: hace 64 años, para registrar esta cantidad de información se habrían necesitado más de 4 millones de RAMAC 305 y el tamaño del centro de datos necesario para albergarlos habría superado los 9 kilómetros cuadrados, mientras que hoy una pequeña caja que pesa unos 700 gramos! En muchos sentidos, este increíble aumento en la densidad de almacenamiento se logró gracias a mejoras en los métodos de grabación magnética.
Cuesta creerlo, pero el diseño fundamental de los discos duros no ha cambiado en casi 40 años, a partir de 1983: fue entonces cuando vio la luz el primer disco duro RO3,5 de 351 pulgadas, desarrollado por la empresa escocesa Rodime. Este bebé tenía dos platos magnéticos de 10 MB cada uno, lo que significa que era capaz de almacenar el doble de datos que el ST-412 Seagate actualizado de 5,25 pulgadas lanzado el mismo año para las computadoras 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 ser prácticamente inútil para nadie, y todos los intentos posteriores de Rodime de afianzarse en el mercado de discos duros fracasaron, por lo que en 1991 la empresa se vio obligada cesar sus actividades, vender casi todos los activos existentes y reducir el personal al mínimo. Sin embargo, Rodime no estaba destinado a ir a la quiebra: pronto los mayores fabricantes de discos duros comenzaron a ponerse en contacto con él, deseando comprar una licencia para utilizar el factor de forma patentado por los escoceses. Actualmente, 3,5 pulgadas es el estándar generalmente aceptado para la producción tanto de discos duros de consumo como de unidades de clase empresarial.
Con la llegada de las redes neuronales, el Deep Learning y el Internet de las Cosas (IoT), el volumen de datos creado por la humanidad comenzó a crecer exponencialmente. Según estimaciones de la agencia analítica IDC, en 2025 la cantidad de información generada tanto por las propias personas como por los dispositivos que nos rodean alcanzará los 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes), y ello a pesar de que en 2019 ascendía a 45 Zbytes. , en 2016: 16 Zbytes, y en 2006, la cantidad total de datos producidos durante toda la historia observable no superó los 0,16 (!) Zbytes. Las tecnologías modernas están ayudando a hacer frente a la explosión de información, entre ellas la mejora de los métodos de registro de datos.
LMR, PMR, CMR y TDMR: ¿Cuál es la diferencia?
El principio de funcionamiento de los discos duros es bastante sencillo. Placas metálicas delgadas recubiertas con una capa de material ferromagnético (una sustancia cristalina que puede permanecer magnetizada incluso cuando no se expone a un campo magnético externo a temperaturas por debajo del punto de Curie) se mueven en relación con la unidad del cabezal de escritura a alta velocidad (5400 revoluciones por minuto o más). Cuando se aplica una corriente eléctrica al cabezal de escritura, surge un campo magnético alterno que cambia la dirección del vector de magnetización de los dominios (regiones discretas de materia) del ferroimán. La lectura de datos se produce debido al fenómeno de la inducción electromagnética (el movimiento de los dominios con respecto al sensor provoca la aparición de una corriente eléctrica alterna en este último), o debido a un efecto magnetorresistivo gigante (bajo la influencia de un campo magnético, el eléctrico La resistencia del sensor cambia), como se implementa en los accionamientos modernos. Cada dominio codifica un bit de información, tomando el valor lógico "0" o "1" dependiendo de la dirección del vector de magnetización.
Durante mucho tiempo, los discos duros utilizaron el método de grabación magnética longitudinal (LMR), en el que el vector de magnetización del dominio se encontraba en el plano de la placa magnética. A pesar de la relativa simplicidad de implementación, esta tecnología tenía un inconveniente importante: para superar la coercitividad (la transición de las partículas magnéticas a un estado de dominio único), era necesario dejar una impresionante zona de amortiguamiento (el llamado espacio de guardia) entre las pistas. Como resultado, la densidad de grabación máxima que se alcanzó al final de esta tecnología fue de sólo 150 Gbit/pulgada2.
En 2010, LMR fue reemplazado casi por completo por PMR (Grabación Magnética Perpendicular). La principal diferencia entre esta tecnología y la grabación magnética longitudinal es que el vector de dirección magnética de cada dominio se encuentra en un ángulo de 90° con respecto a la superficie de la placa magnética, lo que ha reducido significativamente el espacio entre las pistas.
Gracias a esto, la densidad de grabación de datos aumentó significativamente (hasta 1 Tbit/in2 en dispositivos modernos), sin sacrificar las características de velocidad y confiabilidad de los discos duros. Actualmente, la grabación magnética perpendicular domina el mercado, por lo que también se la suele denominar CMR (Grabación Magnética Convencional). Al mismo tiempo, debe comprender que no existe absolutamente ninguna diferencia entre PMR y CMR; es solo una versión diferente del nombre.
Al estudiar las características técnicas de los discos duros modernos, es posible que también se encuentre con la misteriosa abreviatura TDMR. En particular, esta tecnología es utilizada por unidades de clase empresarial. . Desde el punto de vista de la física, TDMR (que significa grabación magnética bidimensional) no se diferencia del PMR habitual: como antes, estamos tratando con pistas que no se cruzan, cuyos dominios están orientados perpendicularmente al plano magnético. platos. La diferencia entre tecnologías radica en el enfoque de lectura de información.
En el bloque de cabezales magnéticos de discos duros creados con tecnología TDMR, cada cabezal de escritura tiene dos sensores de lectura que leen simultáneamente los datos de cada pista pasada. Esta redundancia permite que el controlador HDD filtre eficazmente el ruido electromagnético, cuya aparición es causada por la interferencia entre pistas (ITI).
Resolver el problema ITI proporciona dos beneficios extremadamente importantes:
- reducir el factor de ruido permite aumentar la densidad de grabación al reducir la distancia entre pistas, proporcionando una ganancia en la capacidad total de hasta un 10% respecto al PMR convencional;
- Combinado con la tecnología RVS y un microactuador de tres posiciones, TDMR resiste eficazmente la vibración rotacional causada por los discos duros, lo que ayuda a lograr niveles consistentes de rendimiento incluso en las condiciones operativas más desafiantes.
¿Qué es el SMR y con qué se come?
El tamaño del cabezal de escritura es aproximadamente 1,7 veces mayor en comparación con el tamaño del sensor de lectura. Una diferencia tan impresionante se puede explicar de forma muy sencilla: si el módulo de grabación se hace aún más pequeño, la intensidad del campo magnético que puede generar no será suficiente para magnetizar los dominios de la capa ferromagnética, lo que significa que los datos simplemente no ser almacenado. En el caso de un sensor de lectura, este problema no surge. Además: su miniaturización permite reducir aún más la influencia del ITI antes mencionado en el proceso de lectura de la información.
Este hecho formó la base de la grabación magnética Shingled (SMR). Averigüemos cómo funciona. Cuando se utiliza un PMR tradicional, el cabezal de escritura se desplaza con respecto a cada pista anterior una distancia igual a su ancho + el ancho del espacio de guarda.
Cuando se utiliza el método de grabación magnética en mosaico, el cabezal de escritura avanza solo una parte de su ancho, por lo que cada pista anterior se sobrescribe parcialmente con la siguiente: las pistas magnéticas se superponen entre sí como si fueran tejas. Este enfoque permite aumentar aún más la densidad de grabación, proporcionando una ganancia de capacidad de hasta un 10%, sin afectar el proceso de lectura. Un ejemplo es - las primeras unidades del mundo de 3.5 pulgadas y 20 TB con interfaz SATA/SAS, cuya aparición fue posible gracias a la nueva tecnología de grabación magnética. Por lo tanto, la transición a discos SMR permite aumentar la densidad de almacenamiento de datos en los mismos racks con costos mínimos de actualización de la infraestructura de TI.
A pesar de una ventaja tan significativa, SMR también tiene un inconveniente obvio. Dado que las pistas magnéticas se superponen entre sí, para actualizar los datos será necesario reescribir no solo el fragmento requerido, sino también todas las pistas posteriores dentro del plato magnético, cuyo volumen puede exceder los 2 terabytes, lo que puede provocar una caída importante en el rendimiento.
Este problema se puede resolver combinando un cierto número de pistas en grupos separados llamados zonas. Aunque este enfoque para organizar el almacenamiento de datos reduce un poco la capacidad total del disco duro (ya que es necesario mantener espacios suficientes entre zonas para evitar que se sobrescriban las pistas de grupos adyacentes), pero puede acelerar significativamente el proceso de actualización de datos, ya que ahora Sólo interviene un número limitado de pistas.
La grabación magnética en mosaico implica varias opciones de implementación:
- SMR administrado por unidad
Su principal ventaja es que no es necesario modificar el software y/o hardware del host, ya que el controlador HDD toma el control del procedimiento de grabación de datos. Estas unidades se pueden conectar a cualquier sistema que tenga la interfaz requerida (SATA o SAS), después de lo cual la unidad estará inmediatamente lista para su uso.
La desventaja de este enfoque es que los niveles de rendimiento varían, lo que hace que Drive Managed SMR no sea adecuado para aplicaciones empresariales donde el rendimiento constante del sistema es fundamental. Sin embargo, estas unidades funcionan bien en escenarios que permiten suficiente tiempo para que se produzca la desfragmentación de datos en segundo plano. Por ejemplo, unidades DMSMR , optimizado para su uso como parte de un pequeño NAS de 8 bahías, será una excelente opción para un sistema de archivo o copia de seguridad que requiera almacenamiento de copias de seguridad a largo plazo.
- SMR administrado por host
Host Managed SMR es la implementación de grabación en mosaico preferida para su uso en un entorno empresarial. En este caso, el propio sistema host es el encargado de gestionar los flujos de datos y las operaciones de lectura/escritura, utilizando para estos fines las extensiones de interfaz ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) y SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) desarrolladas por el INCITS. Comités T10 y T13.
Cuando se utiliza HMSMR, toda la capacidad de almacenamiento disponible de la unidad se divide en dos tipos de zonas: zonas convencionales, que se utilizan para almacenar metadatos y grabaciones aleatorias (esencialmente desempeñando el papel de caché), y zonas de escritura secuencial requerida, que ocupan una gran parte de la capacidad total del disco duro en la que los datos se escriben de forma estrictamente secuencial. Los datos desordenados se almacenan en un área de caché, desde donde luego se pueden transferir al área de escritura secuencial adecuada. Esto garantiza que todos los sectores físicos se escriban secuencialmente en la dirección radial y se reescriban solo después de una transferencia cíclica, lo que da como resultado un rendimiento del sistema estable y predecible. Al mismo tiempo, las unidades HMSMR admiten comandos de lectura aleatoria de la misma manera que las unidades que utilizan PMR estándar.
Host Managed SMR se implementa en discos duros de clase empresarial .
La línea incluye unidades SATA y SAS de alta capacidad diseñadas para su uso en centros de datos a hiperescala. La compatibilidad con Host Managed SMR amplía significativamente el ámbito de aplicación de estos discos duros: además de los sistemas de copia de seguridad, son perfectos para almacenamiento en la nube, CDN o plataformas de streaming. La alta capacidad de los discos duros permite aumentar significativamente la densidad de almacenamiento (en los mismos racks) con costos mínimos de actualización y un bajo consumo de energía (no más de 0,29 vatios por terabyte de información almacenada) y disipación de calor (en promedio 5 °C menos). que los análogos): reduce aún más los costos operativos para el mantenimiento del centro de datos.
El único inconveniente de HMSMR es la relativa complejidad de su implementación. La cuestión es que hoy en día ningún sistema operativo o aplicación puede funcionar con este tipo de unidades de fábrica, por lo que se requieren cambios importantes en la pila de software para adaptar la infraestructura de TI. En primer lugar, se trata, por supuesto, del sistema operativo en sí, que en las condiciones de los centros de datos modernos que utilizan servidores de múltiples núcleos y múltiples sockets no es una tarea trivial. Puede obtener más información sobre las opciones para implementar el soporte de SMR administrado por host en un recurso especializado , dedicado a cuestiones de almacenamiento de datos zonales. La información recopilada aquí lo ayudará a evaluar preliminarmente la preparación de su infraestructura de TI para la transferencia a sistemas de almacenamiento de zona.
- SMR compatible con host (SMR compatible con host)
Los dispositivos habilitados para Host Aware SMR combinan la conveniencia y flexibilidad de Drive Managed SMR con las altas velocidades de escritura de Host Managed SMR. Estas unidades son compatibles con sistemas de almacenamiento heredados y pueden funcionar sin control directo del host, pero en este caso, como ocurre con las unidades DMSMR, su rendimiento se vuelve impredecible.
Al igual que Host Managed SMR, Host Aware SMR utiliza dos tipos de zonas: zonas convencionales para escrituras aleatorias y zonas preferidas de escritura secuencial. Estas últimas, a diferencia de las zonas requeridas de escritura secuencial mencionadas anteriormente, quedan automáticamente relegadas a la categoría de zonas normales si comienzan a registrar datos desordenados.
La implementación de SMR compatible con el host proporciona mecanismos internos para la recuperación de escrituras inconsistentes. Los datos desordenados se escriben en áreas de caché, desde donde el disco puede transferir la información al área de escritura secuencial después de que se hayan recibido todos los bloques necesarios. El disco utiliza una tabla de direccionamiento indirecto para gestionar la escritura desordenada y la desfragmentación en segundo plano. Sin embargo, si las aplicaciones empresariales requieren un rendimiento predecible y optimizado, esto sólo se puede lograr si el host toma el control total de todos los flujos de datos y las zonas de grabación.
Fuente: habr.com