Le premier disque dur au monde, l'IBM RAMAC 305, sorti en 1956, ne contenait que 5 Mo de données, pesait 970 kg et était comparable en taille à un réfrigérateur industriel. Les produits phares des entreprises modernes peuvent se vanter d'une capacité de 20 To. Imaginez : il y a 64 ans, pour enregistrer cette 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 les 9 kilomètres carrés, alors qu'aujourd'hui une petite boîte pesant environ 700 grammes ! À bien des égards, cette incroyable augmentation de la densité de stockage a été obtenue grâce aux améliorations des méthodes d’enregistrement magnétique.
C’est difficile à croire, mais la conception fondamentale des disques durs n’a pas changé depuis près de 40 ans, depuis 1983 : c’est à cette époque que le premier disque dur de 3,5 pouces RO351, développé par la société écossaise Rodime, a vu le jour. Ce bébé avait deux plateaux magnétiques de 10 Mo chacun, ce qui signifie qu'il était capable de contenir deux fois plus de données que le ST-412 Seagate mis à jour de 5,25 pouces sorti 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 taille compacte, au moment de sa sortie, le RO351 s'est avéré pratiquement inutile à quiconque, et toutes les tentatives ultérieures de Rodime pour prendre pied sur le marché des disques durs ont échoué, c'est pourquoi, en 1991, l'entreprise a été forcée de cesser ses activités, en vendant la quasi-totalité de ses actifs existants et en réduisant ses effectifs au minimum. Cependant, Rodime n'était pas destiné à faire faillite : bientôt les plus grands fabricants de disques durs commencèrent à le contacter, souhaitant acheter une licence pour utiliser le facteur de forme breveté par les Écossais. Actuellement, 3,5 pouces est la norme généralement acceptée pour la production de disques durs grand public et de disques d'entreprise.
Avec l’avènement des réseaux de neurones, du Deep Learning et de l’Internet des objets (IoT), le volume de données créées par l’humanité a commencé à croître de façon exponentielle. Selon les estimations de l'agence d'analyse IDC, d'ici 2025, la quantité d'informations générées à la fois par les personnes elles-mêmes et par les appareils qui nous entourent atteindra 175 zettaoctets (1 Zoctet = 1021 octets), et ce malgré le fait qu'en 2019, cela s'élevait à 45 Zoctets. , en 2016 - 16 Zoctets, et en 2006, la quantité totale de données produites sur toute l'histoire observable ne dépassait pas 0,16 (!) Zoctets. Les technologies modernes contribuent à faire face à l’explosion de l’information, notamment les méthodes améliorées d’enregistrement des données.
LMR, PMR, CMR et TDMR : quelle est la différence ?
Le principe de fonctionnement des disques durs est assez simple. De fines plaques métalliques recouvertes d'une couche de matériau ferromagnétique (une substance cristalline qui peut rester magnétisée même lorsqu'elle n'est pas exposée à un champ magnétique externe à des températures inférieures au point de Curie) se déplacent par rapport à la tête d'écriture à grande vitesse (5400 0 tours par minute ou plus). Lorsqu'un courant électrique est appliqué à la tête d'écriture, un champ magnétique alternatif apparaît, qui modifie la direction du vecteur de magnétisation des domaines (régions discrètes de la matière) du ferromagnétique. La lecture des données se produit soit du fait du phénomène d'induction électromagnétique (le mouvement des domaines par rapport au capteur provoque l'apparition d'un courant électrique alternatif dans ce dernier), soit du fait d'un effet magnétorésistif géant (sous l'influence d'un champ magnétique le courant électrique résistance des changements de capteur), comme cela est mis en œuvre dans les entraînements modernes. Chaque domaine code un bit d'information, prenant la valeur logique « 1 » ou « XNUMX » selon la direction du vecteur d'aimantation.
Pendant longtemps, les disques durs ont utilisé la méthode d'enregistrement magnétique longitudinal (LMR), dans laquelle le vecteur de magnétisation du domaine se trouvait dans le plan de la plaque magnétique. Malgré la relative simplicité de mise en œuvre, cette technologie présentait un inconvénient important : afin de surmonter la coercitivité (la transition des particules magnétiques vers un état à domaine unique), il fallait laisser une zone tampon impressionnante (appelée espace de garde) entre les pistes. En conséquence, la densité d’enregistrement maximale atteinte au terme de cette technologie n’était que de 150 Gbit/pouce2.
En 2010, le LMR a été presque entièrement remplacé par le PMR (Perpendiculaire Magnétique Enregistrement). La principale différence entre cette technologie et l'enregistrement magnétique longitudinal est que le vecteur direction magnétique de chaque domaine est situé à un angle de 90° par rapport à la surface de la plaque magnétique, ce qui a considérablement réduit l'écart entre les pistes.
De ce fait, la densité d'enregistrement des données a été considérablement augmentée (jusqu'à 1 Tbit/pouce2 dans les appareils modernes), sans sacrifier les caractéristiques de vitesse et la fiabilité des disques durs. Actuellement, l’enregistrement magnétique perpendiculaire domine le marché, c’est pourquoi on l’appelle aussi souvent CMR (Conventional Magnetic Recording). Dans le même temps, vous devez comprendre qu'il n'y a absolument aucune différence entre PMR et CMR - c'est juste une version différente du nom.
En étudiant les caractéristiques techniques des disques durs modernes, vous rencontrerez peut-être également la mystérieuse abréviation TDMR. Cette technologie est particulièrement utilisée par les lecteurs de classe entreprise . D'un point de vue physique, le TDMR (qui signifie Two Dimensional Magnetic Recording) n'est pas différent du PMR habituel : comme auparavant, il s'agit de pistes non sécantes, dont les domaines sont orientés perpendiculairement au plan du champ magnétique. assiettes. La différence entre les technologies réside dans l'approche de la lecture de l'information.
Dans le bloc de têtes magnétiques de disques durs créé grâce à la technologie TDMR, chaque tête d'écriture dispose de deux capteurs de lecture qui lisent simultanément les données de chaque piste parcourue. Cette redondance permet au contrôleur HDD de filtrer efficacement le bruit électromagnétique dont l'apparition est provoquée par les interférences interpistes (ITI).
Résoudre le problème de l’ITI offre deux avantages extrêmement importants :
- la réduction du facteur de bruit permet d'augmenter la densité d'enregistrement en réduisant la distance entre les pistes, offrant un gain de capacité totale jusqu'à 10 % par rapport au PMR classique ;
- Associé à la technologie RVS et à un microactionneur à trois positions, le TDMR résiste efficacement aux vibrations de rotation provoquées par les disques durs, contribuant ainsi à atteindre des niveaux de performances constants même dans les conditions de fonctionnement les plus difficiles.
Qu'est-ce que le SMR et avec quoi est-il consommé ?
La taille de la tête d'écriture est environ 1,7 fois plus grande par rapport à la taille du capteur de lecture. Une différence aussi impressionnante s'explique assez simplement : si le module d'enregistrement est rendu encore plus miniature, la force du champ magnétique qu'il peut générer ne sera pas suffisante pour magnétiser les domaines de la couche ferromagnétique, ce qui signifie que les données seront simplement ne soit pas stockée. Dans le cas d'un capteur de lecture, ce problème ne se pose pas. De plus : sa miniaturisation permet de réduire encore l'influence de l'ITI précité sur le processus de lecture de l'information.
Ce fait constitue la base de l’enregistrement magnétique en bardeaux (SMR). Voyons comment cela fonctionne. Lors de l'utilisation d'un PMR traditionnel, 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 garde.
Lors de l'utilisation de la méthode d'enregistrement magnétique en mosaïque, la tête d'écriture n'avance que d'une partie de sa largeur, de sorte que chaque piste précédente est partiellement écrasée par la suivante : les pistes magnétiques se chevauchent comme des tuiles. Cette approche permet d'augmenter encore la densité d'enregistrement, offrant un gain de capacité jusqu'à 10 %, sans affecter le processus de lecture. Un exemple est - les premiers disques 3.5 pouces 20 To au monde dotés d'une interface SATA/SAS, dont l'apparition a été rendue possible grâce à la nouvelle technologie d'enregistrement magnétique. Ainsi, la transition vers les disques SMR permet d'augmenter la densité de stockage des données dans les mêmes racks avec des coûts minimes de mise à niveau de l'infrastructure informatique.
Malgré un avantage aussi important, le SMR présente également un inconvénient évident. Étant donné que les pistes magnétiques se chevauchent, la mise à jour des données nécessitera de réécrire non seulement le fragment requis, mais également toutes les pistes suivantes au sein du plateau magnétique, dont le volume peut dépasser 2 téraoctets, ce qui peut entraîner une baisse importante des performances.
Ce problème peut être résolu en combinant un certain nombre de pistes en groupes distincts appelés zones. Bien que cette approche d'organisation du stockage des données réduise quelque peu la capacité globale du disque dur (puisqu'il est nécessaire de maintenir des espaces suffisants entre les zones pour éviter que les pistes des groupes adjacents ne soient écrasées), elle peut considérablement accélérer le processus de mise à jour des données, puisque désormais seul un nombre limité de pistes y est impliqué.
L'enregistrement magnétique des tuiles implique plusieurs options de mise en œuvre :
- Piloter le SMR géré
Son principal avantage est qu'il n'est pas nécessaire de modifier le logiciel et/ou le matériel hôte, puisque le contrôleur HDD prend le contrôle de la procédure d'enregistrement des données. Ces disques peuvent être connectés à n'importe quel système doté de l'interface requise (SATA ou SAS), après quoi le disque sera immédiatement prêt à l'emploi.
L'inconvénient de cette approche est que les niveaux de performances varient, ce qui rend Drive Managed SMR inadapté aux applications d'entreprise où des performances système cohérentes sont essentielles. Cependant, ces disques fonctionnent bien dans des scénarios qui laissent suffisamment de temps pour que la défragmentation des données en arrière-plan se produise. Par exemple, les lecteurs DMSMR , optimisé pour une utilisation dans le cadre d'un petit NAS à 8 baies, sera un excellent choix pour un système d'archivage ou de sauvegarde nécessitant un stockage à long terme des sauvegardes.
- SMR géré par l'hôte
Host Managed SMR est l’implémentation d’enregistrement en mosaïque préférée pour une utilisation dans un environnement d’entreprise. Dans ce cas, le système hôte lui-même est responsable de la gestion des flux de données et des opérations de lecture/écriture, en utilisant à ces fins les extensions d'interface ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) et SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) développées par l'INCITS. Commissions T10 et T13 .
Lors de l'utilisation de HMSMR, toute la capacité de stockage disponible du disque est divisée en deux types de zones : les zones conventionnelles, qui sont utilisées pour stocker les métadonnées et l'enregistrement aléatoire (jouant essentiellement le rôle de cache), et les zones séquentielles requises en écriture, qui occupent une grande partie de la capacité totale du disque dur dans laquelle les données sont écrites de manière strictement séquentielle. Les données en désordre sont stockées dans une zone de cache, d'où elles peuvent ensuite être transférées vers la zone d'écriture séquentielle appropriée. Cela garantit que tous les secteurs physiques sont écrits séquentiellement dans la direction radiale et ne sont réécrits qu'après un transfert cyclique, ce qui permet d'obtenir des performances système stables et prévisibles. Dans le même temps, les lecteurs HMSMR prennent en charge les commandes de lecture aléatoire de la même manière que les lecteurs utilisant le PMR standard.
Host Managed SMR est implémenté dans les disques durs de classe entreprise .
La gamme comprend des disques SATA et SAS haute capacité conçus pour être utilisés dans les centres de données hyperscale. La prise en charge de Host Managed SMR élargit considérablement le champ d'application de ces disques durs : en plus des systèmes de sauvegarde, ils sont parfaits pour le stockage cloud, les CDN ou les plateformes de streaming. La capacité élevée des disques durs vous permet d'augmenter considérablement la densité de stockage (dans les mêmes racks) avec des coûts de mise à niveau minimes et une faible consommation d'énergie (pas plus de 0,29 watts par téraoctet d'informations stockées) et une dissipation thermique (en moyenne 5 °C inférieure que les analogues) - réduisez davantage les coûts d'exploitation pour la maintenance du centre de données.
Le seul inconvénient du HMSMR est la relative complexité de mise en œuvre. Le fait est qu'aujourd'hui, aucun système d'exploitation ou application ne peut fonctionner avec de tels disques, c'est pourquoi de sérieux changements dans la pile logicielle sont nécessaires pour adapter l'infrastructure informatique. Tout d'abord, cela concerne bien sûr le système d'exploitation lui-même, ce qui, dans les conditions des centres de données modernes utilisant des serveurs multicœurs et multi-sockets, est une tâche plutôt non triviale. Vous pouvez en savoir plus sur les options de mise en œuvre de la prise en charge Host Managed SMR sur une ressource spécialisée , dédié aux problématiques de stockage de données zonales. Les informations collectées ici vous aideront à évaluer préliminairement l'état de préparation de votre infrastructure informatique pour le transfert vers des systèmes de stockage de zone.
- SMR compatible avec l'hôte (SMR compatible avec l'hôte)
Les appareils compatibles Host Aware SMR combinent la commodité et la flexibilité de Drive Managed SMR avec les vitesses d'écriture élevées de Host Managed SMR. Ces disques sont rétrocompatibles avec les systèmes de stockage existants et peuvent fonctionner sans contrôle direct de l'hôte, mais dans ce cas, comme pour les disques DMSMR, leurs performances deviennent imprévisibles.
Comme Host Managed SMR, Host Aware SMR utilise deux types de zones : les zones conventionnelles pour les écritures aléatoires et les zones préférées d'écriture séquentielle. Ces dernières, contrairement aux zones d'écriture séquentielle requises mentionnées ci-dessus, sont automatiquement reléguées dans la catégorie des zones normales si elles commencent à enregistrer des données dans le désordre.
L'implémentation de SMR compatible avec l'hôte fournit des mécanismes internes de récupération après des écritures incohérentes. Les données dans le désordre sont écrites dans des zones de cache, à partir desquelles le disque peut transférer les informations vers la zone d'écriture séquentielle une fois que tous les blocs nécessaires ont été reçus. Le disque utilise une table d'indirection pour gérer les écritures dans le désordre et la défragmentation en arrière-plan. Toutefois, si les applications d'entreprise nécessitent des performances prévisibles et optimisées, cela ne peut être obtenu que si l'hôte prend le contrôle total de tous les flux de données et zones d'enregistrement.
Source: habr.com