Prvi tvrdi disk na svijetu, IBM RAMAC 305, izdan 1956., držao je samo 5 MB podataka, težio je 970 kg i bio je usporediv po veličini s industrijskim hladnjakom. Moderni korporativni vodeći brodovi mogu se pohvaliti kapacitetom od 20 TB. Zamislite: prije 64 godine za snimanje ovolike količine informacija bilo je potrebno više od 4 milijuna RAMAC-a 305, a veličina podatkovnog centra za njihov smještaj bila bi veća od 9 četvornih kilometara, dok danas mala kutija teška oko 700 grama! Na mnogo načina, ovo nevjerojatno povećanje gustoće pohrane postignuto je zahvaljujući poboljšanjima u metodama magnetskog snimanja.
Teško je povjerovati, ali temeljni dizajn tvrdih diskova nije se promijenio gotovo 40 godina, počevši od 1983.: tada je prvi 3,5-inčni tvrdi disk RO351, koji je razvila škotska tvrtka Rodime, ugledao svjetlo dana. Ova je beba imala dvije magnetske ploče od po 10 MB, što znači da je mogla sadržavati dvostruko više podataka nego ažurirani 412-inčni ST-5,25 Seagate koji je iste godine izdan za IBM 5160 osobna računala.
Rodime RO351 - prvi tvrdi disk od 3,5 inča na svijetu
Unatoč svojoj inovativnosti i kompaktnoj veličini, RO351 se u trenutku izlaska pokazao praktički beskorisnim i svi daljnji pokušaji Rodimea da se učvrsti na tržištu tvrdih diskova su propali, zbog čega je tvrtka 1991. prestati s radom, rasprodavši gotovo svu postojeću imovinu i smanjivši broj zaposlenih na minimum. Međutim, Rodimeu nije bilo suđeno bankrotirati: uskoro su ga počeli kontaktirati najveći proizvođači tvrdih diskova, želeći kupiti licencu za korištenje faktora oblika koji su patentirali Škoti. Trenutačno je 3,5 inča općeprihvaćen standard za proizvodnju tvrdih diskova za široku potrošnju i diskova poslovne klase.
Pojavom neuronskih mreža, dubokog učenja i interneta stvari (IoT), količina podataka koje je stvorilo čovječanstvo počela je eksponencijalno rasti. Prema procjenama analitičke agencije IDC, do 2025. godine količina informacija koju generiraju kako sami ljudi tako i uređaji oko nas doseći će 175 zetabajta (1 Zbajt = 1021 bajt), i to unatoč činjenici da je 2019. godine iznosila 45 Zbajta. , 2016. - 16 Zbajta, a 2006. ukupna količina proizvedenih podataka tijekom cijele promatrane povijesti nije prelazila 0,16 (!) Zbajta. Suvremene tehnologije pomažu u suočavanju s informacijskom eksplozijom, među kojima su i poboljšane metode bilježenja podataka.
LMR, PMR, CMR i TDMR: Koja je razlika?
Princip rada tvrdih diskova je prilično jednostavan. Tanke metalne ploče obložene slojem feromagnetskog materijala (kristalna tvar koja može ostati magnetizirana čak i kada nije izložena vanjskom magnetskom polju na temperaturama ispod Curiejeve točke) kreću se u odnosu na jedinicu glave za pisanje velikom brzinom (5400 okretaja u minuti ili više). Kada se električna struja primijeni na glavu za pisanje, nastaje izmjenično magnetsko polje koje mijenja smjer vektora magnetizacije domena (diskretnih područja materije) feromagneta. Očitavanje podataka događa se ili zbog fenomena elektromagnetske indukcije (kretanje domena u odnosu na senzor uzrokuje pojavu izmjenične električne struje u potonjem), ili zbog golemog magnetorezistivnog učinka (pod utjecajem magnetskog polja električno otpor senzora se mijenja), kao što je implementirano u modernim pogonima. Svaka domena kodira jedan bit informacije, uzimajući logičku vrijednost "0" ili "1" ovisno o smjeru vektora magnetizacije.
Dugo su vremena tvrdi diskovi koristili metodu longitudinalnog magnetskog snimanja (LMR), u kojoj je vektor magnetizacije domene ležao u ravnini magnetske ploče. Unatoč relativnoj jednostavnosti implementacije, ova je tehnologija imala značajan nedostatak: kako bi se prevladala koercitivnost (prijelaz magnetskih čestica u stanje s jednom domenom), morala se ostaviti impresivna tampon zona (tzv. zaštitni prostor) između staze. Kao rezultat toga, maksimalna gustoća snimanja koja je postignuta na kraju ove tehnologije bila je samo 150 Gbit/inč2.
Godine 2010. LMR je gotovo u potpunosti zamijenjen PMR-om (Perpendicular Magnetic Recording). Glavna razlika između ove tehnologije i longitudinalnog magnetskog snimanja je u tome što se vektor magnetskog smjera svake domene nalazi pod kutom od 90° u odnosu na površinu magnetske ploče, što je značajno smanjilo razmak između staza.
Zbog toga je značajno povećana gustoća snimanja podataka (do 1 Tbit/in2 u modernim uređajima), bez žrtvovanja karakteristika brzine i pouzdanosti tvrdih diskova. Trenutno na tržištu dominira okomito magnetsko snimanje, zbog čega se često naziva i CMR (konvencionalno magnetsko snimanje). U isto vrijeme, morate razumjeti da nema apsolutno nikakve razlike između PMR i CMR - to je samo druga verzija imena.
Proučavajući tehničke karakteristike modernih tvrdih diskova, možete naletjeti i na tajanstvenu kraticu TDMR. Konkretno, ovu tehnologiju koriste pogoni poslovne klase . S fizičke točke gledišta, TDMR (što je skraćenica za Two Dimensional Magnetic Recording) ne razlikuje se od uobičajenog PMR-a: kao i prije, imamo posla s stazama koje se ne sijeku, čije su domene orijentirane okomito na ravninu magnetskog polja. ploče. Razlika između tehnologija leži u pristupu čitanju informacija.
U bloku magnetskih glava tvrdih diskova stvorenih korištenjem TDMR tehnologije, svaka glava za pisanje ima dva senzora za očitavanje koji istovremeno čitaju podatke sa svake prolazne staze. Ova redundancija omogućuje HDD kontroleru da učinkovito filtrira elektromagnetski šum, čiju pojavu uzrokuje intertrack interferencija (ITI).
Rješavanje ITI problema pruža dvije iznimno važne prednosti:
- smanjenje faktora buke omogućuje vam povećanje gustoće snimanja smanjenjem udaljenosti između staza, pružajući dobitak ukupnog kapaciteta do 10% u usporedbi s konvencionalnim PMR-om;
- U kombinaciji s RVS tehnologijom i mikroaktivatorom s tri položaja, TDMR se učinkovito odupire rotacijskim vibracijama uzrokovanim tvrdim diskovima, pomažući u postizanju dosljednih razina performansi čak i u najzahtjevnijim uvjetima rada.
Što je SMR i s čime se jede?
Veličina glave za pisanje je otprilike 1,7 puta veća u usporedbi s veličinom senzora za očitavanje. Ovakva impresivna razlika može se objasniti vrlo jednostavno: ako je modul za snimanje još minijaturniji, snaga magnetskog polja koje on može generirati neće biti dovoljna da magnetizira domene feromagnetskog sloja, što znači da će podaci jednostavno ne biti pohranjeni. U slučaju senzora za očitavanje, ovaj problem se ne pojavljuje. Štoviše: njegova minijaturizacija omogućuje dodatno smanjenje utjecaja gore spomenutog ITI-ja na proces čitanja informacija.
Ova je činjenica bila temelj magnetskog snimanja s šindrom (SMR). Hajdemo shvatiti kako to funkcionira. Kada koristite tradicionalni PMR, glava za pisanje se pomiče u odnosu na svaku prethodnu stazu za udaljenost koja je jednaka njezinoj širini + širini zaštitnog prostora.
Kada se koristi metoda magnetskog snimanja s pločicama, glava za pisanje pomiče se prema naprijed samo dijelom svoje širine, tako da svaki prethodni zapis djelomično prepisuje sljedeći: magnetski tragovi se međusobno preklapaju poput crijepa. Ovaj vam pristup omogućuje dodatno povećanje gustoće snimanja, pružajući povećanje kapaciteta do 10%, bez utjecaja na proces čitanja. Primjer je - prvi u svijetu 3.5-inčni diskovi od 20 TB sa SATA/SAS sučeljem, čija je pojava omogućena zahvaljujući novoj tehnologiji magnetskog snimanja. Dakle, prijelaz na SMR diskove omogućuje povećanje gustoće pohrane podataka u istim policama uz minimalne troškove nadogradnje IT infrastrukture.
Unatoč tako značajnoj prednosti, SMR ima i očiti nedostatak. Budući da se magnetske staze međusobno preklapaju, ažuriranje podataka zahtijevat će ponovno pisanje ne samo potrebnog fragmenta, već i svih sljedećih staza unutar magnetske ploče, čiji volumen može premašiti 2 terabajta, što može dovesti do ozbiljnog pada performansi.
Ovaj se problem može riješiti kombiniranjem određenog broja staza u zasebne skupine koje se nazivaju zonama. Iako ovaj pristup organiziranju pohrane podataka donekle smanjuje ukupni kapacitet HDD-a (budući da je potrebno održavati dovoljne razmake između zona kako bi se spriječilo prebrisanje pjesama iz susjednih grupa), može značajno ubrzati proces ažuriranja podataka, jer sada u njemu je uključen samo ograničeni broj pjesama.
Pločica magnetskog snimanja uključuje nekoliko mogućnosti implementacije:
- Drive Managed SMR
Njegova glavna prednost je u tome što nema potrebe za modificiranjem glavnog softvera i/ili hardvera, jer HDD kontroler preuzima kontrolu nad postupkom snimanja podataka. Takvi diskovi se mogu spojiti na bilo koji sustav koji ima potrebno sučelje (SATA ili SAS), nakon čega će disk biti odmah spreman za korištenje.
Nedostatak ovog pristupa je da razine performansi variraju, što Drive Managed SMR čini neprikladnim za poslovne aplikacije gdje je dosljedna izvedba sustava kritična. Međutim, takvi pogoni rade dobro u scenarijima koji daju dovoljno vremena za defragmentaciju pozadinskih podataka. Na primjer, DMSMR pogoni , optimiziran za korištenje kao dio malog NAS-a s 8 ležišta, bit će izvrstan izbor za sustav arhiviranja ili sigurnosne kopije koji zahtijeva dugotrajnu pohranu sigurnosnih kopija.
- SMR kojim upravlja domaćin
Host Managed SMR preferirana je implementacija popločanog snimanja za korištenje u poslovnom okruženju. U ovom slučaju, sam host sustav odgovoran je za upravljanje protokom podataka i operacijama čitanja/pisanja, koristeći u te svrhe proširenja sučelja ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) i SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) koje je razvio INCITS T10 i T13 komisije .
Kada koristite HMSMR, cjelokupni raspoloživi kapacitet pohrane pogona podijeljen je u dvije vrste zona: konvencionalne zone, koje se koriste za pohranu metapodataka i nasumično snimanje (u suštini igraju ulogu predmemorije), i zone potrebne za sekvencijalno upisivanje, koje zauzimaju veliki dio ukupnog kapaciteta tvrdog diska u koji se podaci upisuju strogo sekvencijalno. Podaci izvan reda pohranjuju se u područje predmemorije, odakle se zatim mogu prenijeti u odgovarajuće područje sekvencijalnog pisanja. Ovo osigurava da se svi fizički sektori zapisuju sekvencijalno u radijalnom smjeru i da se ponovno zapisuju tek nakon cikličkog prijenosa, što rezultira stabilnom i predvidljivom izvedbom sustava. U isto vrijeme, HMSMR pogoni podržavaju naredbe za slučajno čitanje na isti način kao pogoni koji koriste standardni PMR.
Host Managed SMR implementiran je u tvrde diskove poslovne klase .
Linija uključuje SATA i SAS pogone velikog kapaciteta dizajnirane za korištenje u podatkovnim centrima hiperrazmjera. Podrška za Host Managed SMR značajno proširuje opseg primjene takvih tvrdih diskova: osim za sustave za sigurnosno kopiranje, savršeni su za pohranu u oblaku, CDN ili streaming platforme. Veliki kapacitet tvrdih diskova omogućuje značajno povećanje gustoće pohrane (u istim policama) uz minimalne troškove nadogradnje i nisku potrošnju energije (ne više od 0,29 vata po terabajtu pohranjenih informacija) i rasipanje topline (u prosjeku 5 °C niže). od analognih) - dodatno smanjuju operativne troškove za održavanje podatkovnog centra.
Jedini nedostatak HMSMR-a je relativna složenost implementacije. Stvar je u tome što danas niti jedan operacijski sustav ili aplikacija ne može raditi s takvim diskovima odmah nakon što je potrebno, zbog čega su potrebne ozbiljne promjene u softverskom paketu za prilagodbu IT infrastrukture. Prije svega, to se, naravno, odnosi na sam OS, što je u uvjetima modernih podatkovnih centara koji koriste multi-core i multi-socket poslužitelje prilično netrivijalan zadatak. Možete saznati više o opcijama za implementaciju Host Managed SMR podrške na specijaliziranom resursu , posvećena pitanjima zonske pohrane podataka. Ovdje prikupljeni podaci pomoći će vam da preliminarno procijenite spremnost vaše IT infrastrukture za prijenos u zonske sustave pohrane.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Uređaji s omogućenim Host Aware SMR-om kombiniraju praktičnost i fleksibilnost Drive Managed SMR-a s velikim brzinama pisanja Host Managed SMR-a. Ovi pogoni su unazad kompatibilni s naslijeđenim sustavima za pohranu i mogu raditi bez izravne kontrole glavnog računala, ali u ovom slučaju, kao i kod DMSMR pogona, njihova izvedba postaje nepredvidiva.
Poput Host Managed SMR, Host Aware SMR koristi dvije vrste zona: konvencionalne zone za nasumično pisanje i preferirane zone sekvencijalnog pisanja. Potonje, za razliku od gore spomenutih zona potrebnih za sekvencijalno upisivanje, automatski se prebacuju u kategoriju običnih ako počnu bilježiti podatke nepravilno.
Implementacija SMR-a svjesna hosta pruža interne mehanizme za oporavak od nekonzistentnog pisanja. Podaci izvan reda zapisuju se u područja predmemorije, odakle disk može prenijeti informacije u područje sekvencijalnog pisanja nakon što su primljeni svi potrebni blokovi. Disk koristi indirektnu tablicu za upravljanje pisanjem izvan reda i pozadinskom defragmentacijom. Međutim, ako poslovne aplikacije zahtijevaju predvidljive i optimizirane performanse, to se još uvijek može postići samo ako glavno računalo preuzme punu kontrolu nad svim protokom podataka i zonama snimanja.
Izvor: www.habr.com