A világ első merevlemeze, az IBM RAMAC 305, 1956-ban jelent meg, mindössze 5 MB adatot tudott tárolni, miközben 970 kg-ot nyomott, mérete pedig egy ipari hűtőszekrénnyel volt egyenértékű. A modern vállalati zászlóshajók már 20 TB-os kapacitással büszkélkedhetnek. Csak képzeljük el: 64 évvel ezelőtt, ahhoz, hogy ilyen mennyiségű információt rögzítsenek, több mint 4 millió RAMAC 305-re lett volna szükség, és a számadat-központ mérete, amely alkalmas lenne a tárolásukra, meghaladta volna a 9 négyzetkilométert, míg ma egy kis doboz elegendő lenne, amely körülbelül 700 grammot nyom! Nagyban ezt a hihetetlen tárolási sűrűség növekedést a mágneses felvételi módszerek tökéletesítésével érték el.
Nehezen hihető, de a merevlemezek szerkezete alapvetően nem változik már közel 40 éve, 1983 óta: ekkor látta meg a napvilágot az első 3,5 hüvelykes winchester, a RO351, amelyet a skót Rodime cég fejlesztett ki. Ez a kisbaba két 10 MB-os mágneses lemezt kapott, ami azt jelenti, hogy kétszer annyi adatot tudott tárolni, mint az ugyanebben az évben a Seagate által a IBM 5160-as személyi számítógépekhez kiadott frissített ST-412, amely 5,25 hüvelykes volt.
Rodime RO351 — a világ első 3,5 hüvelykes winchestere
Bár innovatív és kompakt méretekkel rendelkezett, a RO351 megjelenésekor gyakorlatilag senkinek sem volt szüksége rá, és minden további próbálkozása a Rodime-nek, hogy bevesse magát a winchester piacon, kudarccal zárult, emiatt 1991-ben a cég kénytelen volt leállítani működését, gyakorlatilag minden meglévő eszközét eladva és a létszámot minimálisra csökkentve. Ám a Rodime-nak nem volt sorsa a csődhöz jutni: hamarosan a legnagyobb winchester gyártók kezdték keresni, hogy engedélyt kérjenek a skótok által szabadalmaztatott formátum használatára. Jelenleg a 3,5 hüvelyk az ipari és a fogyasztói HDD-k előállításának általánosan elfogadott szabványa.
A mesterséges intelligencia, a Deep Learning és az IoT megjelenésével az ember által létrehozott adatok mennyisége lavinaszerűen növekedni kezdett. Az IDC elemző ügynökség becslése szerint 2025-re az emberek és az általunk használt eszközök által generált információ mennyisége elérheti a 175 zettabájtot (1 ZB = 10^21 bájt), míg 2019-ben ez a szám 45 ZB, 2016-ban 16 ZB, 2006-ban pedig mindössze 0,16 (!) ZB volt. Az információs robbanás kezelésében a modern technológiák segítenek, köztük a fejlett adatrögzítési módszerek is jelentős szerepet játszanak.
LMR, PMR, CMR és TDMR: mi a különbség?
A merevlemezek működési elve meglehetősen egyszerű. Vékony fémlemezek, amelyek ferromágneses anyaggal (olyan kristályos anyag, amely képes megőrizni mágnesességét külső mágneses mező hatása nélkül a Curie hőmérséklet alatt) vannak bevonva, nagy sebességgel (5400 fordulat/perc vagy annál nagyobb) mozognak a írósapkák blokkja mellett. Amikor az írófejhez elektromos áramot vezetnek, változó mágneses tér jön létre, amely megváltoztatja a ferromágneses anyag domainjeinek (diszkrét területek) mágneses vektorának irányát. Az adatok olvasása vagy az elektromágneses indukció jelensége (a domainek szenzorhoz viszonyított mozgása váltakozó elektromos áramot generál), vagy a gigantikus mágneses rezisztív hatás révén történik (a mágneses mező hatására a szenzor elektromos ellenállása megváltozik), mint ahogy azt a modern tárolók megvalósítják. Minden egyes domain egy bit információt kódol, logikai értéket „0” vagy „1” vesz fel a mágnesességi vektor irányától függően.
Hosszú ideig a hagyományos merevlemezek a hosszanti mágneses rögzítés (Longitudinal Magnetic Recording, LMR) módszerét használták, amelynél a domainok mágneses polaritási vektora a mágneses lemez síkjában helyezkedett el. A viszonylag egyszerű megvalósítás ellenére ennek a technológiának volt egy jelentős hátránya: ahhoz, hogy leküzdjük a koercitivitást (a mágneses részecskék egydomainbe való átmenetét), a nyomvonalak között jelentős védőzónát (úgynevezett guard space) kellett hagyni. Ennek következtében a technológia végén elért maximális rögzítési sűrűség mindössze 150 Gbit/inch² volt.
2010-re az LMR-t gyakorlatilag teljesen felváltotta a PMR (Perpendicular Magnetic Recording — merőleges mágneses rögzítés). A technológia fő különbsége a hosszanti mágneses rögzítéshez képest abban rejlik, hogy a domainok mágneses irányultsági vektora 90°-os szögben helyezkedik el a mágneses lemezen, ami lehetővé tette a nyomvonalak közötti távolság jelentős csökkentését.
Ennek köszönhetően a rögzítési sűrűséget jelentősen megnövelték (akár 1 Tbit/inch² a modern eszközökben), anélkül, hogy feláldozták volna a sebességet és a merevlemezek megbízhatóságát. Jelenleg a merőleges mágneses rögzítés uralja a piacot, ezért gyakran nevezik CMR-nek (Conventional Magnetic Recording — hagyományos mágneses rögzítés). Fontos megérteni, hogy nincs lényegi különbség a PMR és a CMR között — ez csupán a név egy másik verziója.
A modern merevlemezek technikai jellemzőinek tanulmányozása során egy titokzatos rövidítéssel, a TDMR-rel is találkozhat. Különösen ezt a technológiát használják a vállalati szintű tárolókban, A fizika szempontjából a TDMR (ami a Two Dimensional Magnetic Recording — kétdimenziós mágneses rögzítés rövidítése) semmiben sem különbözik a jól ismert PMR-től: mint korábban, itt is egymásra nem kerülő nyomvonalakról van szó, amelyek domainjei merőlegesen helyezkednek el a mágneses lapok síkjára. A technológiák közötti különbség az információ olvasásának megközelítésében rejlik.
A TDMR technológiával készült merevlemezek mágneses fejeiben minden írófejhez két olvasó érzékelő tartozik, amelyek egyszerre olvassák az adatokat minden egyes pályáról. Ez a redundancia lehetővé teszi a HDD vezérlő számára, hogy hatékonyan szűrje az elektromágneses zajokat, amelyek a pályák közötti interferenciából (Intertrack Interference, ITI) adódnak.
Az ITI problémájának megoldása két rendkívül fontos előnyt biztosít:
- a zajszint csökkentése lehetővé teszi az írás sűrűségének növelését a pályák közötti távolság csökkentésével, ami akár 10%-os kapacitás növekedést jelent a hagyományos PMR-hez képest;
- a RVS technológiával és a három pozíciós mikroaktorlóval kombinálva a TDMR hatékonyan képes ellenállni a merevlemezek működéséből eredő rotációs vibrációnak, ami segít a teljesítmény stabil szinten tartásában még a legnehezebb üzemelési körülmények között is.
Mi az az SMR és hogyan működik?
Az írófej mérete körülbelül 1,7-szer nagyobb, mint az olvasó érzékelőé. Ez a jelentős különbség eléggé egyszerűen magyarázható: ha az írómodult még kisebbre készítjük, az általa generált mágneses mező nem lesz elegendő a ferroelektromos réteg domainjeinek mágneses kezelésére, így az adatok egyszerűen nem fognak megmaradni. Az olvasó érzékelő esetében ez a probléma nem áll fenn. Sőt, miniatürizálása lehetőséget ad a fent említett ITI hatásának további csökkentésére az információk olvasási folyamatában.
Ez a tény fekszik a cserép alakú mágneses felvétel (Shingled Magnetic Recording, SMR) alapjában. Nézzük meg, hogyan működik ez. A hagyományos PMR használatakor az írófej minden egyes korábbi pályához képest a szélessége + a védő tér (guard space) távolságra eltolva helyezkedik el.
A cserép módszer alkalmazása esetén a fej csak a szélességének egy részére mozdul el előre, így minden előző sáv részben felülíródik a következő által: a mágneses sávok egymásra helyezkednek, mint a tetőcserép. Ez a megközelítés lehetővé teszi a felvételi sűrűség további növelését, akár 10%-os kapacitásnövekedést biztosítva, anélkül, hogy ez a leolvasási folyamatra hatással lenne. Például említhető — a világ első 3,5 hüvelykes, 20 TB-os SATA/SAS interfészű tárolói, amelyek megjelenése éppen az új mágneses rögzítési technológiának köszönhető. Így az SMR-lemezekre való áttérés lehetővé teszi az adatok tárolási sűrűségének növelését ugyanazon állványok esetében, minimális IT-infrastruktúra-modernizálási költségekkel.
Bár ez a jelentős előny figyelemre méltó, az SMR-nek van nyilvánvaló hátránya is. Mivel a mágneses sávok egymásra helyezkednek, az adatok frissítése esetén nemcsak a szükséges részt, hanem a mágneses lemezen belüli összes későbbi sávot is felül kell írni, amelynek mérete több mint 2 terabájt is lehet, ami komoly teljesítménycsökkenést okozhat.
A probléma megoldásában segít a sávok bizonyos számának elkülönített csoportokba történő egyesítése, amelyeket zónáknak neveznek. Bár ez a megközelítés kissé csökkenti a HDD általános kapacitását (mivel a zónák között elegendő távolságot kell tartani, hogy megakadályozzák a szomszédos csoportok sávjainak felülírását), ez jelentősen felgyorsítja az adatok frissítésének folyamatát, mivel most már csak a korlátozott számú sáv érintett benne.
A cserép mágneses rögzítésnek több megvalósítási módja van:
- Drive Managed SMR (lemez által kezelt SMR)
Fő előnye, hogy nincs szükség a gazdagép szoftverének és/vagy hardverének módosítására, mivel az HDD vezérlője vállalja az adatrögzítési eljárás kezelését. Az ilyen lemezek bármilyen olyan rendszerhez csatlakoztathatók, amelyen megtalálható a szükséges interfész (SATA vagy SAS), és azután a meghajtó azonnal használatra kész.
Ennek a megközelítésnek a hátránya a teljesítmény szintjének ingadozása, ami miatt a Drive Managed SMR nem alkalmas vállalati alkalmazásokra, ahol a rendszer folyamatos teljesítménye kritikus fontosságú. Mindazonáltal ezek a meghajtók jól teljesítenek olyan forgatókönyvekben, ahol elegendő idő áll rendelkezésre az adatok háttérdefragmentálására. Például a DMSMR-meghajtók , amelyek 8 rekeszes kis NAS rendszerekhez lettek optimalizálva, kiváló választásnak bizonyulnak archiválási vagy biztonsági másolati rendszerhez, amely hosszú távú mentések tárolását célozza meg.
- Host Managed SMR (HMSMR)
A Host Managed SMR a legjobb megoldás a sávos írás megvalósítására vállalati környezetben. Ebben az esetben az adatfolyamok és az olvasási / írási műveletek kezelését maguk a hoszt rendszerek végzik, amelyek ATA interfész kiterjesztéseket (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) és SCSI-t (Zoned Block Commands, ZBC) használnak, amelyeket az INCITS T10 és T13 bizottságok fejlesztettek ki.
A HMSMR használatakor a meghajtó elérhető kapacitása két típusra oszlik: Conventional Zones (hagyományos zónák), amelyek a metaadatok és a véletlenszerű írás tárolására szolgálnak (gyakorlatilag a gyorsítótár szerepét töltik be), és Sequential Write Required Zones (sorozatos írási zónák), amelyek a merevlemez teljes kapacitásának nagy részét foglalják el, ahol az adatokat szigorúan sorozatosan írják. A rendezetlen adatokat a gyorsítótár területén tárolják, ahonnan később átvihetők a megfelelő sorozatos írási zónába. Ennek köszönhetően minden fizikai szektor sorozatosan íródik radiális irányban, és csak ciklikus átkonvertálás után íródnak felül, ami stabil és kiszámítható teljesítményt biztosít a rendszer számára. Az HMSMR-meghajtók emellett az azonnali olvasás parancsait is támogatják, hasonlóan a PMR szabványt használó meghajtókhoz.
A Host Managed SMR vállalati osztályú merevlemezekben valósult meg .
A termékcsalád nagy kapacitású SATA és SAS meghajtókat tartalmaz, amelyeket hiper-szkaláló adatközpontokban való felhasználásra terveztek. A Host Managed SMR támogatása jelentősen kibővíti ezeknek a merevlemezeknek a felhasználási területét: a biztonsági mentési rendszerek mellett kiválóan alkalmasak felhő tárolókhoz, CDN-hez vagy streaming platformokhoz. A merevlemezek nagy kapacitása jelentősen növeli a tárolási sűrűséget (ugyanazokban a szerkezetekben) minimális frissítési költségekkel, míg az alacsony energiafogyasztás (legfeljebb 0,29 watt terabájt adat tárolása esetén) és hőtermelés (átlagosan 5 °C-kal alacsonyabb, mint a hasonló termékeké) tovább csökkenti a működési költségeket az adatközpont karbantartásában.
Az HMSMR egyetlen hátránya a viszonylagos bonyolultsága a megvalósításnak. A probléma az, hogy a mai napig egyetlen operációs rendszer vagy alkalmazás sem képes natívan kezelni az ilyen típusú meghajtókat, ezért a IT-infrastruktúra alkalmazkodásához jelentős változtatások szükségesek a szoftver stack-ben. Elsősorban ez nyilvánvalóan az operációs rendszert érinti, ami a modern adatközpontok esetében, amelyek többszálas és több socketes szervereket használnak, elég nem triviális feladat. A Host Managed SMR támogatásának megvalósítási lehetőségeiről részletesebben a [ZonedStorage.io] weboldalon tájékozódhat. , amely az adat zónázott tárolásával foglalkozik. Az itt összegyűjtött információk segítenek előzetesen felmérni az IT-infrastruktúrája felkészültségét a zónázott tárolási rendszerekre való áttérés előtt.
- Host Aware SMR (Host által támogatott SMR)
A Host Aware SMR támogatással rendelkező eszközök ötvözik a Drive Managed SMR kényelmét és rugalmasságát, valamint a Host Managed SMR nagy írási sebességét. Ezek a meghajtók visszafelé kompatibilisek az elavult tárolórendszerekkel, és képesek működni közvetlen host ellenőrzés nélkül, ám ebben az esetben, akárcsak a DMSMR lemezekkel való munka során, a teljesítményük kiszámíthatatlanná válik.
A Host Aware SMR, has two types of zones: Conventional Zones for random writes and Sequential Write Preferred Zones. Unlike the previously mentioned Sequential Write Required Zones, the latter are automatically converted to regular zones if unordered data writing begins.
The implementation of host-aware SMR includes internal mechanisms for recovery from unordered writes. Unordered data is written to cache areas, from where the disk can transfer information to the sequential write zone after all necessary blocks are received. To manage unordered writing and background defragmentation, the disk uses an indirect addressing table. However, if corporate applications require predictable and optimized performance, this can still only be achieved when the host takes full control of all data streams and write zones.
Forrás: habr.com
