Maailma esimene kõvaketas, 305. aastal välja antud IBM RAMAC 1956, mahutas vaid 5 MB andmeid, kaalus 970 kg ja oli suuruselt võrreldav tööstusliku külmikuga. Kaasaegsed ettevõtete lipulaevad võivad kiidelda 20 TB mahutavusega. Kujutage vaid ette: 64 aastat tagasi oleks sellise teabehulga salvestamiseks vaja olnud üle 4 miljoni RAMAC 305 ja nende majutamiseks vajaliku andmekeskuse suurus ületaks 9 ruutkilomeetrit, samas kui tänapäeval oleks väike kast, mis kaalub. umbes 700 grammi! See uskumatu salvestustiheduse kasv saavutati paljuski tänu magnetilise salvestusmeetodi täiustamisele.
Raske uskuda, kuid kõvaketaste põhiline disain pole muutunud peaaegu 40 aastat, alates 1983. aastast: siis nägi ilmavalgust esimene 3,5-tolline kõvaketas RO351, mille töötas välja Šoti firma Rodime. Sellel beebil oli kaks 10 MB taldrikut, mis tähendab, et see mahutas kaks korda rohkem andmeid kui Seagate'i uuendatud 412-tolline ST-5,25, mis anti välja samal aastal IBM 5160 personaalarvuti jaoks.
Rodime RO351 – maailma esimene 3,5-tolline kõvaketas
Vaatamata uuenduslikkusele ja kompaktsele suurusele osutus RO351 väljalaske ajal praktiliselt kellelegi kasutuks ning kõik Rodime edasised katsed kõvakettaturul jalad alla saada ebaõnnestusid, mistõttu oli ettevõte 1991. aastal sunnitud. lõpetada oma tegevus, müües maha peaaegu kõik olemasolevad varad ja vähendades personali miinimumini. Rodimele ei olnud aga määratud pankrotti minna: peagi hakkasid temaga ühendust võtma suurimad kõvakettatootjad, kes soovisid osta šotlaste patenteeritud vormiteguri kasutamise litsentsi. Praegu on 3,5-tolline üldtunnustatud standard nii tarbijatele mõeldud kõvaketaste kui ka ettevõtteklassi draivide tootmisel.
Närvivõrkude, süvaõppe ja asjade interneti (IoT) tulekuga hakkas inimkonna loodud andmete maht hüppeliselt kasvama. Analüütikaagentuuri IDC hinnangul ulatub 2025. aastaks nii inimeste endi kui ka meid ümbritsevate seadmete genereeritud teabe hulk 175 zetabaiti (1 Zbyte = 1021 baiti) ja seda hoolimata asjaolust, et 2019. aastal ulatus see 45 zbaitini. , aastal 2016 - 16 Zbaiti ja veel 2006. aastal ei ületanud kogu vaadeldava ajaloo jooksul toodetud andmete kogus 0,16 (!) Zbaiti. Kaasaegsed tehnoloogiad aitavad infoplahvatusega toime tulla, mille hulgas on ka täiustatud andmete salvestamise meetodid.
LMR, PMR, CMR ja TDMR: mis vahe on?
Kõvaketaste tööpõhimõte on üsna lihtne. Õhukesed metallplaadid, mis on kaetud ferromagnetilise materjali kihiga (kristalliline aine, mis võib jääda magnetiseerituks ka siis, kui see ei puutu kokku välise magnetväljaga temperatuuril alla Curie punkti), liiguvad kirjutuspea suhtes suurel kiirusel (5400 pööret minutis või rohkem). Kui kirjutuspeale rakendatakse elektrivoolu, tekib vahelduv magnetväli, mis muudab ferromagneti domeenide (aine diskreetsete piirkondade) magnetiseerimisvektori suunda. Andmete lugemine toimub kas elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tõttu (domeenide liikumine anduri suhtes põhjustab selles vahelduvvoolu teket) või hiiglasliku magnetoresistiivse efekti tõttu (magnetvälja mõjul tekib elektriline anduri muutuste takistus), nagu seda kasutatakse tänapäevastes ajamites. Iga domeen kodeerib ühte informatsiooni bitti, võttes sõltuvalt magnetiseerimisvektori suunast loogilise väärtuse "0" või "1".
Pikka aega kasutasid kõvakettad Longitudinal Magnetic Recording (LMR) meetodit, mille puhul domeeni magnetiseerimisvektor asus magnetplaadi tasapinnal. Vaatamata rakendamise suhtelisele lihtsusele oli sellel tehnoloogial märkimisväärne puudus: koertsitiivist (magnetosakeste üleminekust ühe domeeni olekusse) ületamiseks tuli jätta muljetavaldav puhvertsoon (nn valveruum) vahele. rajad. Selle tulemusel oli selle tehnoloogia lõpus saavutatud maksimaalne salvestustihedus vaid 150 Gbit/inch2.
2010. aastal asendati LMR peaaegu täielikult PMR-iga (Perpendicular Magnetic Recording). Peamine erinevus selle tehnoloogia ja pikisuunalise magnetsalvestuse vahel seisneb selles, et iga domeeni magnetilise suuna vektor asub magnetplaadi pinna suhtes 90° nurga all, mis on oluliselt vähendanud radade vahelist vahet.
Tänu sellele suurendati oluliselt andmete salvestamise tihedust (kaasaegsetes seadmetes kuni 1 Tbit/in2), ohverdamata kõvaketaste kiirusomadusi ja töökindlust. Praegu domineerib turul perpendikulaarne magnetsalvestus, mistõttu nimetatakse seda sageli ka CMR-iks (tavaline magnetsalvestus). Samal ajal peate mõistma, et PMR-i ja CMR-i vahel pole mingit vahet - see on lihtsalt nime erinev versioon.
Kaasaegsete kõvaketaste tehnilisi omadusi uurides võite kohata ka salapärast lühendit TDMR. Eelkõige kasutavad seda tehnoloogiat ettevõtteklassi draivid . Füüsika seisukohast ei erine TDMR (mis tähendab kahemõõtmelist magnetsalvestust) tavalisest PMR-ist: nagu varemgi, on meil tegemist mittelõikuvate radadega, mille domeenid on orienteeritud magnetilise tasandiga risti. taldrikud. Tehnoloogiate erinevus seisneb lähenemises teabe lugemisele.
TDMR-tehnoloogia abil loodud kõvaketaste magnetpeade plokis on igal kirjutuspeal kaks lugemisandurit, mis loevad samaaegselt andmeid igalt läbitud rajalt. See liiasus võimaldab HDD kontrolleril tõhusalt filtreerida elektromagnetilist müra, mille välimus on põhjustatud intertrack interferentsist (ITI).
ITI probleemi lahendamine annab kaks äärmiselt olulist eelist:
- mürateguri vähendamine võimaldab teil suurendada salvestustihedust, vähendades radade vahelist kaugust, pakkudes tavapärase PMR-iga võrreldes kuni 10% koguvõimsuse suurenemist;
- Koos RVS-tehnoloogia ja kolmepositsioonilise mikroajamiga talub TDMR tõhusalt kõvaketaste põhjustatud pöörlemisvibratsiooni, aidates saavutada ühtlast jõudlust isegi kõige keerulisemates töötingimustes.
Mis on SMR ja millega seda süüakse?
Kirjutamispea suurus on ligikaudu 1,7 korda suurem kui lugemisanduri suurus. Sellist muljetavaldavat erinevust saab seletada üsna lihtsalt: kui salvestusmoodul muuta veelgi miniatuursemaks, ei piisa selle tekitatava magnetvälja tugevusest ferromagnetilise kihi domeenide magnetiseerimiseks, mis tähendab, et andmed lihtsalt muutuvad ei tohi salvestada. Lugemisanduri puhul seda probleemi ei teki. Veelgi enam: selle miniaturiseerimine võimaldab veelgi vähendada ülalmainitud ITI mõju teabe lugemisprotsessile.
See asjaolu oli Shingled Magnetic Recording (SMR) aluseks. Mõelgem välja, kuidas see toimib. Traditsioonilise PMR-i kasutamisel nihutatakse kirjutuspead iga eelmise raja suhtes vahemaa võrra, mis on võrdne selle laiusega + kaitseruumi laiusega.
Plaadiga magnetilise salvestusmeetodi kasutamisel liigub kirjutuspea ettepoole vaid osa oma laiusest, mistõttu iga eelnev rada kirjutatakse osaliselt järgmisega üle: magnetrajad kattuvad üksteisega nagu katusekivid. See lähenemisviis võimaldab teil veelgi suurendada salvestustihedust, suurendades mahtu kuni 10%, ilma lugemisprotsessi mõjutamata. Näide on - maailma esimesed 3.5-tollised 20 TB SATA/SAS liidesega kettad, mille välimus sai võimalikuks tänu uuele magnetsalvestustehnoloogiale. Seega võimaldab SMR-ketastele üleminek suurendada samades riiulites andmete salvestamise tihedust minimaalsete kuludega IT-taristu uuendamiseks.
Vaatamata sellisele olulisele eelisele on SMR-il ka ilmne puudus. Kuna magnetrajad kattuvad, tuleb andmete värskendamiseks ümber kirjutada mitte ainult vajalik fragment, vaid ka kõik järgnevad magnetplaadil olevad lood, mille maht võib ületada 2 terabaiti, mis võib jõudluses tõsiselt halveneda.
Selle probleemi saab lahendada, kombineerides teatud arvu radasid eraldi rühmadesse, mida nimetatakse tsoonideks. Kuigi selline lähenemine andmesalvestuse korraldamisele vähendab mõnevõrra kõvaketta üldist mahtu (kuna naaberrühmade radade ülekirjutamise vältimiseks on vaja säilitada tsoonide vahel piisavad vahed), võib see andmete värskendamise protsessi märkimisväärselt kiirendada, kuna nüüd sellega on seotud vaid piiratud arv lugusid.
Plaatide magnetiline salvestamine hõlmab mitmeid rakendusvõimalusi:
- Drive Managed SMR
Selle peamine eelis on see, et pole vaja hostitarkvara ja/või riistvara muuta, kuna HDD kontroller võtab andmete salvestamise kontrolli üle. Selliseid draive saab ühendada mis tahes süsteemiga, millel on vajalik liides (SATA või SAS), misjärel on draiv kohe kasutusvalmis.
Selle lähenemisviisi puuduseks on see, et jõudluse tasemed on erinevad, mistõttu Drive Managed SMR ei sobi ettevõtete rakenduste jaoks, kus süsteemi ühtlane jõudlus on kriitiline. Sellised draivid toimivad aga hästi stsenaariumides, mis jätavad taustaandmete defragmentimiseks piisavalt aega. Näiteks DMSMR-draivid , optimeeritud kasutamiseks väikese 8-lahtlilise NAS-i osana, on suurepärane valik arhiveerimis- või varundussüsteemi jaoks, mis nõuab varukoopiate pikaajalist säilitamist.
- Hosti hallatav SMR
Host Managed SMR on eelistatud paanitud salvestusrakendus ettevõttekeskkonnas kasutamiseks. Sel juhul vastutab hostsüsteem ise andmevoogude haldamise ja lugemis-/kirjutustoimingute eest, kasutades selleks ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) ja SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) liidese laiendusi, mille on välja töötanud INCITS. T10 ja T13 komiteed .
HMSMR-i kasutamisel jaguneb draivi kogu saadaolev salvestusmaht kahte tüüpi tsoonideks: tavapärased tsoonid, mida kasutatakse metaandmete ja juhusliku salvestamise salvestamiseks (mis täidavad põhiliselt vahemälu rolli), ja järjestikuse kirjutamise nõutavad tsoonid, mis hõivavad suur osa kogu kõvaketta mahust, kuhu andmed kirjutatakse rangelt järjestikku. Järjekorrast väljas olevad andmed salvestatakse vahemälu alasse, kust saab need seejärel sobivasse järjestikusesse kirjutusalasse üle kanda. See tagab, et kõik füüsilised sektorid kirjutatakse järjestikku radiaalsuunas ja kirjutatakse ümber alles pärast tsüklilist ülekannet, mille tulemuseks on stabiilne ja prognoositav süsteemi jõudlus. Samal ajal toetavad HMSMR-draivid juhusliku lugemise käske samamoodi nagu standardset PMR-i kasutavad draivid.
Host Managed SMR on rakendatud ettevõtte klassi kõvaketastele .
Sarja kuuluvad suure võimsusega SATA- ja SAS-draivid, mis on mõeldud kasutamiseks hüperskaala andmekeskustes. Host Managed SMR-i tugi laiendab oluliselt selliste kõvaketaste rakendusala: lisaks varusüsteemidele sobivad need suurepäraselt pilvesalvestuseks, CDN-i või voogedastusplatvormidele. Kõvaketaste suur mahutavus võimaldab minimaalsete uuendamiskulude ja madala energiatarbimisega (mitte rohkem kui 0,29 vatti salvestatud teabe terabaidi kohta) ja soojuse hajumist (keskmiselt 5 °C madalam) oluliselt suurendada salvestustihedust (samades riiulites). kui analoogid) - vähendavad veelgi andmekeskuse hoolduskulusid.
HMSMR-i ainus puudus on rakendamise suhteline keerukus. Asi on selles, et tänapäeval ei saa ükski operatsioonisüsteem ega rakendus selliste draividega karbist välja töötada, mistõttu on IT-infrastruktuuri kohandamiseks vaja teha tõsiseid muudatusi tarkvarapinus. Esiteks puudutab see muidugi OS-i ennast, mis tänapäevaste andmekeskuste tingimustes, mis kasutavad mitmetuumalisi ja mitme pistikupesa servereid, on üsna mittetriviaalne ülesanne. Lisateavet hosti hallatava SMR-i toe juurutamise võimaluste kohta saate spetsiaalses ressursis , mis on pühendatud tsoonilise andmesalvestuse küsimustele. Siia kogutud teave aitab teil eelnevalt hinnata teie IT-infrastruktuuri valmisolekut tsoonisalvestussüsteemidele üleviimiseks.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Host Aware'i SMR-toega seadmed ühendavad Drive Managed SMR-i mugavuse ja paindlikkuse Host Managed SMR-i suure kirjutamiskiirusega. Need draivid on tagasiühilduvad pärandsalvestussüsteemidega ja võivad töötada ilma hosti otsese juhtimiseta, kuid sel juhul, nagu ka DMSMR-draivide puhul, muutub nende jõudlus ettearvamatuks.
Nagu Host Managed SMR, kasutab ka Host Aware SMR kahte tüüpi tsoone: tavapäraseid tsoone juhusliku kirjutamise jaoks ja järjestikuse kirjutamise eelistatud tsoone. Viimased, erinevalt ülalmainitud järjestikuse kirjutamise nõutavatest tsoonidest, langevad automaatselt tavaliste tsoonide kategooriasse, kui nad hakkavad andmeid salvestama korrast ära.
SMR-i hostiteadlik rakendamine pakub sisemisi mehhanisme ebajärjekindlatest kirjutistest taastumiseks. Korrast väljas olevad andmed kirjutatakse vahemälu aladele, kust ketas saab pärast kõigi vajalike plokkide laekumist edastada info järjestikusesse kirjutamisalasse. Ketas kasutab ebajärjekorrast kirjutamise ja taustal defragmentimise haldamiseks kaudsete tabelite abil. Kui aga ettevõtterakendused nõuavad prognoositavat ja optimeeritud jõudlust, saab seda siiski saavutada ainult siis, kui host võtab täielikult kontrolli kõigi andmevoogude ja salvestustsoonide üle.
Allikas: www.habr.com