Maailma esimene kõvaketas, IBM RAMAC 305, mis ilmus 1956. aastal, mahutas vaid 5 MB andmeid, kuid kaalus 970 kg ning oli suuruselt võrreldav tööstusliku jahutusseadmeseega. Tänapäeva ettevõtte lipulaevad võivad uhkustada juba 20 TB mahuga. Kujutage ette: 64 aastat tagasi oli sellise info salvestamiseks vajalik üle 4 miljoni RAMAC 305, ja andmekeskuse suurus, mis oleks vajalik nende mahutamiseks, tõuseks üle 9 ruutkilomeetri, samas kui täna piisab selleks väikesest kastist, mille kaal on umbes 700 grammi! Sellise uskumatult suurenenud salvestustiheduse saavutamine on suures osas tingitud magnetilise salvestamise meetodite täiustamisest.
Raske on raske uskuda, kuid kõvakettade konstruktsioon põhimõtteliselt ei muutu juba pea 40 aastat, alates 1983. aastast: just siis tuli turule esimene 3,5-tollise suurusega kõvaketas RO351, mille arendas Šotimaa ettevõte Rodime. See pisike seade sisaldas kahte magnetplaatide komplekti, kummaski 10 MB, mistõttu suutis see mahutada kaks korda rohkem andmeid kui uuendatud ST-412, mille Seagate välja andis samal aastal IBM 5160 personaalarvutitele.
Rodime RO351 — maailma esimene 3,5-tolline kõvaketas
Vaatamata innovaatilisusele ja kompaktsusele ei olnud RO351 oma väljalaskmise ajal praktiliselt kellelegi vajalik, ning kõik Rodime edasised katsed kõvakettaturul püsima jääda lõppesid ebaõnnestumisega, mistõttu pidi ettevõte 1991. aastal oma tegevuse lõpetama, müües praktiliselt kõik oma varad ja vähendades töötajaskonna miinimumini. Kuid Rodime'i pankrotti ei saanud olla määratud: kiiresti hakkasid tema poole pöörduma suurimad kõvakettatootjad, kes soovisid osta litsentsi patendiomanikelt, šotlastelt, et kasutada nende väljatöötatud formaati. Praegu on 3,5-tolline formaet üldiselt aktsepteeritud standard nii tarbijate HDD-de kui ka ettevõtte klassi mäluseadmete tootmisel.
Tehisintellekti, sügava õppimise ja asjade Interneti (IoT) arenguga on inimkonna loodava andmehulga kasv muutunud plahvatuslikuks. Analüüsibüroo IDC hinnangul jõuab 2025. aastaks nii inimeste kui ka ümbritsevate seadmete genereeritud teabe hulk 175 zettabaidi (1 ZB = 10^21 baiti), samas kui 2019. aastal oli see 45 ZB, 2016. aastal 16 ZB, ja kauges 2006. aastal ei ületanud kogu andmete maht, mis on toodetud kogu nähtava ajaloo jooksul, 0,16 (!) ZB. Informatsiooni plahvatusega toimetulekut aitavad kaasa tänapäeva tehnoloogiad, sealhulgas täiustatud andmete salvestuse meetodid.
LMR, PMR, CMR ja TDMR: mis on erinevus?
Kõvakettade tööpõhimõte on üsna lihtne. Õhukesed metallplaadid, kaetud ferromagneetilise materjali kihiga (kristalline aine, mis suudab säilitada magnetiseerituse isegi väljaspool välist magnetvälja ja temperatuuril, mis on madalam kui Kürü punkt), liiguvad kirjutuspäise bloki suhtes suurel kiirusel (5400 pööret minutis või rohkem). Kui kirjutuspäise peale rakendatakse elektrit, tekib vahelduv magnetväli, mis muudab ferromagneetiku domeenide (diskreetsete ainepiiride) magnetiseerimisvektori suunda. Andmete lugemine toimub kas elektromagnetilise induktsiooni nähtuse kaudu (domeenide liikumine sensori suhtes põhjustab viimases vahelduva elektrivoolu tekkimise) või suure magnetoresistiivsuse efekti kaudu (magnetvälja mõjul muutub sensori elektritakistus), nagu see on kaasaegsetes mäluseadmetes. Iga domeen kodeerib ühe info biti, omades loogilist väärtust „0“ või „1“ sõltuvalt magnetiseerimisvektori suunast.
Pikka aega kasutasid kõvakettad pikisuunalise magnetisalvestuse (Longitudinal Magnetic Recording, LMR) meetodit, kus domeenide magnetiseerimise vektor asus magnetplaadi tasandil. Hoolimata teostamise suhtelisest lihtsusest, oli sellel tehnoloogial oluline puudus: koercitiivsuse (magnetosüsteemide siirdumine ühe domeeni olekusse) ületamiseks tuli radade vahel jätta märkimisväärne puhvritsoon (nn guard space — kaitseala). Seetõttu oli maksimaalne salvestustihedus, mida selle tehnoloogia lõpus saavutati, vaid 150 Gbit/düüm2.
2010. aastal asendati LMR praktiliselt täielikult PMR-i (Perpendicular Magnetic Recording — risti magnetisalvestus). Selle tehnoloogia peamine erinevus pikisuunalisest magnetisalvestusest seisneb selles, et iga domeeni magnetisuund on 90° nurga all magnetplaadi pinnale, mis võimaldas oluliselt vähendada radade vahemaa.
Selle tõttu on andmete salvestamise tihedust märgatavalt suurendatud (kuni 1 Tbit/dõi² kaasaegsetes seadmetes), ohverdades samas mitte ketaste kiirusomadusi ja usaldusväärsust. Hetkel on perpendikulaarne magnetkirjutamine turul domineeriv, mistõttu nimetatakse seda sageli ka CMR-ks (Conventional Magnetic Recording — tavapärane magnetkirjutamine). Siinkohal tuleb mõista, et PMR ja CMR vahel ei ole tegelikult mingit erinevust — see on lihtsalt teine nimi.
Uurides kaasaegsete kõvakettaste tehnilisi omadusi, võite samuti kokku puutuda salapärase lühendiga TDMR. Eelkõige kasutavad seda tehnoloogiat ettevõtlustaseme salvestusseadmed. . Füüsika seisukohalt ei eristu TDMR (mis tähistab Two Dimensional Magnetic Recording — kahemõõtmeline magnetkirjutamine) millegagi tuntud PMR-ist: nagu varem, tegeleme me mitteühtivate radadega, mille domeenid on orienteeritud perpendikulaarselt magnetplaatide tasemele. Tehnoloogiate vahe seisneb infovoogude lugemistehnikas.
TDMR-tehnoloogiaga loodud kõvakettade magnetpeade plokis on iga kirjutamispea jaoks kaks lugemisandurit, mis viivad samaaegselt läbi andme lugemist igalt rajalt. See ülepakkumine võimaldab HDD kontrolleril tõhusalt filtreerida elektromagnetilisi häireid, mille tekke põhjuseks on raja vahelised häired (Intertrack Interference, ITI).
ITI probleemi lahendamine tagab kaks äärmiselt olulist eelist:
- häirete koefitsiendi vähenemine võimaldab suurendada salvestusmahtu, vähendades raja vahemaid, pakkudes kuni 10% võrreldes tavapärase PMR-iga;
- koos RVS-tehnoloogia ja kolmekohtalise mikroaktuaatoriga võimaldab TDMR tõhusalt taluda rotatsioonivibreid, mida kõvaketaste töö põhjustab, aidates saavutada stabiilset jõudlust ka kõige keerulisemates töötingimustes.
Mis on SMR ja millega see tegeleb?
Kiripeaga suurus on ligikaudu 1,7 korda suurem kui lugemisseadmestiku suurus. See silmapaistev erinevus on lihtsasti seletatav: kui salvestusmodul põhjalikult miniaturiseerida, pole genereeritava magnetvälja jõud piisav ferromagnetkihi domeenide magnetimiseks, mistõttu andmed lihtsalt ei salvestu. Lugemisseadmestiku puhul sellist probleemi ei esine. Veelgi enam: selle miniaturiseerimine vähendab eelpool mainitud ITI mõju teabele lugemisprotsessile.
See fakt on aluseks plaatide magnetsalvestusele (Shingled Magnetic Recording, SMR). Vaatame, kuidas see töötab. Traditsioonilise PMR kasutamisel nihkub kirjutamispea iga varasema riba suhtes kaugusele, mis on võrdne tema laius + kaitsevööndi laius (guard space).
Magnetkirjutamise katse kasutamisel nihkub kirjutuspea ettepoole vaid osaliselt, seetõttu salvestatakse iga eelmine rada osaliselt järgnenud raja peale: magnetrajad kattuvad nagu katuseruut. Selline lähenemine võimaldab täiendavalt suurendada salvestustiheduse, pakkudes kuni 10% mahutavuse kasvu, samas mitte mõjutades lugemisprotsessi. Näiteks võib tuua — maailma esimesed 3,5-tollised 20 TB andmekandjad SATA/SAS liidesega, mille ilmumine sai võimalikuks just tänu uuele magnetkirjutustehnoloogiale. Seeläbi võimaldab SMR-diskidele üleminek andmete salvestustiheduse suurendamist samades kappides minimaalsete IT-infrastruktuuri moderniseerimise kuludega.
Kuigi SMR-l on suur eelis, on tal ka ilmseid puudusi. Kuna magnetribad kattuvad üksteisega, tuleb andmete värskendamisel kirjutada ümber mitte ainult vajalik fragment, vaid ka kõik järgmised rajad magnetplaadil, mille maht võib ületada 2 terabaiti, mis võib põhjustada tõsist jõudluse langust.
Seda probleemi aitab lahendada teatud arvu radade ühendamine eraldi rühmadesse, mida nimetatakse tsoonideks. Kuigi selline lähenemine andmete salvestamise korraldusele vähendab HDD kogumahtu (kuna tsoonide vahel tuleb säilitada piisavalt suuri vahemaid, et takistada naabergruppide radade ümberkirjutamist), võimaldab see andmete värskendamise protsessi oluliselt kiirendada, kuna nüüd osaleb selles ainult piiratud arv radu.
Klaasikujuline magnetiline salvestus eeldab mitmeid rakendusvõimalusi:
- Drive Managed SMR (SMR, ketta poolt juhitav)
Peamine eelis on see, et hosti tarkvara ja/või riistvara modifitseerimist ei ole vaja, kuna andmete salvestamise protseduuri haldab HDD kontroller. Sellised kettad saavad olla ühendatud mis tahes süsteemiga, kus on vajalik liides (SATA või SAS), pärast mida on salvesti kohe tööks valmis.
Selle lähenemise miinus on jõudluse taseme muutlikkus, mistõttu Drive Managed SMR ei sobi ettevõtte rakendustele, kus süsteemi jõudluse stabiilsus on kriitilise tähtsusega. Siiski toimivad sellised kettad hästi stsenaariumides, kus on piisavalt aega andmete taustdefragmenteerimiseks. Näiteks DMSMR-salvestid , mis on optimeeritud kasutamiseks väikestes 8-kohalistest NAS-seadmetes, on suurepärane valik arhiveerimise või varundamise süsteemide jaoks, mis eeldavad pikaajalist varunduste säilitamist.
- Host Managed SMR (hosti poolt hallatav SMR)
Host Managed SMR — kõige eelistatum lahendus plaadikirje kasutamiseks ettevõtte keskkonnas. Sel juhul vastutab andmevoogude ja lugemis/kirjutamisoperatsioonide haldamise eest ise host-süsteem, kasutades selleks ATA liideste laiendusi (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) ja SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), mille on välja töötanud komiteed INCITS T10 ja T13.
HMSMR-i kasutamisel jagatakse kogu saadaval olev salvestusruum kahe tüüpi tsoonideks: Conventional Zones (tavalised tsoonid), mis on mõeldud metaandmete ja juhusliku kirjutamise jaoks (praktiliselt toimivad nad vahemäluna), ja Sequential Write Required Zones (järjekindla kirjutamise tsoonid), mis hõlmavad enamikku kõvaketta kogumahtuvusest, kus andmed kirjutatakse rangelt järjestikku. Korraldamata andmed talletatakse vahemälus, kust need võivad seejärel vastavasse järjestikku kirjutamise tsooni üle kanda. Selle tõttu kirjutatakse kõik füüsilised sektorid järjestikku raadiusesse ja kirjutatakse üle ainult pärast tsüklit, mis võimaldab saavutada süsteemi stabiilset ja ettearvatavat jõudlust. Samuti toetavad HMSMR-kettad juhusliku lugemise käske samamoodi nagu PMR-tehnoloogiat kasutavad seadmed.
Host Managed SMR on rakendatud ettevõtte klassi kõvakettastes. .
Toode sisaldab suurte mahutavustega SATA- ja SAS-kettasid, mis on suunatud hübriidsete andmekeskuste kasutamiseks. Host Managed SMR toe tugi laiendab oluliselt nende kõvakettade rakendusi: lisaks varukoopiatele sobivad nad suurepäraselt pilvandmetesalvestusse, CDN-idele või voogedastuse platvormidele. Kõvakettade kõrge mahutavus võimaldab oluliselt suurendada salvestustihedust (samades rackides) minimaalsete uuenduskuludega, ning madal energiatarve (mitte rohkem kui 0,29 W iga talletatud terabaiti kohta) ja soojustootmine (keskmiselt 5 °C madalam kui analoogidel) aitavad veelgi vähendada andmekeskuse hoolduskulusid.
HMSMR-i ainus puudus on selle rakendamise võrdeline keerukus. Praeguseks ei toeta ükski operatsioonisüsteem või rakendus selliseid salvestusseadmeid „karbist välja”, mistõttu IT-infrastruktuuri kohandamiseks on vajalikud märkimisväärsed muudatused tarkvara kaustas. Esiteks puudutab see muidugi operatsioonisüsteemi, mis kaasaegsete andmekeskuste tingimustes, mis kasutavad mitu tuuma ja soklit, on piisavalt keeruline ülesanne. Täiendavate võimaluste uurimiseks Host Managed SMR toetuse rakendamiseks külastage spetsialiseeritud ressurssi , mis käsitleb andmete tsoonide hoidmise küsimusi. Siin kogutud teave aitab eelnevalt hinnata teie IT-infrastruktuuri valmisolekut tsooniliste salvestussüsteemide üleminekul.
- Host Aware SMR (SMR, mida toetab host)
Host Aware SMR-i toetavad seadmed ühendavad Drive Managed SMR-i mugavuse ja paindlikkuse koos Host Managed SMR-i kiire kirjutamisega. Need ketasühendused on tagurpidi ühilduvad vanade salvestussüsteemidega ja saavad töötada ilma otse hosti järelevalveta, kuid sel juhul, nagu ka DMSMR-kettaste kasutamisel, muutub nende jõudlus ettearvamatuks.
Nagu Host Managed SMR, kasutab Host Aware SMR kaht tüüpi alasid: Conventional Zones juhuslikuks kirjutamiseks ja Sequential Write Preferred Zones (järjestikuks kirjutamiseks eelistatavad alad). Viimased, erinevalt eelnevalt mainitud Sequential Write Required Zones-ist, muudetakse automaatselt tavaliseks, kui neis algab juhuslik andmete kirjutamine.
SMR-i rakendamine hostitugi toetab sisemisi mehhanisme, et taastada andmeid mitteseeria kirjutamise korral. Määratlemata andmed salvestatakse vahemälu aladesse, kust ketas saab teavet edastada järjestikku kirjutamise alasse pärast vajalike plokkide vastuvõtmist. Mitteseeria kirjutamise haldamiseks ja taustadefraagmenteerimise jaoks kasutab ketas kaudse viitamise tabelit. Siiski, kui ettevõtte rakendustelt on vajalik etteaimatav ja optimeeritud sooritusvõime, on seda siiski võimalik saavutada ainult juhul, kui host haldab täielikult kõiki andmevooge ja kirjutamisalasid.
Allikas: habr.com
