एचडीडी चुंबकीय रिकॉर्डिंग प्रौद्योगिकियां: जटिल के बारे में सरल

दुनिया की पहली हार्ड ड्राइव, IBM RAMAC 305, 1956 में जारी की गई थी, जिसमें केवल 5 एमबी डेटा था, इसका वजन 970 किलोग्राम था और आकार में यह एक औद्योगिक रेफ्रिजरेटर के बराबर था। आधुनिक कॉर्पोरेट फ्लैगशिप 20 टीबी की क्षमता का दावा कर सकते हैं। जरा कल्पना करें: 64 साल पहले, इतनी मात्रा में जानकारी रिकॉर्ड करने के लिए, 4 मिलियन से अधिक RAMAC 305 की आवश्यकता होती थी, और उन्हें समायोजित करने के लिए आवश्यक डेटा सेंटर का आकार 9 वर्ग किलोमीटर से अधिक होता था, जबकि आज एक छोटे से बॉक्स का वजन होता है लगभग 700 ग्राम! कई मायनों में, चुंबकीय रिकॉर्डिंग विधियों में सुधार के कारण भंडारण घनत्व में यह अविश्वसनीय वृद्धि हासिल की गई।
इस पर विश्वास करना कठिन है, लेकिन 40 से शुरू होकर, लगभग 1983 वर्षों तक हार्ड ड्राइव का मौलिक डिज़ाइन नहीं बदला है: तभी स्कॉटिश कंपनी रोडाइम द्वारा विकसित पहली 3,5-इंच हार्ड ड्राइव RO351, दिन की रोशनी देखी गई। इस बच्चे के पास 10 एमबी के दो चुंबकीय प्लेटर थे, जिसका अर्थ है कि यह आईबीएम 412 पर्सनल कंप्यूटर के लिए उसी वर्ष जारी किए गए अद्यतन 5,25-इंच एसटी -5160 सीगेट की तुलना में दोगुना डेटा रखने में सक्षम था।

रोडाइम RO351 - दुनिया की पहली 3,5 इंच की हार्ड ड्राइव

अपनी नवीनता और कॉम्पैक्ट आकार के बावजूद, अपनी रिलीज़ के समय RO351 किसी के लिए भी व्यावहारिक रूप से बेकार साबित हुआ, और हार्ड ड्राइव बाजार में पैर जमाने के लिए रॉडाइम के सभी प्रयास विफल रहे, यही वजह है कि 1991 में कंपनी को मजबूर होना पड़ा अपनी गतिविधियों को बंद करने, लगभग सभी मौजूदा संपत्तियों को बेचने और कर्मचारियों को न्यूनतम करने के लिए। हालाँकि, रॉडाइम का दिवालिया होना तय नहीं था: जल्द ही सबसे बड़े हार्ड ड्राइव निर्माताओं ने स्कॉट्स द्वारा पेटेंट किए गए फॉर्म फैक्टर का उपयोग करने के लिए लाइसेंस खरीदने की इच्छा रखते हुए उससे संपर्क करना शुरू कर दिया। वर्तमान में, उपभोक्ता एचडीडी और एंटरप्राइज़-श्रेणी ड्राइव दोनों के उत्पादन के लिए 3,5 इंच आम तौर पर स्वीकृत मानक है।

तंत्रिका नेटवर्क, डीप लर्निंग और इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) के आगमन के साथ, मानवता द्वारा बनाए गए डेटा की मात्रा तेजी से बढ़ने लगी। विश्लेषणात्मक एजेंसी आईडीसी के अनुमान के अनुसार, 2025 तक लोगों और हमारे आस-पास के उपकरणों द्वारा उत्पन्न जानकारी की मात्रा 175 ज़ेटाबाइट्स (1 ज़ेटाबाइट्स = 1021 बाइट्स) तक पहुंच जाएगी, और इस तथ्य के बावजूद कि 2019 में यह 45 ज़ेटाबाइट्स थी। , 2016 में - 16 ज़बाइट्स, और 2006 में, संपूर्ण अवलोकनीय इतिहास में उत्पादित डेटा की कुल मात्रा 0,16 (!) ज़बाइट्स से अधिक नहीं थी। आधुनिक प्रौद्योगिकियाँ सूचना विस्फोट से निपटने में मदद कर रही हैं, जिनमें से कम से कम डेटा रिकॉर्डिंग के बेहतर तरीके हैं।

एलएमआर, पीएमआर, सीएमआर और टीडीएमआर: क्या अंतर है?

हार्ड ड्राइव के संचालन का सिद्धांत काफी सरल है। लौहचुम्बकीय पदार्थ (एक क्रिस्टलीय पदार्थ जो क्यूरी बिंदु से नीचे के तापमान पर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में न आने पर भी चुम्बकित रह सकता है) की परत से लेपित पतली धातु की प्लेटें उच्च गति (5400 चक्कर प्रति मिनट या) पर राइट हेड यूनिट के सापेक्ष चलती हैं। अधिक)। जब विद्युत प्रवाह को राइट हेड पर लागू किया जाता है, तो एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है, जो फेरोमैग्नेट के डोमेन (पदार्थ के अलग-अलग क्षेत्रों) के चुंबकीयकरण वेक्टर की दिशा को बदल देता है। डेटा रीडिंग या तो विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटना के कारण होती है (सेंसर के सापेक्ष डोमेन की गति बाद में एक वैकल्पिक विद्युत प्रवाह की उपस्थिति का कारण बनती है), या एक विशाल मैग्नेटोरेसिस्टिव प्रभाव के कारण (चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में विद्युत सेंसर परिवर्तन का प्रतिरोध), जैसा कि आधुनिक ड्राइव में लागू किया गया है। प्रत्येक डोमेन चुम्बकत्व वेक्टर की दिशा के आधार पर तार्किक मान "0" या "1" लेते हुए, जानकारी के एक बिट को एनकोड करता है।

लंबे समय तक, हार्ड ड्राइव में अनुदैर्ध्य चुंबकीय रिकॉर्डिंग (एलएमआर) विधि का उपयोग किया जाता था, जिसमें डोमेन मैग्नेटाइजेशन वेक्टर चुंबकीय प्लेट के विमान में रहता था। कार्यान्वयन की सापेक्ष सादगी के बावजूद, इस तकनीक में एक महत्वपूर्ण खामी थी: जबरदस्ती (एकल-डोमेन राज्य में चुंबकीय कणों का संक्रमण) पर काबू पाने के लिए, एक प्रभावशाली बफर जोन (तथाकथित गार्ड स्पेस) को बीच में छोड़ना पड़ा रास्ता। परिणामस्वरूप, इस तकनीक के अंत में प्राप्त अधिकतम रिकॉर्डिंग घनत्व केवल 150 Gbit/इंच2 था।

2010 में, एलएमआर को लगभग पूरी तरह से पीएमआर (लंबवत चुंबकीय रिकॉर्डिंग) द्वारा बदल दिया गया था। इस तकनीक और अनुदैर्ध्य चुंबकीय रिकॉर्डिंग के बीच मुख्य अंतर यह है कि प्रत्येक डोमेन का चुंबकीय दिशा वेक्टर चुंबकीय प्लेट की सतह पर 90° के कोण पर स्थित होता है, जिससे पटरियों के बीच का अंतर काफी कम हो जाता है।

इसके कारण, हार्ड ड्राइव की गति विशेषताओं और विश्वसनीयता से समझौता किए बिना, डेटा रिकॉर्डिंग घनत्व में काफी वृद्धि हुई (आधुनिक उपकरणों में 1 Tbit/in2 तक)। वर्तमान में, लंबवत चुंबकीय रिकॉर्डिंग बाजार पर हावी है, यही कारण है कि इसे अक्सर सीएमआर (पारंपरिक चुंबकीय रिकॉर्डिंग) भी कहा जाता है। साथ ही, आपको यह समझने की आवश्यकता है कि पीएमआर और सीएमआर के बीच बिल्कुल कोई अंतर नहीं है - यह सिर्फ नाम का एक अलग संस्करण है।

आधुनिक हार्ड ड्राइव की तकनीकी विशेषताओं का अध्ययन करते समय, आपका सामना रहस्यमय संक्षिप्त नाम TDMR से भी हो सकता है। विशेष रूप से, इस तकनीक का उपयोग एंटरप्राइज़-क्लास ड्राइव द्वारा किया जाता है वेस्टर्न डिजिटल अल्ट्रास्टार 500 सीरीज. भौतिकी के दृष्टिकोण से, टीडीएमआर (जो दो आयामी चुंबकीय रिकॉर्डिंग के लिए खड़ा है) सामान्य पीएमआर से अलग नहीं है: पहले की तरह, हम गैर-प्रतिच्छेदी ट्रैक से निपट रहे हैं, जिनके डोमेन चुंबकीय के विमान के लंबवत उन्मुख हैं प्लेटें. प्रौद्योगिकियों के बीच अंतर जानकारी पढ़ने के दृष्टिकोण में निहित है।

टीडीएमआर तकनीक का उपयोग करके बनाए गए हार्ड ड्राइव के चुंबकीय हेड के ब्लॉक में, प्रत्येक राइटिंग हेड में दो रीडिंग सेंसर होते हैं जो एक साथ पारित प्रत्येक ट्रैक से डेटा पढ़ते हैं। यह अतिरेक एचडीडी नियंत्रक को विद्युत चुम्बकीय शोर को प्रभावी ढंग से फ़िल्टर करने की अनुमति देता है, जिसकी उपस्थिति इंटरट्रैक हस्तक्षेप (आईटीआई) के कारण होती है।

आईटीआई समस्या का समाधान करने से दो अत्यंत महत्वपूर्ण लाभ मिलते हैं:

1. शोर कारक को कम करने से आप पटरियों के बीच की दूरी को कम करके रिकॉर्डिंग घनत्व को बढ़ा सकते हैं, जिससे पारंपरिक पीएमआर की तुलना में कुल क्षमता में 10% तक का लाभ मिलता है;
2. आरवीएस प्रौद्योगिकी और तीन-स्थिति वाले माइक्रोएक्टुएटर के साथ संयुक्त, टीडीएमआर हार्ड ड्राइव के कारण होने वाले घूर्णी कंपन को प्रभावी ढंग से रोकता है, जिससे सबसे चुनौतीपूर्ण परिचालन स्थितियों में भी प्रदर्शन के लगातार स्तर को प्राप्त करने में मदद मिलती है।

एसएमआर क्या है और इसे किसके साथ खाया जाता है?

रीडिंग सेंसर के आकार की तुलना में राइटिंग हेड का आकार लगभग 1,7 गुना बड़ा है। इस तरह के प्रभावशाली अंतर को काफी सरलता से समझाया जा सकता है: यदि रिकॉर्डिंग मॉड्यूल को और भी छोटा बनाया जाता है, तो चुंबकीय क्षेत्र की ताकत जो इसे उत्पन्न कर सकती है, वह फेरोमैग्नेटिक परत के डोमेन को चुंबकित करने के लिए पर्याप्त नहीं होगी, जिसका अर्थ है कि डेटा बस होगा संग्रहित न किया जाए. रीडिंग सेंसर के मामले में, यह समस्या उत्पन्न नहीं होती है। इसके अलावा: इसका लघुकरण सूचना पढ़ने की प्रक्रिया पर उपर्युक्त आईटीआई के प्रभाव को और कम करना संभव बनाता है।

इस तथ्य ने शिंगल्ड मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग (एसएमआर) का आधार बनाया। आइए जानें कि यह कैसे काम करता है। पारंपरिक पीएमआर का उपयोग करते समय, राइट हेड को प्रत्येक पिछले ट्रैक के सापेक्ष उसकी चौड़ाई + गार्ड स्थान की चौड़ाई के बराबर दूरी पर स्थानांतरित किया जाता है।

टाइल वाली चुंबकीय रिकॉर्डिंग विधि का उपयोग करते समय, राइट हेड अपनी चौड़ाई का केवल एक हिस्सा ही आगे बढ़ता है, इसलिए प्रत्येक पिछला ट्रैक अगले ट्रैक द्वारा आंशिक रूप से अधिलेखित हो जाता है: चुंबकीय ट्रैक छत की टाइलों की तरह एक-दूसरे को ओवरलैप करते हैं। यह दृष्टिकोण आपको रिकॉर्डिंग घनत्व को और बढ़ाने की अनुमति देता है, जिससे पढ़ने की प्रक्रिया को प्रभावित किए बिना क्षमता में 10% तक की वृद्धि होती है। एक उदाहरण है वेस्टर्न डिजिटल अल्ट्रास्टार डीसी एचसी 650 - SATA/SAS इंटरफ़ेस के साथ दुनिया की पहली 3.5-इंच 20 टीबी ड्राइव, जिसकी उपस्थिति नई चुंबकीय रिकॉर्डिंग तकनीक की बदौलत संभव हुई। इस प्रकार, एसएमआर डिस्क में संक्रमण आपको आईटी बुनियादी ढांचे को अपग्रेड करने की न्यूनतम लागत के साथ समान रैक में डेटा भंडारण के घनत्व को बढ़ाने की अनुमति देता है।

इतने महत्वपूर्ण लाभ के बावजूद, एसएमआर में एक स्पष्ट खामी भी है। चूंकि चुंबकीय ट्रैक एक-दूसरे को ओवरलैप करते हैं, इसलिए डेटा को अपडेट करने के लिए न केवल आवश्यक टुकड़े को फिर से लिखना होगा, बल्कि चुंबकीय प्लेटर के भीतर सभी बाद के ट्रैक को भी फिर से लिखना होगा, जिसकी मात्रा 2 टेराबाइट्स से अधिक हो सकती है, जिससे प्रदर्शन में गंभीर गिरावट आ सकती है।

इस समस्या को एक निश्चित संख्या में ट्रैकों को ज़ोन नामक अलग-अलग समूहों में संयोजित करके हल किया जा सकता है। यद्यपि डेटा भंडारण को व्यवस्थित करने का यह दृष्टिकोण एचडीडी की समग्र क्षमता को कुछ हद तक कम कर देता है (चूंकि आसन्न समूहों के ट्रैक को ओवरराइट होने से रोकने के लिए ज़ोन के बीच पर्याप्त अंतराल बनाए रखना आवश्यक है), यह डेटा अपडेट करने की प्रक्रिया को काफी तेज कर सकता है, क्योंकि अब इसमें केवल सीमित संख्या में ट्रैक शामिल हैं।

टाइल चुंबकीय रिकॉर्डिंग में कई कार्यान्वयन विकल्प शामिल हैं:

• ड्राइव प्रबंधित एसएमआर

इसका मुख्य लाभ यह है कि होस्ट सॉफ़्टवेयर और/या हार्डवेयर को संशोधित करने की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि HDD नियंत्रक डेटा रिकॉर्डिंग प्रक्रिया को नियंत्रित करता है। ऐसी ड्राइव को आवश्यक इंटरफ़ेस (SATA या SAS) वाले किसी भी सिस्टम से जोड़ा जा सकता है, जिसके बाद ड्राइव तुरंत उपयोग के लिए तैयार हो जाएगी।

इस दृष्टिकोण का नुकसान यह है कि प्रदर्शन स्तर अलग-अलग होते हैं, जिससे ड्राइव प्रबंधित एसएमआर एंटरप्राइज़ अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त हो जाता है जहां लगातार सिस्टम प्रदर्शन महत्वपूर्ण होता है। हालाँकि, ऐसे ड्राइव उन परिदृश्यों में अच्छा प्रदर्शन करते हैं जो पृष्ठभूमि डेटा डीफ़्रैग्मेन्टेशन के लिए पर्याप्त समय देते हैं। उदाहरण के लिए, DMSMR ड्राइव डब्ल्यूडी रेड, छोटे 8-बे एनएएस के हिस्से के रूप में उपयोग के लिए अनुकूलित, एक संग्रह या बैकअप सिस्टम के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प होगा जिसके लिए बैकअप के दीर्घकालिक भंडारण की आवश्यकता होती है।

• मेजबान प्रबंधित एसएमआर

होस्ट प्रबंधित एसएमआर एंटरप्राइज़ वातावरण में उपयोग के लिए पसंदीदा टाइलयुक्त रिकॉर्डिंग कार्यान्वयन है। इस मामले में, होस्ट सिस्टम स्वयं इन उद्देश्यों के लिए INCITS द्वारा विकसित ATA (ज़ोनड डिवाइस ATA कमांड सेट, ZAC) और SCSI (ज़ोनड ब्लॉक कमांड, ZBC) इंटरफ़ेस एक्सटेंशन का उपयोग करके डेटा प्रवाह और पढ़ने/लिखने के संचालन को प्रबंधित करने के लिए ज़िम्मेदार है। T10 और T13 समितियाँ।

एचएमएसएमआर का उपयोग करते समय, ड्राइव की संपूर्ण उपलब्ध भंडारण क्षमता को दो प्रकार के क्षेत्रों में विभाजित किया जाता है: पारंपरिक क्षेत्र, जिसका उपयोग मेटाडेटा और यादृच्छिक रिकॉर्डिंग (अनिवार्य रूप से कैश की भूमिका निभाते हुए) को संग्रहीत करने के लिए किया जाता है, और अनुक्रमिक लेखन आवश्यक क्षेत्र, जो कब्जा करते हैं कुल हार्ड ड्राइव क्षमता का एक बड़ा हिस्सा जिसमें डेटा सख्ती से क्रमिक रूप से लिखा जाता है। आउट-ऑफ-ऑर्डर डेटा को कैश क्षेत्र में संग्रहीत किया जाता है, जहां से इसे उचित अनुक्रमिक लेखन क्षेत्र में स्थानांतरित किया जा सकता है। यह सुनिश्चित करता है कि सभी भौतिक क्षेत्र रेडियल दिशा में क्रमिक रूप से लिखे गए हैं और चक्रीय स्थानांतरण के बाद ही फिर से लिखे गए हैं, जिसके परिणामस्वरूप स्थिर और पूर्वानुमानित सिस्टम प्रदर्शन होता है। साथ ही, एचएमएसएमआर ड्राइव मानक पीएमआर का उपयोग करने वाले ड्राइव की तरह ही यादृच्छिक रीड कमांड का समर्थन करते हैं।

होस्ट प्रबंधित एसएमआर को एंटरप्राइज़-क्लास हार्ड ड्राइव में लागू किया गया है वेस्टर्न डिजिटल अल्ट्रास्टार एचसी डीसी 600 सीरीज.

लाइन में हाइपरस्केल डेटा केंद्रों में उपयोग के लिए डिज़ाइन की गई उच्च क्षमता वाली SATA और SAS ड्राइव शामिल हैं। होस्ट प्रबंधित एसएमआर के लिए समर्थन ऐसे हार्ड ड्राइव के अनुप्रयोग के दायरे को महत्वपूर्ण रूप से विस्तारित करता है: बैकअप सिस्टम के अलावा, वे क्लाउड स्टोरेज, सीडीएन या स्ट्रीमिंग प्लेटफॉर्म के लिए बिल्कुल सही हैं। हार्ड ड्राइव की उच्च क्षमता आपको न्यूनतम अपग्रेड लागत और कम बिजली की खपत (संग्रहीत जानकारी के प्रति टेराबाइट 0,29 वाट से अधिक नहीं) और गर्मी लंपटता (औसतन 5 डिग्री सेल्सियस कम) के साथ भंडारण घनत्व (समान रैक में) को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाने की अनुमति देती है। एनालॉग्स की तुलना में) - डेटा सेंटर रखरखाव के लिए परिचालन लागत को और कम करें।

एचएमएसएमआर का एकमात्र दोष कार्यान्वयन की सापेक्ष जटिलता है। बात यह है कि आज कोई भी ऑपरेटिंग सिस्टम या एप्लिकेशन बॉक्स से बाहर ऐसे ड्राइव के साथ काम नहीं कर सकता है, यही कारण है कि आईटी बुनियादी ढांचे को अनुकूलित करने के लिए सॉफ्टवेयर स्टैक में गंभीर बदलाव की आवश्यकता है। सबसे पहले, यह निस्संदेह ओएस से ही संबंधित है, जो मल्टी-कोर और मल्टी-सॉकेट सर्वर का उपयोग करने वाले आधुनिक डेटा केंद्रों की स्थितियों में एक गैर-तुच्छ कार्य है। आप किसी विशेष संसाधन पर होस्ट प्रबंधित एसएमआर समर्थन लागू करने के विकल्पों के बारे में अधिक जान सकते हैं ZonedStorage.io, जोनल डेटा भंडारण के मुद्दों के लिए समर्पित। यहां एकत्र की गई जानकारी आपको ज़ोन स्टोरेज सिस्टम में स्थानांतरण के लिए अपने आईटी बुनियादी ढांचे की तैयारी का प्रारंभिक आकलन करने में मदद करेगी।

• होस्ट अवेयर एसएमआर (होस्ट अवेयर एसएमआर)

होस्ट अवेयर एसएमआर-सक्षम डिवाइस ड्राइव प्रबंधित एसएमआर की सुविधा और लचीलेपन को होस्ट प्रबंधित एसएमआर की उच्च लेखन गति के साथ जोड़ते हैं। ये ड्राइव लीगेसी स्टोरेज सिस्टम के साथ बैकवर्ड संगत हैं और होस्ट से सीधे नियंत्रण के बिना काम कर सकते हैं, लेकिन इस मामले में, डीएमएसएमआर ड्राइव की तरह, उनका प्रदर्शन अप्रत्याशित हो जाता है।

होस्ट प्रबंधित एसएमआर की तरह, होस्ट अवेयर एसएमआर दो प्रकार के ज़ोन का उपयोग करता है: यादृच्छिक लेखन के लिए पारंपरिक क्षेत्र और अनुक्रमिक लेखन पसंदीदा क्षेत्र। उत्तरार्द्ध, ऊपर उल्लिखित अनुक्रमिक लिखें आवश्यक क्षेत्रों के विपरीत, यदि वे डेटा को क्रम से रिकॉर्ड करना शुरू करते हैं तो उन्हें स्वचालित रूप से नियमित लोगों की श्रेणी में डाल दिया जाता है।

एसएमआर का मेजबान-जागरूक कार्यान्वयन असंगत लेखन से पुनर्प्राप्ति के लिए आंतरिक तंत्र प्रदान करता है। आउट-ऑफ-ऑर्डर डेटा कैश क्षेत्रों में लिखा जाता है, जहां से डिस्क सभी आवश्यक ब्लॉक प्राप्त होने के बाद सूचना को अनुक्रमिक लेखन क्षेत्र में स्थानांतरित कर सकती है। डिस्क राइट-ऑफ़-ऑर्डर और बैकग्राउंड डीफ़्रेग्मेंटेशन को प्रबंधित करने के लिए एक इनडायरेक्शन तालिका का उपयोग करती है। हालाँकि, यदि एंटरप्राइज़ अनुप्रयोगों को पूर्वानुमानित और अनुकूलित प्रदर्शन की आवश्यकता होती है, तो यह अभी भी केवल तभी प्राप्त किया जा सकता है जब होस्ट सभी डेटा प्रवाह और रिकॉर्डिंग ज़ोन का पूर्ण नियंत्रण लेता है।

स्रोत: www.habr.com