Le premier disque dur au monde, l'IBM RAMAC 305, sorti en 1956, ne contenait que 5 Mo de données, pesait 970 kg et avait des dimensions comparables à celles d'un réfrigérateur industriel. Aujourd'hui, les leaders d'entreprise modernes peuvent se vanter d'une capacité allant jusqu'à 20 To. Imaginez : il y a 64 ans, pour enregistrer une telle quantité d'informations, il aurait fallu plus de 4 millions de RAMAC 305, et la taille du centre de données nécessaire pour les accueillir aurait dépassé 9 kilomètres carrés, tandis qu'aujourd'hui, une petite boîte pesant environ 700 grammes suffira ! Cette incroyable augmentation de la densité de stockage a largement été rendue possible grâce à l'amélioration des méthodes d'enregistrement magnétique.
C'est difficile à croire, mais la conception des disques durs n'a pas fondamentalement changé depuis près de 40 ans, depuis 1983 : c'est alors qu'est sorti le premier disque dur de 3,5 pouces, le RO351, développé par la société écossaise Rodime. Ce petit appareil avait deux plateaux magnétiques de 10 Mo chacun, ce qui lui permettait de stocker deux fois plus de données que le ST-412 de 5,25 pouces, lancé par Seagate la même année pour les ordinateurs personnels IBM 5160.
Rodime RO351 — le premier disque dur de 3,5 pouces au monde
Malgré son innovation et sa compacité, le RO351 s'est retrouvé presque inutile au moment de sa sortie, et toutes les tentatives ultérieures de Rodime pour s'imposer sur le marché des disques durs ont échoué, ce qui a conduit l'entreprise à cesser ses activités en 1991, vendant presque tous ses actifs et réduisant son personnel au minimum. Cependant, Rodime n'était pas destinée à faire faillite : peu après, elle a commencé à recevoir des demandes des plus grands fabricants de disques durs souhaitant acquérir une licence pour utiliser le format breveté développé par les Écossais. Aujourd'hui, 3,5 pouces est devenu la norme acceptée pour la production à la fois des HDD grand public et des dispositifs de classe entreprise.
Avec l'émergence des réseaux neuronaux, du Deep Learning et de l'Internet des objets (IoT), le volume de données générées par l'humanité a commencé à croître de manière exponentielle. Selon les estimations de l'agence d'analyse IDC, d'ici 2025, la quantité d'informations générées tant par les êtres humains que par les appareils qui nous entourent atteindra 175 zettaoctets (1 Zoctet = 10^21 octets), alors qu'en 2019, cela s'élevait à 45 Zettaoctets, en 2016 à 16 Zettaoctets, et qu'en 2006, le volume total de données produites depuis le début de l'histoire n'excédait pas 0,16 (!) Zettaoctets. Les technologies modernes, parmi lesquelles figurent des méthodes avancées d'enregistrement de données, aident à gérer cette explosion d'informations.
LMR, PMR, CMR et TDMR : quelle est la différence ?
Le principe de fonctionnement des disques durs est assez simple. De minces plaques métalliques, recouvertes d'une couche de matériau ferromagnétique (une substance cristalline capable de conserver sa magnétisation même sans l'influence d'un champ magnétique externe à une température inférieure à la température de Curie), se déplacent à grande vitesse par rapport à un bloc de têtes d'écriture (5400 tours par minute ou plus). Lorsqu'un courant électrique est appliqué à la tête d'écriture, un champ magnétique variable se crée, modifiant la direction du vecteur de magnétisation des domaines (zones discrètes de matière) du ferromagnétique. La lecture des données s'effectue soit par le phénomène d'induction électromagnétique (le déplacement des domaines par rapport au capteur génère un courant électrique alterné), soit par l'effet de magnétorésistance géante (la résistance électrique du capteur change sous l'effet d'un champ magnétique), comme c'est le cas dans les dispositifs de stockage modernes. Chaque domaine code un bit d'information, prenant la valeur logique « 0 » ou « 1 » en fonction de la direction du vecteur de magnétisation.
Pendant longtemps, les disques durs ont utilisé la méthode de l'enregistrement magnétique longitudinal (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), où le vecteur de magnétisation des domaines se situait dans le plan du plateau magnétique. Malgré la relative simplicité de mise en œuvre, cette technologie avait un inconvénient majeur : pour surmonter la coercitivité (la transition des particules magnétiques vers un état de domaine unique), il était nécessaire de laisser une zone tampon importante entre les pistes (appelée espace de protection — guard space). En conséquence, la densité d'enregistrement maximale atteinte à la fin de cette technologie n'était que de 150 Gbit/in².
En 2010, la LMR a été presque complètement remplacée par la PMR (Perpendicular Magnetic Recording — enregistrement magnétique perpendiculaire). La principale différence entre cette technologie et l'enregistrement magnétique longitudinal est que le vecteur de direction magnétique de chaque domaine est situé à un angle de 90° par rapport à la surface du plateau magnétique, ce qui a permis de réduire considérablement l'espace entre les pistes.
Grâce à cela, la densité d'enregistrement des données a pu être considérablement augmentée (jusqu'à 1 Tbit/in² dans les dispositifs modernes), tout en ne sacrifiant pas les caractéristiques de vitesse et la fiabilité des disques durs. À l'heure actuelle, l'enregistrement magnétique perpendiculaire est dominant sur le marché, et c'est pourquoi on l'appelle aussi souvent CMR (Conventional Magnetic Recording — enregistrement magnétique conventionnel). Il est important de comprendre qu'il n'y a en réalité aucune différence entre la PMR et la CMR — c'est tout simplement une autre variante de nom.
En étudiant les spécifications techniques des disques durs modernes, vous pouvez également tomber sur l'énigmatique acronyme TDMR. En particulier, cette technologie est utilisée dans les dispositifs de classe entreprise . Du point de vue de la physique, le TDMR (qui signifie Two Dimensional Magnetic Recording — enregistrement magnétique bidimensionnel) ne diffère en rien de la PMR que nous connaissons : comme auparavant, nous avons affaire à des pistes non croisées, dont les domaines sont orientés perpendiculairement au plan des plaques magnétiques. La différence entre les technologies réside dans l'approche de la lecture des informations.
Dans le bloc des têtes magnétiques des disques durs fabriqués avec la technologie TDMR, chaque tête d'écriture est accompagnée de deux capteurs de lecture, permettant une lecture simultanée des données sur chaque piste parcourue. Cette redondance permet au contrôleur HDD de filtrer efficacement les bruits électromagnétiques, causés par l'interférence inter-piste (Intertrack Interference, ITI).
Résoudre le problème de l’ITI offre deux avantages extrêmement importants :
- la réduction du coefficient de bruit permet d’augmenter la densité d’enregistrement en diminuant la distance entre les pistes, augmentant ainsi la capacité globale jusqu’à 10 % par rapport à la PMR classique ;
- en combinaison avec la technologie RVS et un micro-actionneur à trois positions, le TDMR permet de lutter efficacement contre les vibrations rotatives générées par le fonctionnement des disques durs, garantissant ainsi un niveau de performance stable même dans les conditions d'exploitation les plus difficiles.
Qu'est-ce que le SMR et comment cela fonctionne-t-il ?
Les dimensions de la tête d'écriture sont environ 1,7 fois plus grandes que celles du capteur de lecture. Cette différence significative s'explique facilement : si le module d'écriture était encore plus miniaturisé, la force du champ magnétique qu'il pourrait générer ne serait pas suffisante pour magnétiser les domaines de la couche ferromagnétique, ce qui empêcherait la sauvegarde des données. En revanche, un capteur de lecture n'est pas confronté à ce problème. De plus, sa miniaturisation permet de réduire encore l'influence de l’ITI mentionnée précédemment sur le processus de lecture d'information.
Ce fait est à la base de l'enregistrement magnétique en tuiles (Shingled Magnetic Recording, SMR). Voyons comment cela fonctionne. Lors de l'utilisation de la PMR traditionnelle, la tête d'écriture est décalée par rapport à chaque piste précédente d'une distance égale à sa largeur + la largeur de l'espace de protection (guard space).
Dans la méthode d'enregistrement magnétique en tuiles, la tête d'écriture se déplace vers l'avant seulement d'une partie de sa largeur, ce qui fait que chaque piste précédente se retrouve partiellement réécrite par la suivante : les pistes magnétiques se superposent les unes aux autres comme des tuiles de toiture. Cette approche permet d'augmenter la densité d'enregistrement, offrant un gain de capacité allant jusqu'à 10% sans affecter le processus de lecture. Par exemple, on peut citer — les premiers disques durs de 3,5 pouces d'une capacité de 20 To avec interface SATA/SAS, dont l'apparition a été rendue possible grâce à la nouvelle technologie d'enregistrement magnétique. Ainsi, le passage aux disques SMR permet d'augmenter la densité de stockage de données dans les mêmes racks tout en minimisant les coûts de modernisation de l'infrastructure informatique.
Malgré cet avantage considérable, le SMR présente un inconvénient évident. Étant donné que les pistes magnétiques se superposent, lors de la mise à jour des données, il faudra réécrire non seulement le fragment requis, mais aussi toutes les pistes suivantes sur le disque magnétique, dont la capacité peut dépasser 2 téraoctets, ce qui peut entraîner une chute significative des performances.
Cette problématique peut être résolue en regroupant un certain nombre de pistes en groupes distincts, appelés zones. Bien que cette approche d'organisation du stockage des données réduise légèrement la capacité totale des HDD (puisqu'il est nécessaire de conserver des intervalles suffisants entre les zones pour empêcher la réécriture des pistes des groupes voisins), cela permet d'accélérer considérablement le processus de mise à jour des données, car seules un nombre limité de pistes sont désormais concernées.
L'enregistrement magnétique en tuiles propose plusieurs options de mise en œuvre :
- SMR géré par le disque (Drive Managed SMR)
Son principal avantage est qu'il n'est pas nécessaire de modifier le logiciel et/ou le matériel de l'hôte, car le contrôleur HDD prend en charge la gestion du processus d'écriture des données. Ces disques peuvent être connectés à n'importe quel système disposant de l'interface requise (SATA ou SAS), après quoi le stockage sera immédiatement prêt à l'emploi.
Le principal inconvénient de cette approche réside dans la variabilité des niveaux de performance, rendant le Drive Managed SMR inadapté aux applications d'entreprise où la constance des performances système est un paramètre essentiel. Cependant, ces disques se comportent bien dans des scénarios où un temps suffisant est prévu pour effectuer une défragmentation des données en arrière-plan. Par exemple, les stockage DMSMR , optimisés pour une utilisation dans des NAS de petite taille à 8 baies, constituent un excellent choix pour un système d'archivage ou de sauvegarde prévoyant un stockage à long terme des sauvegardes.
- Host Managed SMR (SMR géré par l'hôte)
Le SMR géré par l'hôte est l'option la plus préférée pour la mise en œuvre de l'enregistrement zoné dans un environnement d'entreprise. Dans ce cas, la gestion des flux de données et des opérations de lecture/écriture est assurée par le système hôte lui-même, qui utilise à cet effet des extensions d'interfaces ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) et SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), développées par les comités INCITS T10 et T13.
Lors de l'utilisation de HMSMR, l'intégralité de la capacité du disque est subdivisée en zones de deux types : les Conventional Zones (zones conventionnelles), qui sont utilisées pour le stockage des métadonnées et pour l'enregistrement aléatoire (jouant essentiellement le rôle de cache), et les Sequential Write Required Zones (zones d'écriture séquentielle), occupant la majeure partie de la capacité totale du disque dur, où les données sont enregistrées de manière strictement séquentielle. Les données non ordonnées sont stockées dans la zone de cache, d'où elles peuvent ensuite être transférées dans la zone d'écriture séquentielle appropriée. De ce fait, tous les secteurs physiques sont enregistrés de manière séquentielle dans la direction radiale et ne sont réécrits qu'après un transfert cyclique, permettant d'obtenir des performances système stables et prévisibles. Les disques HMSMR prennent en charge des commandes de lecture aléatoire similaires à celles des disques utilisant la technologie PMR standard.
Le SMR géré par l'hôte est implémenté dans les disques durs de classe entreprise .
La gamme comprend des disques durs SATA et SAS de haute capacité, conçus pour être utilisés dans des centres de données hyper-scalables. Le support de la technologie Host Managed SMR élargit considérablement le champ d'application de ces disques durs : en plus des systèmes de sauvegarde, ils conviennent parfaitement aux stockages cloud, aux CDN ou aux plateformes de streaming. La capacité élevée des disques durs permet d'augmenter significativement la densité de stockage (dans les mêmes racks) avec des coûts de mise à niveau minimaux, et une consommation d'énergie faible (pas plus de 0,29 Watt par téraoctet d'information stockée) et une dissipation de chaleur (en moyenne de 5 °C inférieure à celle des concurrents) permettent également de réduire les coûts opérationnels pour l'entretien du centre de données.
Le principal inconvénient de la HMSMR est la complexité relative de son implémentation. En effet, à l'heure actuelle, aucun système d'exploitation ou application n'est capable de travailler avec de tels disques « prêts à l'emploi », ce qui nécessite des modifications substantielles dans la pile logicielle pour adapter l'infrastructure IT. Cela concerne en premier lieu le système d'exploitation lui-même, ce qui, dans le cadre des centres de données modernes utilisant des serveurs multi-cœurs et multi-sockets, constitue un défi non négligeable. Pour en savoir plus sur les options de mise en œuvre du support Host Managed SMR, vous pouvez consulter le site spécialisé , dédié aux questions de stockage de données zonées. Les informations rassemblées ici vous aideront à évaluer au préalable la préparation de votre infrastructure IT pour la transition vers des systèmes de stockage zonés.
- Host Aware SMR (SMR consciente de l'hôte)
Les dispositifs prenant en charge le Host Aware SMR combinent la convivialité et la flexibilité de Drive Managed SMR avec la grande vitesse d'écriture de Host Managed SMR. Ces disques sont rétrocompatibles avec les systèmes de stockage plus anciens et peuvent fonctionner sans contrôle direct de l'hôte, mais dans ce cas, comme c’est le cas avec les disques DMSMR, leur performance devient imprévisible.
Tout comme le SMR géré par l'hôte, le SMR conscient de l'hôte utilise deux types de zones : les zones conventionnelles pour l'écriture aléatoire et les zones préférées pour l'écriture séquentielle. Ces dernières, contrairement aux zones requises pour l'écriture séquentielle mentionnées ci-dessus, sont automatiquement reclassées en zones ordinaires si une écriture de données non ordonnée commence à y avoir lieu.
L'implémentation du SMR avec prise en charge de l'hôte inclut des mécanismes internes de récupération après écriture non séquentielle. Les données non ordonnées sont écrites dans des zones de mise en cache, d'où le disque peut transférer l'information vers la zone d'écriture séquentielle, après avoir reçu tous les blocs nécessaires. Pour gérer l'écriture non ordonnée et la défragmentation en arrière-plan, le disque utilise une table de mappage indirect. Cependant, si les applications d'entreprise nécessitent une performance prévisible et optimisée, cela ne peut toujours être atteint que si l'hôte prend en charge la gestion complète de tous les flux de données et des zones d'écriture.
Source : habr.com
