O primeiro disco duro do mundo, o IBM RAMAC 305, lanzado en 1956, tiña só 5 MB de datos, pesaba 970 kg e era comparable en tamaño a un frigorífico industrial. Os buques insignia corporativos modernos poden presumir dunha capacidade de 20 TB. Imaxínate: hai 64 anos, para rexistrar esta cantidade de información, serían necesarios máis de 4 millóns de RAMAC 305, e o tamaño do centro de datos necesario para aloxalos tería superado os 9 quilómetros cadrados, mentres que hoxe en día unha pequena caixa de peso uns 700 gramos! En moitos sentidos, este incrible aumento da densidade de almacenamento conseguiuse grazas a melloras nos métodos de gravación magnética.
É difícil de crer, pero o deseño fundamental dos discos duros non cambiou desde hai case 40 anos, a partir de 1983: foi entón cando viu a luz o primeiro disco duro de 3,5 polgadas RO351, desenvolvido pola empresa escocesa Rodime. Este bebé tiña dous pratos magnéticos de 10 MB cada un, o que significa que era capaz de albergar o dobre de datos que o ST-412 actualizado de 5,25 polgadas que Seagate lanzou o mesmo ano para os ordenadores persoais IBM 5160.
Rodime RO351 - o primeiro disco duro de 3,5 polgadas do mundo
A pesar da súa innovación e tamaño compacto, no momento do seu lanzamento o RO351 resultou ser practicamente inútil para ninguén, e todos os intentos posteriores de Rodime de implantarse no mercado dos discos duros fracasaron, motivo polo que en 1991 a empresa viuse obrigada. cesar as súas actividades, vendendo case todos os activos existentes e reducindo o persoal ao mínimo. Porén, Rodime non estaba destinado á quebra: axiña os maiores fabricantes de discos duros comezaron a poñerse en contacto con el, desexando adquirir unha licenza para utilizar o factor de forma patentado polos escoceses. Actualmente, 3,5 polgadas é o estándar xeralmente aceptado para a produción tanto de discos duros de consumo como de unidades de clase empresarial.
Coa chegada das redes neuronais, o Deep Learning e a Internet das Cousas (IoT), o volume de datos creados pola humanidade comezou a crecer exponencialmente. Segundo estimacións da axencia analítica IDC, para 2025 a cantidade de información xerada tanto polas propias persoas como polos dispositivos que nos rodean alcanzará os 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes), e iso a pesar de que en 2019 ascendeu a 45 Zbytes. , en 2016 - 16 Zbytes, e en 2006, a cantidade total de datos producidos ao longo de todo o historial observable non superou 0,16 (!) Zbytes. As tecnoloxías modernas están axudando a facer fronte á explosión da información, entre as que destacan os métodos mellorados de gravación de datos.
LMR, PMR, CMR e TDMR: cal é a diferenza?
O principio de funcionamento dos discos duros é bastante sinxelo. As placas metálicas delgadas recubertas cunha capa de material ferromagnético (unha substancia cristalina que pode permanecer magnetizada aínda que non se expoñan a un campo magnético externo a temperaturas por debaixo do punto de Curie) móvense en relación á unidade da cabeza de escritura a gran velocidade (5400 revolucións por minuto ou máis). Cando se aplica unha corrente eléctrica ao cabezal de escritura, xorde un campo magnético alterno, que cambia a dirección do vector de magnetización dos dominios (rexións discretas da materia) do ferroimán. A lectura de datos prodúcese ben polo fenómeno da indución electromagnética (o movemento dos dominios en relación ao sensor provoca a aparición dunha corrente eléctrica alterna neste último), ou ben por un efecto magnetoresistivo xigante (baixo a influencia dun campo magnético o cambios de resistencia del sensor), como se implementa en unidades modernas. Cada dominio codifica un bit de información, tomando o valor lóxico "0" ou "1" dependendo da dirección do vector de magnetización.
Durante moito tempo, os discos duros utilizaron o método de gravación magnética lonxitudinal (LMR), no que o vector de magnetización do dominio estaba no plano da placa magnética. A pesar da relativa simplicidade de implementación, esta tecnoloxía presentaba un inconveniente importante: para superar a coercitividade (a transición das partículas magnéticas a un estado de dominio único), había que deixar unha impresionante zona tampón (o chamado espazo de garda) entre as pistas. Como resultado, a máxima densidade de gravación que se conseguiu ao final desta tecnoloxía foi de só 150 Gbit/polgada2.
En 2010, LMR foi substituído case por completo por PMR (Gravación Magnética Perpendicular). A principal diferenza entre esta tecnoloxía e a gravación magnética lonxitudinal é que o vector de dirección magnética de cada dominio está situado nun ángulo de 90° coa superficie da placa magnética, o que reduciu significativamente a brecha entre as pistas.
Debido a isto, a densidade de gravación de datos aumentou significativamente (ata 1 Tbit/in2 en dispositivos modernos), sen sacrificar as características de velocidade e fiabilidade dos discos duros. Actualmente, a gravación magnética perpendicular domina o mercado, polo que tamén se lle chama CMR (Grabación Magnética Convencional). Ao mesmo tempo, cómpre entender que non hai absolutamente ningunha diferenza entre PMR e CMR: é só unha versión diferente do nome.
Mentres estudas as características técnicas dos discos duros modernos, tamén podes atoparte coa misteriosa abreviatura TDMR. En particular, esta tecnoloxía é utilizada por unidades de clase empresarial . Desde o punto de vista da física, TDMR (que significa Two Dimensional Magnetic Recording) non é diferente do PMR habitual: como antes, estamos ante pistas que non se cruzan, cuxos dominios están orientados perpendicularmente ao plano do magnético. placas. A diferenza entre as tecnoloxías reside no enfoque da lectura da información.
No bloque de cabezales magnéticos dos discos duros creado mediante a tecnoloxía TDMR, cada cabezal de escritura ten dous sensores de lectura que len simultaneamente os datos de cada pista pasada. Esta redundancia permite que o controlador HDD filtre eficazmente o ruído electromagnético, cuxa aparición é causada pola interferencia entre pistas (ITI).
Resolver o problema ITI proporciona dous beneficios extremadamente importantes:
- reducir o factor de ruído permítelle aumentar a densidade de gravación reducindo a distancia entre as pistas, proporcionando unha ganancia na capacidade total de ata un 10% en comparación co PMR convencional;
- Combinado coa tecnoloxía RVS e un microactuador de tres posicións, o TDMR resiste eficazmente a vibración de rotación causada polos discos duros, axudando a acadar niveis consistentes de rendemento incluso nas condicións de funcionamento máis desafiantes.
Que é SMR e con que se come?
O tamaño do cabezal de escritura é aproximadamente 1,7 veces maior en comparación co tamaño do sensor de lectura. Unha diferenza tan impresionante pódese explicar de forma sinxela: se o módulo de gravación se fai aínda máis miniatura, a intensidade do campo magnético que pode xerar non será suficiente para magnetizar os dominios da capa ferromagnética, o que significa que os datos simplemente irán. non ser almacenado. No caso dun sensor de lectura, este problema non xorde. Ademais: a súa miniaturización permite reducir aínda máis a influencia do citado ITI no proceso de lectura da información.
Este feito formou a base da gravación magnética Shingled (SMR). Imos descubrir como funciona. Cando se usa un PMR tradicional, o cabezal de escritura desprázase con respecto a cada pista anterior nunha distancia igual ao seu ancho + o ancho do espazo de garda.
Cando se utiliza o método de gravación magnética de baldosas, o cabezal de escritura avanza só parte do seu ancho, polo que cada pista anterior queda parcialmente sobrescrita pola seguinte: as pistas magnéticas se solapan entre si como tellas. Este enfoque permítelle aumentar aínda máis a densidade de gravación, proporcionando unha ganancia de capacidade de ata un 10%, sen afectar o proceso de lectura. Un exemplo é - as primeiras unidades do mundo de 3.5 polgadas e 20 TB con interface SATA/SAS, cuxa aparición foi posible grazas á nova tecnoloxía de gravación magnética. Así, a transición aos discos SMR permítelle aumentar a densidade de almacenamento de datos nos mesmos racks cuns custos mínimos para actualizar a infraestrutura de TI.
A pesar dunha vantaxe tan significativa, SMR tamén ten un inconveniente obvio. Dado que as pistas magnéticas se solapan entre si, a actualización dos datos requirirá reescribir non só o fragmento necesario, senón tamén todas as pistas posteriores dentro do prato magnético, cuxo volume pode superar os 2 terabytes, o que pode provocar unha grave caída do rendemento.
Este problema pódese resolver combinando un certo número de pistas en grupos separados chamados zonas. Aínda que este enfoque para organizar o almacenamento de datos reduce algo a capacidade global do disco duro (xa que é necesario manter espazos suficientes entre zonas para evitar que se sobrescriban as pistas de grupos adxacentes), pode acelerar significativamente o proceso de actualización de datos, xa que agora só un número limitado de pistas están implicadas nel.
A gravación magnética de mosaicos implica varias opcións de implementación:
- Unidade SMR xestionada
A súa principal vantaxe é que non é necesario modificar o software e/ou hardware do host, xa que o controlador do HDD toma o control do procedemento de gravación de datos. Tales unidades pódense conectar a calquera sistema que teña a interface necesaria (SATA ou SAS), despois de que a unidade estará inmediatamente lista para o seu uso.
A desvantaxe deste enfoque é que os niveis de rendemento varían, o que fai que Drive Managed SMR non sexa adecuado para aplicacións empresariais nas que o rendemento coherente do sistema é fundamental. Non obstante, tales unidades funcionan ben en escenarios que permiten tempo suficiente para que se produza a desfragmentación dos datos en segundo plano. Por exemplo, as unidades DMSMR , optimizado para o seu uso como parte dun pequeno NAS de 8 baías, será unha excelente opción para un sistema de arquivo ou copia de seguridade que require almacenamento a longo prazo de copias de seguridade.
- SMR xestionado polo anfitrión
Host Managed SMR é a implementación de gravación en mosaico preferida para usar nun ambiente empresarial. Neste caso, o propio sistema host é o responsable da xestión dos fluxos de datos e das operacións de lectura/escritura, utilizando para estes efectos as extensións de interface ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) desenvolvidas polo INCITS. Comités T10 e T13 .
Cando se usa HMSMR, toda a capacidade de almacenamento dispoñible da unidade divídese en dous tipos de zonas: Zonas convencionais, que se usan para almacenar metadatos e gravacións aleatorias (esencialmente desempeñando o papel de caché) e Zonas requiridas de escritura secuencial, que ocupan gran parte da capacidade total do disco duro no que os datos se escriben de forma estrictamente secuencial. Os datos fóra de orde almacénanse nunha área de caché, desde onde se poden transferir á área de escritura secuencial adecuada. Isto garante que todos os sectores físicos se escriben secuencialmente na dirección radial e se reescribían só despois dunha transferencia cíclica, o que resulta nun rendemento estable e previsible do sistema. Ao mesmo tempo, as unidades HMSMR admiten comandos de lectura aleatoria do mesmo xeito que as unidades que usan PMR estándar.
Host Managed SMR está implementado en discos duros de clase empresarial .
A liña inclúe unidades SATA e SAS de alta capacidade deseñadas para o seu uso en centros de datos de hiperescala. A compatibilidade con Host Managed SMR amplía significativamente o ámbito de aplicación deste tipo de discos duros: ademais dos sistemas de copia de seguridade, son perfectos para plataformas de almacenamento na nube, CDN ou streaming. A alta capacidade dos discos duros permítelle aumentar significativamente a densidade de almacenamento (nos mesmos racks) cuns custos de actualización mínimos e un baixo consumo de enerxía (non máis de 0,29 vatios por terabyte de información almacenada) e unha disipación de calor (de media 5 °C máis baixo). que os análogos) - reduce aínda máis os custos operativos para o mantemento do centro de datos.
O único inconveniente de HMSMR é a relativa complexidade de implementación. O caso é que hoxe ningún sistema operativo ou aplicación pode funcionar con este tipo de unidades, polo que son necesarios cambios serios na pila de software para adaptar a infraestrutura informática. En primeiro lugar, isto refírese, por suposto, ao propio sistema operativo, que nas condicións dos centros de datos modernos que usan servidores multinúcleo e multisocket é unha tarefa bastante non trivial. Podes obter máis información sobre as opcións para implementar a compatibilidade con Host Managed SMR nun recurso especializado , dedicado a cuestións de almacenamento de datos zonal. A información recollida aquí axudarache a avaliar preliminarmente a preparación da túa infraestrutura de TI para a transferencia a sistemas de almacenamento de zonas.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Os dispositivos compatibles con Host Aware SMR combinan a comodidade e flexibilidade de Drive Managed SMR coas altas velocidades de escritura de Host Managed SMR. Estas unidades son compatibles con sistemas de almacenamento legados e poden funcionar sen control directo do host, pero neste caso, como ocorre coas unidades DMSMR, o seu rendemento faise imprevisible.
Do mesmo xeito que Host Managed SMR, Host Aware SMR usa dous tipos de zonas: Zonas convencionais para escrituras aleatorias e Zonas preferidas de escritura secuencial. Estas últimas, en contraste coas Zonas Requiridas de Escritura Secuencial mencionadas anteriormente, quedan automaticamente relegadas á categoría das habituais se comezan a gravar datos fóra de orde.
A implementación de SMR consciente do host proporciona mecanismos internos para a recuperación de escrituras inconsistentes. Os datos fóra de orde escríbense nas áreas da caché, desde onde o disco pode transferir a información á área de escritura secuencial despois de recibir todos os bloques necesarios. O disco usa unha táboa de indirectos para xestionar a desfragmentación en segundo plano e a escritura fóra de orde. Non obstante, se as aplicacións empresariais requiren un rendemento previsible e optimizado, isto só se pode conseguir se o host toma o control total de todos os fluxos de datos e zonas de gravación.
Fonte: www.habr.com