Maailman ensimmäinen kiintolevy, IBM RAMAC 305, joka julkaistiin vuonna 1956, sisälsi vain 5 megatavua tietoa, painoi 970 kg ja oli kooltaan verrattavissa teollisuusjääkaappiin. Nykyaikaisten yritysten lippulaivojen kapasiteetti on 20 TB. Kuvittele vain: 64 vuotta sitten tämän tietomäärän tallentamiseen olisi tarvittu yli 4 miljoonaa RAMAC 305 -muistia, ja niiden vastaanottamiseen tarvittavan datakeskuksen koko olisi ylittänyt 9 neliökilometriä, kun taas nykyään pieni laatikko painaa noin 700 grammaa! Tämä uskomaton tallennustiheyden kasvu saavutettiin monella tapaa magneettisen tallennusmenetelmien parannusten ansiosta.
Vaikea uskoa, mutta kiintolevyjen perusrakenne ei ole muuttunut lähes 40 vuoteen, vuodesta 1983 alkaen: silloin skotlantilaisen Rodimen kehittämä ensimmäinen 3,5 tuuman kiintolevy RO351 näki päivänvalon. Tällä vauvalla oli kaksi 10 megatavun magneettilautasta, mikä tarkoittaa, että se pystyi säilyttämään kaksi kertaa enemmän tietoa kuin päivitetty 412 tuuman ST-5,25 Seagate, joka julkaistiin samana vuonna IBM 5160 -henkilökohtaisille tietokoneille.
Rodime RO351 - maailman ensimmäinen 3,5 tuuman kiintolevy
Innovatiivisuudestaan ja kompaktista koostaan huolimatta RO351 osoittautui julkaisuhetkellä käytännössä hyödyttömäksi kenellekään, ja kaikki Rodimen muut yritykset saada jalansijaa kovalevymarkkinoilla epäonnistuivat, minkä vuoksi yritys joutui vuonna 1991. lopettaa toimintansa myymällä lähes kaikki olemassa olevat omaisuudet ja vähentämällä henkilöstöä minimiin. Rodimen ei kuitenkaan ollut tarkoitus mennä konkurssiin: pian suurimmat kovalevyvalmistajat ottivat siihen yhteyttä haluten ostaa lisenssin käyttää skottilaisten patentoimaa muototekijää. Tällä hetkellä 3,5 tuumaa on yleisesti hyväksytty standardi sekä kuluttajille tarkoitettujen kiintolevyjen että yritysluokan asemien tuotannossa.
Neuroverkkojen, syväoppimisen ja esineiden internetin (IoT) myötä ihmiskunnan luoman datan määrä alkoi kasvaa eksponentiaalisesti. Analyysitoimisto IDC:n arvion mukaan vuoteen 2025 mennessä sekä ihmisten itsensä että ympärillämme olevien laitteiden tuottaman tiedon määrä saavuttaa 175 zettatavua (1 Zbyte = 1021 tavua), ja tämä huolimatta siitä, että vuonna 2019 tämä oli 45 Ztavua. , vuonna 2016 - 16 Ztavua, ja vuonna 2006 tuotetun datan kokonaismäärä koko havaittavan historian ajalta ei ylittänyt 0,16 (!) Ztavua. Nykyaikaiset teknologiat auttavat selviytymään tiedon räjähdyksestä, joista vähäisimpänä ovat parannetut tiedon tallennusmenetelmät.
LMR, PMR, CMR ja TDMR: Mitä eroa on?
Kiintolevyjen toimintaperiaate on melko yksinkertainen. Ohuet metallilevyt, jotka on päällystetty kerroksella ferromagneettista materiaalia (kiteinen aine, joka voi jäädä magnetoituneeksi, vaikka ei ole alttiina ulkoiselle magneettikentälle Curie-pisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa) liikkuvat suhteessa kirjoituspääyksikköön suurella nopeudella (5400 kierrosta minuutissa tai lisää). Kun kirjoituspäähän syötetään sähkövirtaa, syntyy vaihtuva magneettikenttä, joka muuttaa ferromagneetin domeenin (aineen erillisten alueiden) magnetointivektorin suuntaa. Tiedon lukeminen tapahtuu joko sähkömagneettisen induktion ilmiöstä (domeenien liike suhteessa anturiin aiheuttaa vaihtosähkövirran ilmaantumisen anturiin) tai jättimäisen magnetoresistiivisen vaikutuksen vuoksi (magneettikentän vaikutuksesta sähköinen anturin muutosten vastus), kuten nykyaikaisissa käyttöjärjestelmissä on toteutettu. Jokainen verkkoalue koodaa yhden bitin informaatiota ottamalla loogisen arvon "0" tai "1" riippuen magnetointivektorin suunnasta.
Kiintolevyt käyttivät pitkään Longitudinal Magnetic Recording (LMR) -menetelmää, jossa alueen magnetointivektori sijaitsi magneettilevyn tasossa. Toteutuksen suhteellisen yksinkertaisuudesta huolimatta tällä tekniikalla oli merkittävä haittapuoli: koersitiivisuuden (magneettisten hiukkasten siirtyminen yhden alueen tilaan) voittamiseksi väliin oli jätettävä vaikuttava puskurivyöhyke (ns. suojatila). jäljet. Tämän seurauksena tämän tekniikan lopussa saavutettu enimmäistallennustiheys oli vain 150 Gbit/inch2.
Vuonna 2010 LMR korvattiin lähes kokonaan PMR:llä (Perpendicular Magnetic Recording). Suurin ero tämän tekniikan ja pitkittäisen magneettisen tallennuksen välillä on, että kunkin alueen magneettinen suuntavektori sijaitsee 90° kulmassa magneettilevyn pintaan nähden, mikä on merkittävästi pienentänyt raitojen välistä rakoa.
Tämän ansiosta tiedon tallennustiheys kasvoi merkittävästi (jopa 1 Tbit/in2 nykyaikaisissa laitteissa), tinkimättä kiintolevyjen nopeusominaisuuksista ja luotettavuudesta. Tällä hetkellä kohtisuora magneettinen tallennus hallitsee markkinoita, minkä vuoksi sitä kutsutaan usein myös CMR:ksi (Conventional Magnetic Recording). Samanaikaisesti sinun on ymmärrettävä, että PMR:n ja CMR:n välillä ei ole mitään eroa - se on vain erilainen versio nimestä.
Kun tutkit nykyaikaisten kiintolevyjen teknisiä ominaisuuksia, saatat törmätä myös salaperäiseen lyhenteeseen TDMR. Erityisesti tätä tekniikkaa käyttävät yritysluokan asemat . Fysiikan näkökulmasta TDMR (joka tarkoittaa kaksiulotteista magneettista tallennusta) ei eroa tavallisesta PMR:stä: kuten ennenkin, kyseessä ovat ei-leikkaavat raidat, joiden alueet on suunnattu kohtisuoraan magneettisen tasoon nähden. levyt. Ero tekniikoiden välillä on lähestymistapa tiedon lukemiseen.
TDMR-tekniikalla luodussa kiintolevyjen magneettipäiden lohkossa jokaisessa kirjoituspäässä on kaksi lukuanturia, jotka lukevat samanaikaisesti dataa jokaiselta ohitetulta raidalta. Tämän redundanssin ansiosta HDD-ohjain voi suodattaa tehokkaasti sähkömagneettista kohinaa, jonka ilmeneminen johtuu intertrack-häiriöistä (ITI).
ITI-ongelman ratkaiseminen tarjoaa kaksi erittäin tärkeää etua:
- kohinakertoimen pienentäminen mahdollistaa tallennustiheyden lisäämisen vähentämällä raitojen välistä etäisyyttä, jolloin kokonaiskapasiteetti kasvaa jopa 10 % verrattuna perinteiseen PMR:ään;
- Yhdessä RVS-teknologian ja kolmiasentoisen mikrotoimilaitteen kanssa TDMR vastustaa tehokkaasti kiintolevyjen aiheuttamaa pyörivää tärinää, mikä auttaa saavuttamaan tasaisen suorituskyvyn haastavimmissakin käyttöolosuhteissa.
Mikä on SMR ja minkä kanssa sitä syödään?
Kirjoituspään koko on noin 1,7 kertaa suurempi lukuanturin kokoon verrattuna. Tällainen vaikuttava ero voidaan selittää yksinkertaisesti: jos tallennusmoduulista tehdään vieläkin pienoisempi, sen synnyttämän magneettikentän voimakkuus ei riitä magnetoimaan ferromagneettisen kerroksen alueita, mikä tarkoittaa, että data yksinkertaisesti ei säilytetä. Lukuanturin tapauksessa tätä ongelmaa ei esiinny. Lisäksi: sen miniatyrisointi mahdollistaa entisestään edellä mainitun ITI:n vaikutuksen vähentämisen tiedonlukuprosessiin.
Tämä tosiasia muodosti Shingled Magnetic Recordingin (SMR) perustan. Selvitetään, miten se toimii. Perinteistä PMR:ää käytettäessä kirjoituspäätä siirretään suhteessa jokaiseen edelliseen raitaan etäisyyden verran, joka on yhtä suuri kuin sen leveys + suojatilan leveys.
Tiilimagneettista tallennusmenetelmää käytettäessä kirjoituspää liikkuu eteenpäin vain osan leveydestä, joten jokainen edellinen raita korvataan osittain seuraavalla: magneettiradat menevät päällekkäin kuin kattotiilet. Tämän lähestymistavan avulla voit lisätä tallennustiheyttä entisestään ja parantaa kapasiteettia jopa 10 % vaikuttamatta lukuprosessiin. Esimerkkinä on - maailman ensimmäiset 3.5 tuuman 20 TB:n SATA/SAS-liitännällä varustetut asemat, joiden ulkoasu on mahdollista uuden magneettisen tallennustekniikan ansiosta. Siten siirtyminen SMR-levyihin mahdollistaa tietojen tallennustiheyden lisäämisen samoissa telineissä minimaalisilla IT-infrastruktuurin päivityskustannuksilla.
Tällaisesta merkittävästä edusta huolimatta SMR:llä on myös ilmeinen haittapuoli. Koska magneettiraidat menevät päällekkäin, tietojen päivittäminen edellyttää vaaditun fragmentin lisäksi myös kaikkien myöhempien magneettilevyn kappaleiden uudelleenkirjoittamista, joiden tilavuus voi ylittää 2 teratavua, mikä voi johtaa vakavaan suorituskyvyn laskuun.
Tämä ongelma voidaan ratkaista yhdistämällä tietty määrä raitoja erillisiin ryhmiin, joita kutsutaan vyöhykkeiksi. Vaikka tämä lähestymistapa tietojen tallennuksen järjestämiseen vähentää jonkin verran kiintolevyn kokonaiskapasiteettia (koska vyöhykkeiden välissä on säilytettävä riittävät välit, jotta estetään viereisten ryhmien raitojen ylikirjoittaminen), se voi nopeuttaa merkittävästi tietojen päivitysprosessia, koska nyt siihen liittyy vain rajoitettu määrä kappaleita.
Laattojen magneettinen tallennus sisältää useita toteutusvaihtoehtoja:
- Drive Managed SMR
Sen tärkein etu on, että isäntäohjelmistoa ja/tai laitteistoa ei tarvitse muokata, koska HDD-ohjain ottaa tiedon tallennusprosessin hallinnan. Tällaiset asemat voidaan liittää mihin tahansa järjestelmään, jossa on tarvittava liitäntä (SATA tai SAS), minkä jälkeen asema on heti käyttövalmis.
Tämän lähestymistavan haittana on, että suorituskykytasot vaihtelevat, minkä vuoksi Drive Managed SMR ei sovellu yrityssovelluksiin, joissa järjestelmän tasainen suorituskyky on kriittinen. Tällaiset asemat toimivat kuitenkin hyvin skenaarioissa, joissa on riittävästi aikaa taustatietojen eheytymiseen. Esimerkiksi DMSMR-asemat , optimoitu käytettäväksi osana pientä 8-paikkaista NAS:ia, on erinomainen valinta arkistointi- tai varmuuskopiointijärjestelmään, joka vaatii varmuuskopioiden pitkäaikaista säilytystä.
- Isännän hallinnoima SMR
Host Managed SMR on ensisijainen laatoitettu tallennustoteutus käytettäväksi yritysympäristössä. Tässä tapauksessa isäntäjärjestelmä itse on vastuussa tietovirtojen ja luku-/kirjoitustoimintojen hallinnasta käyttämällä näihin tarkoituksiin INCITS:n kehittämiä ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) ja SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) rajapintalaajennuksia. T10 ja T13 komiteat .
HMSMR:ää käytettäessä aseman koko käytettävissä oleva tallennuskapasiteetti jaetaan kahden tyyppisiin vyöhykkeisiin: perinteiset vyöhykkeet, joita käytetään metatietojen ja satunnaisen tallennuksen tallentamiseen (joka toimii pääasiassa välimuistina), ja peräkkäiskirjoitusvyöhykkeisiin, jotka vievät suuri osa kiintolevyn kokonaiskapasiteetista, johon tiedot kirjoitetaan tiukasti peräkkäin. Epäjärjestyksessä oleva data tallennetaan välimuistialueelle, josta se voidaan sitten siirtää sopivalle peräkkäiselle kirjoitusalueelle. Tämä varmistaa, että kaikki fyysiset sektorit kirjoitetaan peräkkäin säteen suunnassa ja kirjoitetaan uudelleen vasta syklisen siirron jälkeen, mikä johtaa vakaaseen ja ennustettavaan järjestelmän suorituskykyyn. Samanaikaisesti HMSMR-asemat tukevat satunnaisia lukukomentoja samalla tavalla kuin tavallista PMR:ää käyttävät asemat.
Host Managed SMR on toteutettu yritysluokan kiintolevyillä .
Sarja sisältää suuren kapasiteetin SATA- ja SAS-asemia, jotka on suunniteltu käytettäväksi hyperscale-palvelinkeskuksissa. Host Managed SMR -tuki laajentaa merkittävästi tällaisten kiintolevyjen käyttöaluetta: varmuuskopiointijärjestelmien lisäksi ne sopivat täydellisesti pilvitallennus-, CDN- tai suoratoistoalustoille. Kiintolevyjen suuren kapasiteetin ansiosta voit merkittävästi lisätä tallennustiheyttä (samoissa telineissä) minimaalisilla päivityskustannuksilla ja alhaisella virrankulutuksella (enintään 0,29 wattia tallennettua tietoa teratavua kohti) ja lämmön haihtumista (keskimäärin 5 °C pienempi). kuin analogit) - alentaa edelleen konesalin ylläpidon käyttökustannuksia.
HMSMR:n ainoa haittapuoli on toteutuksen suhteellinen monimutkaisuus. Asia on siinä, että nykyään mikään käyttöjärjestelmä tai sovellus ei toimi tällaisten asemien kanssa, minkä vuoksi IT-infrastruktuurin mukauttaminen vaatii vakavia muutoksia ohjelmistopinoon. Ensinnäkin tämä koskee tietysti itse käyttöjärjestelmää, joka nykyaikaisten moniytimis- ja monisocket-palvelimia käyttävien tietokeskusten olosuhteissa on melko ei-triviaali tehtävä. Saat lisätietoja Host Managed SMR -tuen käyttöönottovaihtoehdoista erikoistuneessa resurssissa , joka on omistettu vyöhyketietojen tallentamiseen. Täältä kerätyt tiedot auttavat sinua arvioimaan alustavasti IT-infrastruktuurisi valmiutta siirtyä vyöhyketallennusjärjestelmiin.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Host Aware SMR -yhteensopivat laitteet yhdistävät Drive Managed SMR:n mukavuuden ja joustavuuden Host Managed SMR:n suuriin kirjoitusnopeuksiin. Nämä asemat ovat taaksepäin yhteensopivia vanhojen tallennusjärjestelmien kanssa ja voivat toimia ilman suoraa ohjausta isännältä, mutta tässä tapauksessa, kuten DMSMR-asemien kanssa, niiden suorituskyky muuttuu arvaamattomaksi.
Kuten Host Managed SMR, Host Aware SMR käyttää kahden tyyppisiä vyöhykkeitä: perinteisiä vyöhykkeitä satunnaisiin kirjoituksiin ja peräkkäisiä kirjoitusasuja. Jälkimmäiset, toisin kuin yllä mainitut peräkkäisten kirjoitusvaatimusten vyöhykkeet, putoavat automaattisesti tavallisten vyöhykkeiden luokkaan, jos ne alkavat tallentaa tietoja epäjärjestyksessä.
Isäntätietoinen SMR-toteutus tarjoaa sisäiset mekanismit toipumiseen epäjohdonmukaisista kirjoituksista. Epäjärjestyksessä oleva data kirjoitetaan välimuistialueille, joista levy voi siirtää tiedon peräkkäiselle kirjoitusalueelle, kun kaikki tarvittavat lohkot on vastaanotettu. Levy käyttää epäsuoraa kirjoitustaulukkoa ja taustaeheytymistä hallitsemaan. Jos yrityssovellukset vaativat ennustettavaa ja optimoitua suorituskykyä, tämä voidaan kuitenkin saavuttaa vain, jos isäntä ottaa täysin hallintaansa kaikki tietovirrat ja tallennusvyöhykkeet.
Lähde: will.com