فن آوری های ضبط مغناطیسی HDD: ساده در مورد پیچیده

اولین هارد دیسک جهان، IBM RAMAC 305، که در سال 1956 عرضه شد، تنها 5 مگابایت اطلاعات را در خود جای داد، وزن آن 970 کیلوگرم بود و از نظر اندازه با یک یخچال صنعتی قابل مقایسه بود. پرچمداران شرکت های مدرن می توانند ظرفیت 20 ترابایت را داشته باشند. فقط تصور کنید: 64 سال پیش، برای ثبت این مقدار اطلاعات، بیش از 4 میلیون RAMAC 305 مورد نیاز بود و اندازه مرکز داده مورد نیاز برای قرار دادن آنها بیش از 9 کیلومتر مربع بود، در حالی که امروز یک جعبه کوچک با وزن حدود 700 گرم! از بسیاری جهات، این افزایش باورنکردنی در چگالی ذخیره سازی به لطف پیشرفت در روش های ضبط مغناطیسی به دست آمد.
باور کردنش سخت است، اما طراحی اساسی هارد دیسک‌ها برای تقریباً 40 سال تغییر نکرده است، که از سال 1983 شروع شده است: این زمانی بود که اولین هارد 3,5 اینچی RO351 که توسط شرکت اسکاتلندی Rodime توسعه یافته بود، روشن شد. این نوزاد دو بشقاب مغناطیسی 10 مگابایتی داشت، به این معنی که می‌توانست دو برابر بیشتر از 412 اینچی ST-5,25 Seagate به‌روزرسانی شده‌ای که در همان سال برای رایانه‌های شخصی IBM 5160 منتشر شد، اطلاعات ذخیره کند.

Rodime RO351 - اولین هارد دیسک 3,5 اینچی جهان

علیرغم نوآوری و اندازه جمع و جور آن، در زمان عرضه RO351 عملاً برای کسی بی فایده بود و تمام تلاش های بعدی Rodime برای به دست آوردن جای پایی در بازار هارد دیسک شکست خورد، به همین دلیل در سال 1991 این شرکت مجبور شد فعالیت های خود را متوقف کند، تقریباً تمام دارایی های موجود را فروخته و کارکنان را به حداقل برساند. با این حال، رودیم قرار نبود ورشکست شود: به زودی بزرگترین تولید کنندگان هارد دیسک شروع به تماس با آن کردند و مایل به خرید مجوز برای استفاده از فرم فاکتور ثبت شده توسط اسکاتلندی ها بودند. در حال حاضر، 3,5 اینچ استاندارد عمومی پذیرفته شده برای تولید هر دو HDD مصرف کننده و درایوهای کلاس سازمانی است.

با ظهور شبکه های عصبی، یادگیری عمیق و اینترنت اشیا (IoT)، حجم داده های ایجاد شده توسط بشر به طور تصاعدی شروع به رشد کرد. بر اساس تخمین های آژانس تحلیلی IDC، تا سال 2025 میزان اطلاعات تولید شده توسط خود افراد و دستگاه های اطراف ما به 175 زتابایت (1 Zbyte = 1021 بایت) خواهد رسید و این در حالی است که در سال 2019 این مقدار به 45 Zbyte می رسید. ، در سال 2016 - 16 Zbyte و در سال 2006، کل داده های تولید شده در کل تاریخ قابل مشاهده از 0,16 (!) Zbyte تجاوز نکرد. فن‌آوری‌های مدرن به مقابله با انفجار اطلاعات کمک می‌کنند، از جمله روش‌های بهبود یافته ثبت داده‌ها.

LMR، PMR، CMR و TDMR: تفاوت چیست؟

اصل عملکرد هارد دیسک ها بسیار ساده است. صفحات فلزی نازک پوشیده شده با لایه ای از مواد فرومغناطیسی (ماده کریستالی که می تواند حتی زمانی که در دمای زیر نقطه کوری در معرض میدان مغناطیسی خارجی قرار نگیرد) مغناطیسی باقی بماند) نسبت به واحد هد نوشتن با سرعت بالا (5400 دور در دقیقه یا 0 دور در دقیقه) حرکت می کنند. بیشتر). هنگامی که یک جریان الکتریکی به سر نوشتن اعمال می شود، یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می شود که جهت بردار مغناطیسی حوزه ها (مناطق گسسته ماده) فرومغناطیس را تغییر می دهد. خواندن داده ها یا به دلیل پدیده القای الکترومغناطیسی (حرکت دامنه ها نسبت به سنسور باعث ظهور جریان الکتریکی متناوب در سنسور می شود) یا به دلیل یک اثر مغناطیسی مقاومتی غول پیکر (تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی الکتریکی) رخ می دهد. مقاومت سنسور تغییر می کند)، همانطور که در درایوهای مدرن پیاده سازی می شود. هر دامنه یک بیت از اطلاعات را رمزگذاری می کند و مقدار منطقی "1" یا "XNUMX" را بسته به جهت بردار مغناطیسی می گیرد.

برای مدت طولانی، هارد دیسک ها از روش ضبط مغناطیسی طولی (LMR) استفاده می کردند، که در آن بردار مغناطیسی دامنه در صفحه صفحه مغناطیسی قرار داشت. علیرغم سادگی نسبی پیاده سازی، این فناوری یک اشکال قابل توجه داشت: برای غلبه بر اجبار (انتقال ذرات مغناطیسی به حالت تک دامنه)، یک منطقه بافر چشمگیر (به اصطلاح فضای نگهبان) باید بین آنها باقی می ماند. آهنگ ها در نتیجه، حداکثر تراکم ضبط که در پایان این فناوری به دست آمد، تنها 150 گیگابیت بر اینچ مربع بود.

در سال 2010، LMR تقریباً به طور کامل با PMR (ضبط مغناطیسی عمودی) جایگزین شد. تفاوت اصلی این فناوری با ثبت مغناطیسی طولی در این است که بردار جهت مغناطیسی هر دامنه با زاویه 90 درجه نسبت به سطح صفحه مغناطیسی قرار دارد که باعث کاهش چشمگیر شکاف بین مسیرها شده است.

به همین دلیل، تراکم ضبط داده ها به طور قابل توجهی افزایش یافت (تا 1 ترابیت بر اینچ در دستگاه های مدرن)، بدون اینکه ویژگی های سرعت و قابلیت اطمینان هارد دیسک ها را به خطر بیندازد. در حال حاضر، ضبط مغناطیسی عمود بر بازار غالب است، به همین دلیل است که اغلب به آن CMR (ضبط مغناطیسی معمولی) نیز می‌گویند. در عین حال، باید بدانید که مطلقاً هیچ تفاوتی بین PMR و CMR وجود ندارد - این فقط یک نسخه متفاوت از نام است.

هنگام مطالعه مشخصات فنی هارد دیسک های مدرن، ممکن است با مخفف مرموز TDMR نیز برخورد کنید. به طور خاص، این فناوری توسط درایوهای کلاس سازمانی استفاده می شود وسترن دیجیتال Ultrastar سری 500. از نقطه نظر فیزیک، TDMR (که مخفف ضبط مغناطیسی دو بعدی است) هیچ تفاوتی با PMR معمولی ندارد: مانند قبل، ما با مسیرهای غیر متقاطع روبرو هستیم که حوزه های آن عمود بر صفحه مغناطیسی هستند. بشقاب ها تفاوت بین فناوری ها در رویکرد خواندن اطلاعات نهفته است.

در بلوک هد مغناطیسی هارد دیسک‌های ایجاد شده با استفاده از فناوری TDMR، هر هد نوشتن دارای دو حسگر خواندن است که به طور همزمان داده‌ها را از هر مسیر عبور می‌خواند. این افزونگی به کنترلر HDD اجازه می دهد تا به طور موثر نویز الکترومغناطیسی را فیلتر کند، که ظاهر آن ناشی از تداخل بین مسیر (ITI) است.

حل مشکل ITI دو مزیت بسیار مهم دارد:

1. کاهش ضریب نویز به شما امکان می دهد با کاهش فاصله بین مسیرها، چگالی ضبط را افزایش دهید و در مقایسه با PMR معمولی، ظرفیت کل تا 10٪ افزایش یابد.
2. TDMR در ترکیب با فناوری RVS و میکرو محرک سه موقعیت، به طور موثر در برابر لرزش چرخشی ناشی از هارد دیسک مقاومت می کند و به دستیابی به سطوح عملکردی ثابت حتی در چالش برانگیزترین شرایط کاری کمک می کند.

SMR چیست و با چه چیزی خورده می شود؟

اندازه سر نوشتن تقریباً 1,7 برابر بزرگتر از اندازه سنسور خواندن است. چنین تفاوت چشمگیری را می توان به سادگی توضیح داد: اگر ماژول ضبط حتی کوچکتر شود، قدرت میدان مغناطیسی که می تواند ایجاد کند برای مغناطیس کردن حوزه های لایه فرومغناطیسی کافی نخواهد بود، به این معنی که داده ها به سادگی این کار را انجام خواهند داد. ذخیره نشود. در مورد سنسور خواندن، این مشکل ایجاد نمی شود. علاوه بر این: کوچک سازی آن باعث می شود تا تأثیر ITI فوق الذکر بر روند خواندن اطلاعات کاهش یابد.

این واقعیت اساس ثبت مغناطیسی شینگلد (SMR) را تشکیل داد. بیایید بفهمیم که چگونه کار می کند. هنگام استفاده از یک PMR سنتی، هد نوشتن نسبت به هر مسیر قبلی با فاصله ای برابر با عرض آن + عرض فضای محافظ جابجا می شود.

هنگام استفاده از روش ضبط مغناطیسی کاشی‌شده، سر نوشتن فقط بخشی از عرض خود را به جلو حرکت می‌دهد، بنابراین هر مسیر قبلی تا حدی توسط آهنگ بعدی بازنویسی می‌شود: مسیرهای مغناطیسی مانند کاشی‌های سقف روی یکدیگر همپوشانی دارند. این رویکرد به شما امکان می دهد تا تراکم ضبط را بیشتر افزایش دهید، بدون اینکه بر روند خواندن تأثیری بگذارد، افزایش ظرفیت تا 10٪ را فراهم می کند. یک مثال است وسترن دیجیتال Ultrastar DC HC 650 - اولین درایوهای 3.5 ترابایتی 20 اینچی جهان با رابط SATA/SAS که ظاهر آن به لطف فناوری جدید ضبط مغناطیسی امکان پذیر شد. بنابراین، انتقال به دیسک‌های SMR به شما امکان می‌دهد تا چگالی ذخیره‌سازی داده‌ها را در همان رک‌ها با حداقل هزینه برای ارتقای زیرساخت فناوری اطلاعات افزایش دهید.

با وجود چنین مزیت قابل توجهی، SMR یک اشکال آشکار نیز دارد. از آنجایی که مسیرهای مغناطیسی با یکدیگر همپوشانی دارند، به‌روزرسانی داده‌ها نه تنها به بازنویسی قطعه مورد نیاز، بلکه همچنین تمام آهنگ‌های بعدی در صفحه مغناطیسی نیاز دارد که حجم آن‌ها می‌تواند از 2 ترابایت بیشتر شود، که می‌تواند منجر به کاهش جدی عملکرد شود.

این مشکل را می توان با ترکیب تعداد معینی از مسیرها در گروه های مجزا به نام زون حل کرد. اگرچه این رویکرد برای سازماندهی ذخیره‌سازی داده‌ها تا حدودی ظرفیت کلی HDD را کاهش می‌دهد (از آنجایی که برای جلوگیری از بازنویسی آهنگ‌های گروه‌های مجاور لازم است شکاف‌های کافی بین مناطق حفظ شود)، اما می‌تواند روند به‌روزرسانی داده‌ها را به میزان قابل توجهی سرعت بخشد. فقط تعداد محدودی از آهنگ ها در آن دخیل هستند.

ضبط مغناطیسی کاشی شامل چندین گزینه اجرایی است:

• Drive Managed SMR

مزیت اصلی آن این است که نیازی به تغییر نرم افزار و/یا سخت افزار میزبان نیست، زیرا کنترل کننده HDD کنترل فرآیند ضبط داده ها را در اختیار می گیرد. چنین درایوهایی را می توان به هر سیستمی که دارای رابط مورد نیاز است (SATA یا SAS) متصل کرد، پس از آن درایو بلافاصله برای استفاده آماده می شود.

نقطه ضعف این رویکرد این است که سطوح عملکرد متفاوت است، که باعث می شود Drive Managed SMR برای برنامه های سازمانی که عملکرد سیستم سازگار حیاتی است نامناسب باشد. با این حال، چنین درایوهایی در سناریوهایی که زمان کافی برای یکپارچه سازی داده های پس زمینه رخ می دهد، عملکرد خوبی دارند. به عنوان مثال، درایوهای DMSMR WD قرمز، بهینه سازی شده برای استفاده به عنوان بخشی از NAS کوچک 8-bay، یک انتخاب عالی برای یک سیستم بایگانی یا پشتیبان گیری است که نیاز به ذخیره طولانی مدت نسخه های پشتیبان دارد.

• میزبان مدیریت SMR

Host Managed SMR بهترین پیاده سازی ضبط کاشی شده برای استفاده در محیط سازمانی است. در این مورد، سیستم میزبان خود مسئول مدیریت جریان داده و عملیات خواندن/نوشتن است و برای این منظور از پسوندهای رابط ATA (دستگاه منطقه‌ای ATA، ZAC) و SCSI (فرمان‌های بلوک منطقه‌ای، ZBC) توسعه‌یافته توسط INCITS استفاده می‌کند. کمیته های T10 و T13

هنگام استفاده از HMSMR، کل ظرفیت ذخیره سازی موجود درایو به دو نوع منطقه تقسیم می شود: مناطق معمولی، که برای ذخیره ابرداده و ضبط تصادفی استفاده می شود (در اصل نقش یک حافظه پنهان را بازی می کند)، و مناطق مورد نیاز نوشتن متوالی، که اشغال می کنند. بخش بزرگی از کل ظرفیت هارد دیسک که در آن داده ها به صورت کاملا متوالی نوشته می شوند. داده های خارج از دستور در یک ناحیه کش ذخیره می شوند، از آنجا می توان آنها را به ناحیه نوشتن ترتیبی مناسب منتقل کرد. این تضمین می‌کند که تمام بخش‌های فیزیکی به‌طور متوالی در جهت شعاعی نوشته می‌شوند و تنها پس از یک انتقال چرخه‌ای بازنویسی می‌شوند و در نتیجه عملکرد سیستم پایدار و قابل پیش‌بینی است. در عین حال، درایوهای HMSMR از دستورات خواندن تصادفی مانند درایوهایی که از PMR استاندارد استفاده می کنند، پشتیبانی می کنند.

Host Managed SMR در هارد دیسک های کلاس سازمانی پیاده سازی شده است سری وسترن دیجیتال Ultrastar HC DC 600.

این خط شامل درایوهای SATA و SAS با ظرفیت بالا است که برای استفاده در مراکز داده در مقیاس فوق‌العاده طراحی شده‌اند. پشتیبانی از Host Managed SMR به طور قابل توجهی دامنه کاربرد چنین دیسک‌های سختی را گسترش می‌دهد: علاوه بر سیستم‌های پشتیبان، آنها برای ذخیره‌سازی ابری، CDN یا بسترهای پخش جریانی عالی هستند. ظرفیت بالای هارد دیسک ها به شما این امکان را می دهد که تراکم ذخیره سازی (در همان رک ها) را با حداقل هزینه های ارتقا و مصرف انرژی کم (حداکثر 0,29 وات در هر ترابایت اطلاعات ذخیره شده) و اتلاف گرما (به طور متوسط ​​5 درجه سانتی گراد کمتر) افزایش دهید. نسبت به آنالوگ ها) - کاهش بیشتر هزینه های عملیاتی برای تعمیر و نگهداری مرکز داده.

تنها اشکال HMSMR پیچیدگی نسبی پیاده سازی است. مسئله این است که امروزه هیچ سیستم عامل یا برنامه ای نمی تواند با چنین درایوهایی خارج از جعبه کار کند، به همین دلیل است که برای تطبیق زیرساخت فناوری اطلاعات به تغییرات جدی در پشته نرم افزار نیاز است. اول از همه، این البته به خود سیستم عامل مربوط می شود، که در شرایط مراکز داده مدرن با استفاده از سرورهای چند هسته ای و چند سوکتی یک کار نسبتاً بی اهمیت است. می‌توانید درباره گزینه‌های پیاده‌سازی پشتیبانی SMR مدیریت شده میزبان در یک منبع تخصصی بیشتر بدانید ZonedStorage.ioاختصاص داده شده به مسائل مربوط به ذخیره سازی داده های منطقه ای. اطلاعات جمع آوری شده در اینجا به شما کمک می کند تا آمادگی زیرساخت فناوری اطلاعات خود را برای انتقال به سیستم های ذخیره سازی منطقه ارزیابی کنید.

• Host Aware SMR (Host Aware SMR)

دستگاه‌های مجهز به SMR Aware راحتی و انعطاف‌پذیری Drive Managed SMR را با سرعت بالای نوشتن Host Managed SMR ترکیب می‌کنند. این درایوها با سیستم‌های ذخیره‌سازی قدیمی سازگار هستند و می‌توانند بدون کنترل مستقیم میزبان کار کنند، اما در این مورد، مانند درایوهای DMSMR، عملکرد آنها غیرقابل پیش‌بینی می‌شود.

مانند Host Managed SMR، Host Aware SMR از دو نوع ناحیه استفاده می کند: مناطق معمولی برای نوشتن تصادفی و Sequential Write Preferred Zones. دومی، برخلاف مناطق مورد نیاز نوشتن متوالی که در بالا ذکر شد، اگر شروع به ضبط داده‌های نامرتب کنند، به‌طور خودکار در دسته مناطق معمولی قرار می‌گیرند.

پیاده سازی SMR آگاه از میزبان مکانیسم های داخلی را برای بازیابی از نوشته های ناسازگار فراهم می کند. داده های خارج از نظم در مناطق کش نوشته می شوند، از آنجا که دیسک می تواند اطلاعات را پس از دریافت تمام بلوک های لازم به ناحیه نوشتن متوالی منتقل کند. دیسک از یک جدول غیرمستقیم برای مدیریت نوشتن خارج از نظم و یکپارچه سازی پس زمینه استفاده می کند. با این حال، اگر برنامه‌های کاربردی سازمانی به عملکرد قابل پیش‌بینی و بهینه‌سازی نیاز داشته باشند، این امر تنها در صورتی امکان‌پذیر است که میزبان کنترل کامل تمام جریان‌های داده و مناطق ضبط را در دست بگیرد.

منبع: www.habr.com