Maailma esimene kõvaketas, IBM RAMAC 305, nägi ilmavalgust 1956. aastal ja mahutas vaid 5 MB andmeid, kaaludes samal ajal 970 kg ja olles mõõtmetelt sarnane tööstuslikule külmikule. Tänapäeva ettevõtte lipulaevad uhkeldavad juba 20 TB mahuga. Kujutage ette: 64 aastat tagasi oleks sellise andmehulga salvestamiseks vajalik olnud üle 4 miljoni RAMAC 305 ning serveriruumi, mis nende mahutamiseks oleks ületanud 9 ruutkilomeetrit, samas kui täna piisab selleks väikest kastist, mille kaal on umbes 700 grammi! Sellise uskumatult kõrge salvestustiheduse saavutamine on suuresti võimalik tänu magnetilise salvestamise meetodite täiustamisele.
On raske uskuda, kuid kõvakettaste põhimõtteline konstruktsioon ei ole muutunud juba peaaegu 40 aastat, alates 1983. aastast: just siis nägi ilmavalgust esimene 3,5-tolline kõvaketas RO351, mille lõi Šoti ettevõte Rodime. See pisike seade sisaldas kahte 10 MB magnetplaati, mis tähendab, et see suutis mahutada kaks korda rohkem andmeid kui uuendatud ST-412 5,25-tollisel kujul, mille Seagate sellest samast aastast tootis IBM 5160 personaalarvutitele.
Rodime RO351 — maailmas esimene 3,5-tolline kõvaketas
Hoolimata uuenduslikkusest ja kompaktsetest mõõtmetest ei olnud RO351 turule tulles praktiliselt kellelegi vajalik, ja kõik järgnevad katsed Rodime'l kõvakettasektoris jalga sisse saada kukkusid läbi, mille tõttu pidi ettevõte 1991. aastal tegevuse lõpetama, müües peaaegu kõik oma varad ja vähendades töötajate arvu miinimumini. Kuid Rodime'il ei olnud saatuseks pankrotti minna: peagi hakkasid sellele lähenema suurimad kõvakettaste tootjad, kes soovisid osta litsentsi Šotlaste patenteeritud vormiformaadi kasutamiseks. Praegu on 3,5 tolli üldiselt aktsepteeritud standard nii tarbijaklassi HDD-de kui ka ettevõtte klassi salvestite tootmiseks.
Kuna närvivõrgud, sügavõpe ja asjade internet (IoT) on tekkinud, on inimkonna loodud andmete hulk hakanud kiiresti kasvama. IDC analüüsiburu hinnangul jõuab 2025. aastaks inimeste ja meid ümbritsevate seadmete genereeritud teabe hulk 175 zettabaiti (1 ZB = 10^21 baiti), samas kui 2019. aastal oli see 45 ZB, 2016. aastal 16 ZB ja 2006. aastal ei ületanud kogu ajaloo jooksul loodud andmete kogus 0,16 (!) ZB. Tehnoloogiad poputavad meid andmete plahvatuste korral, sealhulgas täiustatud andme salvestamise meetodid.
LMR, PMR, CMR ja TDMR: milles seisneb erinevus?
Kõvakettaste tööpõhimõte on piisavalt lihtne. Õhukesed metallplaadid, mis on kaetud ferromagnetilise materjali kihiga (kristalne aine, mis suudab hoida magnetiseeritust ka siis, kui sellele ei mõju väline magnetväli temperatuuril, mis on madalam kui Curie punkt), liiguvad suurte kiirusetega kirjakettaste ploki suhtes (5400 pööramist minutis või rohkem). Kirjutuspähe voolava elektri korral tekib vahelduv magnetväli, mis muudab ferromagneti domeenide (ainete diskreetsete alade) magnetiseerituse vektori suunda. Andmete lugemine toimub kas elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tõttu (domeenide liikumine anduri suhtes põhjustab viimases vahelduva elektrivoolu tekkimise) või gigantsest magnetresistiviteedi efektist (magnetvälja mõjul muutub anduri elektriline takistus), nagu on realiseeritud kaasaegsetes andmesalvestites. Iga domeen kodeerib ühe biidi teavet, andes loogilise väärtuse „0“ või „1“ sõltuvalt magnetiseerituse vektori suunast.
Pikka aega kasutasid kõvakettad pikisuunalise magnetilise salvestuse meetodit (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), kus domeenide magnetiseerimise vektor asus magnetplaadi tasapinnas. Vaatamata suhtelisele lihtsusele, oli sellel tehnoloogial märkimisväärne puudus: koeritsiivsuse (magnetiliste osakeste ühenenud olekusse üleminek) ületamiseks tuli radade vahele jätta märkimisväärne puhvertsoon (nn guard space — kaitseala). Selle tulemusena saavutatud maksimaalne salvestustiheduse tase langeva tehnoloogia ajal oli vaid 150 Gbit/inch².
2010. aastal asendas LMR peaaegu täielikult PMR-i (Perpendicular Magnetic Recording — ristsuunaline magnetiline salvestus). Selle tehnoloogia peamine erinevus pikisuunalisest magnetilisest salvestusest seisneb selles, et iga domeeni magnetiline orientatsioon asub nurga all 90° magnetplaadi pinna suhtes, mis aitas märkimisväärselt vähendada radade vahemaid.
Selle tõttu õnnestus andmete salvestustiheduse taset märkimisväärselt suurendada (kuni 1 Tbit/inch² tänapäevastes seadmetes), samas kvaliteeti ja usaldusväärsust ohverdamata. Praegu on ristsuunaline magnetiline salvestus turul domineeriv, mille tõttu nimetatakse seda sageli ka CMR-iks (Conventional Magnetic Recording — tavaline magnetiline salvestus). Samas tuleb mõista, et PMR-i ja CMR-i vahel pole tõeliselt mingit erinevust — see on lihtsalt teine nimevariant.
Uurides tänapäevaste kõvakettade tehnilisi omadusi, võite kokku puutuda ka salapärase lühendiga TDMR. Eelkõige kasutatakse seda tehnoloogiat ettevõtte klassi salvestites . Füüsika seisukohalt ei erine TDMR (lühend, mis tähendab Two Dimensional Magnetic Recording — kahe mõõtmelise magnetilise salvestuse) midagi harjumuspärasest PMR-ist: nagu varemgi, tegeleme me arvutitega, mille radad on risti magnetplaadi tasapinnaga. Tehnoloogiate vahe seisneb lähenemises teabe lugemisel.
TDMR-tehnoloogia abil loodud kõvaketta magnetpeade moodulis on iga kirjutamispea jaoks kaks lugemisandurit, mis võimaldavad samal ajal lugeda andmeid igalt läbitud rajalt. See üleliigne aine võimaldab HDD kontrolleril tõhusalt filtreerida elektromagnetilist müra, mille tekkimine on tingitud vaheraudade sekkumisest (Intertrack Interference, ITI).
ITI probleemi lahendamine toob kaasa kaks äärmiselt olulist eelist:
- häirimise koefitsiendi vähenemine võimaldab suurendada salvestustihedust, vähendades rajade vahemaa, andes kuni 10% suurema kogumahtuvuse võrreldes tavalise PMR-iga;
- koos RVS-tehnoloogia ja kolmeasendilise mikroaktuaatoriga võimaldab TDMR tõhusalt vastu seista pöörlemisvibratsioonile, mida põhjustavad kõvakettad, aidates saavutada stabiilset jõudlust isegi kõige keerulisemates töötingimustes.
Mis on SMR ja kuidas seda kasutatakse?
Kirjutamispea mõõtmed on umbes 1,7 korda suuremad kui lugemisanduri mõõtmed. Selline muljetavaldav erinevus on lihtne: kui kirjutamismoodulit veelgi miniatüriseerida, ei piisa selle loodud magnetvälja tugevusest ferromagnetkihi domeenide magnetiseerimiseks, seega andmed lihtsalt ei salvestu. Lugemisanduri puhul sellist probleemi ei teki. Veelgi enam: selle miniatüriseerimine võimaldab veelgi vähendada ülalmainitud ITI mõju teabe lugemisprotsessile.
See tõsiasi on aluseks katuseplaadi magnetsalvestusele (Shingled Magnetic Recording, SMR). Vaatame, kuidas see töötab. Tava-PMR-i kasutamisel nihkub kirjutamispea iga eelneva raja suhtes kaugusele, mis võrdub tema laiuse + kaitseala laiusega (guard space).
Kerasetekohli magnetic recording method involves shifting the writing head forward by only part of its width, which causes each previous track to be partially overwritten by the next: magnetic tracks overlap like roofing tiles. This approach allows for an additional increase in recording density, yielding up to a 10% capacity gain without affecting the reading process. As an example, one can mention — the world's first 3.5-inch drives with a 20 TB capacity and SATA/SAS interface, made possible by the new magnetic recording technology. Thus, transitioning to SMR drives allows for increased data storage density in the same racks with minimal IT infrastructure upgrade costs.
Despite such a significant advantage, SMR has an obvious drawback. Since magnetic tracks overlap, updating data requires rewriting not just the desired fragment, but also all subsequent tracks within a magnetic plate, which can exceed 2 terabytes, potentially leading to a serious drop in performance.
This problem is mitigated by grouping a certain number of tracks into separate groups called zones. Although this approach to data storage organization slightly reduces the overall HDD capacity (as sufficient gaps must be maintained between zones to prevent overwriting tracks from neighboring groups), it significantly accelerates the data update process since only a limited number of tracks are now involved.
The tiled magnetic recording method offers several implementation options:
- Drive Managed SMR (SMR, disk-managed)
Its main advantage is that there is no need to modify the host's software and/or hardware, since the HDD controller takes over the management of the data writing procedure. Such drives can be connected to any system with the necessary interface (SATA or SAS), after which the drive will be immediately ready for use.
Selle lähenemise miinus seisneb jõudluse taseme muutlikkuses, mistõttu Drive Managed SMR osutub ettevõtte rakenduste jaoks sobimatuks, kus süsteemi töökindlus on kriitilise tähtsusega. Siiski on need kettad head valikud stsenaariumites, kus on piisavalt aega taustadefragmenteerimise andmete täitmiseks. Näiteks DMSMR-ühendused , optimeeritud kasutamiseks väikestes 8-sektsioonilistes NAS-ides, on suurepärane valik arhiivimise või varundamise süsteemidele, mis eeldavad andmete pikaajalist säilitamist.
- Host Managed SMR (SMR, mida haldab host)
Host Managed SMR on eelistatum variant kera koostamise läbiviimiseks ettevõtte keskkonnas. Sel juhul vastutab voogude ja lugemise/kirjutamise operatsioonide haldamise eest host-süsteem, kasutades selleks ATA laienduseid (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 kettaruumi maht kahe tüüpi tsoonideks: Conventional Zones (tavalised tsoonid), mis on mõeldud metaandmete ja juhuslikuks kirjutamiseks (praktiliselt toimivad nad vahemälu rollis), ja Sequential Write Required Zones (järjestik kirjutamisnõudega tsoonid), mis hõivavad suure osa kõvaketta kogumahtust, kus andmeid kirjutatakse rangelt järjestikku. Juhuslikud andmed salvestatakse vahemälusse, kust need võivad seejärel üle viia sobivasse järjestikku kirjutamis tsooni. Sel viisil kirjutatakse kõik füüsilised sektorid järjestikku raadiussuunas ja kirjutatakse üle ainult pärast tsüklilist üleviimist, mis tagab süsteemi stabiilse ja ettearvatava jõudluse. Samal ajal toetavad HMSMR-diskid juhusliku lugemise käsklusi sarnaselt standardsete PMR-ühendustega.
Host Managed SMR on rakendatud ettevõtte klassi kõvakettastes .
Toode sisaldab kõrge mahutavusega SATA- ja SAS-plaate, mis on mõeldud kasutamiseks hüpermasvealistes andmekeskustes. Host Managed SMR tugi laiendab oluliselt nende kõvakettade kasutusvõimalusi: lisaks varundussüsteemidele sobivad need suurepäraselt pilvesalvestusteks, CDN-deks või voogedastusplatvormideks. Kõvakettade kõrge mahutavus võimaldab oluliselt suurendada salvestustiheduse määra (samades riiulites) minimaalsete uuenduskuludega, samas kui madal energiatarve (mitte üle 0,29 vatti iga terabaiti salvestatud teabe kohta) ja soojustootmine (keskmiselt 5 °C madalam kui analoogidel) vähendab veelgi andmekeskuse halduskulusid.
HMSMR-i ainus puudus on suhteliselt keeruline rakendamine. Asi on selles, et praegu ei oska ükski operatsioonisüsteem või rakendus neid sorte seadmeid "kastist välja" kasutada, mistõttu vajab IT-infrastruktuuri kohandamine tõsiseid muudatusi tarkvarastekis. Eelkõige puudutab see loomulikult operatsioonisüsteemi, mis tänapäeva andmekeskustes, kus kasutatakse mitme tuuma ja mitme sokli servereid, on üsna keeruline ülesanne. Lisainfot Host Managed SMR toe rakendamise võimaluste kohta leiate spetsialiseeritud ressursilt , mis keskendub andmete zoniseeritud salvestamise küsimustele. Siin kogutud teave aitab eelnevalt hinnata teie IT-infrastruktuuri valmisolekut üleminekuks zoniseeritud salvestussüsteemidele.
- Host Aware SMR (SMR, mida haldab host)
Host Aware SMR toega seadmed ühendavad endas Drive Managed SMR mugavuse ja paindlikkuse ning Host Managed SMR kiire kirjutamise. Need seadmed on tagurpidi ühilduvad vanemate salvestussüsteemidega ja võivad töötada ilma vahetu hosti kontrollita, kuid sel juhul, nagu ka DMSMR-kettade kasutamisel, muutub nende jõudlus ettearvamatuks.
Sarnas, nagu Host Managed SMR, kasutab Host Aware SMR kahte tüüpi tsoone: Tavalised tsoonid juhuslikuks kirjutamiseks ja Järjekindlase kirjutamise eelistatud tsoonid. Viimased, erinevalt eespool mainitud Järjekindlase kirjutamise nõutud tsoonidest, muudetakse automaatselt tavalisteks, kui algab juhuslik andmete kirjutamine neisse.
Hosti toetatud SMR rakendamine hõlmab sisemisi mehhanisme, mis taastavad pärast juhuslikku kirjutamist. Juhuslikud andmed kirjutatakse vahemällu, kust ketas saab edastada teavet järjekindlasse kirjutamisala, pärast seda, kui kõik vajalikud plokid on saadud. Juhusliku kirjutamise juhtimiseks ja taustdefragmentimiseks kasutab ketas kaudse viitamise tabelit. Siiski, kui ettevõtte rakendused vajavad ettearvamatavat ja optimeeritud jõudlust, on selle saavutamine võimalik ainult siis, kui host võtab täieliku kontrolli kõigi andmevoogude ja kirjutamisalade üle.
Allikas: habr.com
