A világ első merevlemeze, az 305-ban kiadott IBM RAMAC 1956 mindössze 5 MB adatot tartalmazott, súlya 970 kg, mérete pedig egy ipari hűtőszekrényéhez hasonlítható. A modern vállalati zászlóshajók már 20 TB kapacitással büszkélkedhetnek. Képzeljük csak el: 64 évvel ezelőtt egy ilyen mennyiségű információ rögzítéséhez több mint 4 millió RAMAC 305-re lett volna szükség, és az ezek befogadásához szükséges adatközpont mérete meghaladta volna a 9 négyzetkilométert, míg ma egy kicsi körülbelül 700 gramm súlyú doboz! A tárolási sűrűség ezt a hihetetlen növekedését sok szempontból a mágneses rögzítési módszerek továbbfejlesztésének köszönhetően sikerült elérni.
Nehéz elhinni, de alapvetően a merevlemezek kialakítása közel 40 éve, 1983 óta nem változott: ekkor látott napvilágot az első 3,5 hüvelykes RO351 merevlemez, amelyet a skót Rodime cég fejlesztett ki. Ez a baba két, egyenként 10 MB-os mágneslemezt kapott, vagyis kétszer annyi adatot tudott tárolni, mint a Seagate által ugyanabban az évben az IBM 412 személyi számítógépekhez kiadott frissített 5,25 hüvelykes ST-5160.
Rodime RO351 - a világ első 3,5 hüvelykes merevlemeze
Az innovatívság és a kompakt méret ellenére az RO351 megjelenése idején szinte senkinek sem volt rá szüksége, és Rodime minden további próbálkozása, hogy megvegye a lábát a merevlemez-piacon, kudarcot vallott, ezért a cég kénytelen volt beszüntetni a működését. 1991-ben, szinte az összes meglévő eszközt eladva és az állapotot minimálisra csökkentve. Rodime-nak azonban nem volt csődje: hamarosan a legnagyobb merevlemez-gyártók kezdtek hozzá fordulni, hogy engedélyt szerezzenek a skótok által szabadalmaztatott forma használatára. A 3,5" ma már az ipari szabvány mind a fogyasztói, mind a vállalati HDD-k számára.
A neurális hálózatok, a Deep Learning és az Internet of Things (IoT) megjelenésével az emberiség által létrehozott adatok mennyisége lavinaszerűen növekedni kezdett. Az IDC elemző ügynökség becslései szerint 2025-re mind az emberek, mind a körülöttünk lévő eszközök által generált információ mennyisége eléri a 175 zettabájtot (1 Zbyte = 1021 bájt), és ez annak ellenére, hogy 2019-ben még 45 volt. Zbyte, 2016-ban - 16 Zbyte, 2006-ban pedig az összes előállított adatmennyiség a teljes előrelátható történelem során nem haladta meg a 0,16 (!) Zbyte-ot. A modern technológiák segítenek megbirkózni az információrobbanással, amelyek között a továbbfejlesztett adatrögzítési módszerek sem utolsók.
LMR, PMR, CMR és TDMR: mi a különbség?
A merevlemezek működési elve meglehetősen egyszerű. A ferromágneses anyagréteggel bevont vékony fémlemezek (olyan kristályos anyag, amely külső mágneses tér hiányában is mágnesezett maradhat Curie-pont alatti hőmérsékleten) nagy sebességgel (5400 rpm ill. több). Amikor az írófejre elektromos áramot vezetünk, váltakozó mágneses tér keletkezik, amely megváltoztatja a ferromágnes tartományainak (az anyag diszkrét régióinak) mágnesezettségi vektorának irányát. Az adatok kiolvasása vagy az elektromágneses indukció jelensége miatt következik be (a tartományok szenzorhoz viszonyított mozgása váltakozó elektromos áramot idéz elő az utóbbiban), vagy az óriási magnetorezisztív hatás miatt (az érzékelő elektromos ellenállása megváltozik mágneses mező hatása), ahogyan azt a modern tárolóeszközök megvalósítják. Minden tartomány egy bit információt kódol, és a mágnesezési vektor irányától függően "0" vagy "1" logikai értéket vesz fel.
A merevlemezek hosszú ideig a Longitudinal Magnetic Recording (LMR) módszert használták, amelyben a tartománymágnesezési vektor a mágneses tál síkjában feküdt. A viszonylag egyszerű kivitelezés ellenére ennek a technológiának volt egy jelentős hátulütője: a koercivitás (a mágneses részecskék egydoménes állapotba való átmenete) leküzdése érdekében egy lenyűgöző pufferzónát (ún. őrteret) kellett hagyni pályák. Ennek eredményeként a technológia végén elért maximális felvételi sűrűség mindössze 150 Gb/in2 volt.
2010-ben az LMR-t szinte teljesen felváltotta a PMR (Perpendicular Magnetic Recording – merőleges mágneses rögzítés). A fő különbség e technológia és a longitudinális mágneses rögzítés között az, hogy az egyes tartományok mágneses irányítottsági vektorai 90°-os szöget zárnak be a mágneslemez felületével, ami lehetővé tette a sávok közötti távolság jelentős csökkentését.
Ennek köszönhetően jelentősen megnőtt az adatrögzítési sűrűség (akár 1 Tbit/inch2-ig a modern eszközökben), miközben a merevlemezek sebességi jellemzői és megbízhatósága nem csökken. Jelenleg a merőleges mágneses rögzítés a meghatározó a piacon, ezért is szokták CMR-nek (Conventional Magnetic Recording - hagyományos mágneses rögzítés) is nevezni. Ugyanakkor meg kell érteni, hogy a PMR és a CMR között egyáltalán nincs különbség - ez csak a név eltérő változata.
Ha a modern merevlemezek specifikációit nézzük, a rejtélyes TDMR rövidítéssel is találkozhatunk. Ezt a technológiát különösen a vállalati szintű meghajtók használják . A fizika szempontjából a TDMR (amely a kétdimenziós mágneses rögzítést jelenti - kétdimenziós mágneses rögzítés) semmiben sem különbözik a szokásos PMR-től: mint korábban, most is nem metsző sávokkal van dolgunk, amelyekben a tartományok merőlegesek. a mágneses lemezek síkjához. A technológiák közötti különbség az információolvasás megközelítésében rejlik.
A merevlemezek TDMR technológiájával létrehozott mágneses fejek blokkjában minden rögzítőfej két olvasóérzékelővel rendelkezik, amelyek egyidejűleg olvasnak adatokat minden egyes áthaladott sávról. Ez a redundancia lehetővé teszi, hogy a HDD-vezérlő hatékonyan szűrje az Intertrack Interference (ITI) által okozott elektromágneses zajt.
A probléma megoldása az ITI-vel két rendkívül fontos előnnyel jár:
- a zajtényező csökkentése lehetővé teszi a rögzítési sűrűség növelését a sávok közötti távolság csökkentésével, akár 10%-os teljes kapacitásnövekedést biztosítva a hagyományos PMR-hez képest;
- Az RVS technológiával és a háromállású mikro-aktorral kombinálva a TDMR hatékonyan ellenáll a merevlemezek által keltett forgási rezgéseknek, így a legigényesebb környezetben is egyenletes teljesítményt érhet el.
Mi az SMR és mivel eszik?
Az írófej méretei körülbelül 1,7-szer nagyobbak, mint az olvasásérzékelő méretei. Egy ilyen lenyűgöző különbséget egészen egyszerűen meg lehet magyarázni: ha a rögzítőmodult még miniatűrebbé teszik, akkor az általa generált mágneses tér erőssége nem lesz elegendő a ferromágneses réteg tartományainak mágnesezéséhez, ami azt jelenti, hogy az adatok egyszerűen nem fognak tárolni kell. Olvasásérzékelő esetén ez a probléma nem merül fel. Ezenkívül miniatürizálása lehetővé teszi a fent említett ITI információolvasási folyamatra gyakorolt hatásának további csökkentését.
Ez a tény képezte a csempézett mágneses rögzítés (Shingled Magnetic Recording, SMR) alapját. Értsük meg, hogyan működik. Hagyományos PMR használatakor az írófej minden előző sávhoz képest a szélességével egyenlő távolsággal + a védőtér (védőtér) szélességével eltolódik.
A mágneses rögzítés csempézett módszere esetén a rögzítőfej a szélességének csak egy részét mozdítja előre, így minden előző sávot részben felülír a következő: a mágneses sávok tetőcserepként fedik egymást. Ez a megközelítés lehetővé teszi a rögzítési sűrűség további növelését, akár 10%-os kapacitásnövekedést biztosítva, miközben nem befolyásolja az olvasási folyamatot. Egy példa az — a világ első 3.5 hüvelykes 20 TB-os SATA/SAS interfésszel rendelkező meghajtói, amelyek megjelenését az új mágneses rögzítési technológia tette lehetővé. Így az SMR-lemezekre való áttérés lehetővé teszi az adattárolás sűrűségének növelését ugyanazon rack-ekben, minimális költséggel az IT-infrastruktúra frissítéséhez.
Egy ilyen jelentős előny ellenére az SMR-nek van egy nyilvánvaló hátránya. Mivel a mágneses sávok átfedik egymást, az adatok frissítése során nemcsak a szükséges töredéket, hanem az összes következő sávot is át kell írni a mágneses tálcán belül, amelyek térfogata meghaladhatja a 2 terabájtot, ami komoly visszaeséssel jár. teljesítményben.
Egy bizonyos számú sáv külön csoportokba, úgynevezett zónákba való egyesítése segít megoldani ezt a problémát. Bár az adattárolásnak ez a megközelítése némileg csökkenti a merevlemez teljes kapacitását (mivel elegendő hézagot kell fenntartani a zónák között, hogy megakadályozzák a szomszédos csoportok sávjainak felülírását), ez jelentősen felgyorsíthatja az adatfrissítési folyamatot, mivel jelenleg csak korlátozott számú sáv részt venni benne.
A csempézett mágneses rögzítés számos megvalósítási lehetőséget tartalmaz:
- Meghajtó által kezelt SMR (Drive Managed SMR)
Fő előnye, hogy nincs szükség a gazdagép szoftverének és/vagy hardverének módosítására, mivel a HDD vezérlő veszi át az adatrögzítési folyamat irányítását. Az ilyen meghajtók bármilyen rendszerhez csatlakoztathatók, amely rendelkezik a szükséges interfésszel (SATA vagy SAS), amely után a meghajtó azonnal használatra kész.
Ennek a megközelítésnek a hátránya a teljesítmény változékonysága, ami miatt a Drive Managed SMR alkalmatlan olyan vállalati alkalmazásokhoz, ahol a rendszer teljesítményének konzisztenciája kritikus. Az ilyen lemezek azonban jól teljesítenek olyan forgatókönyvekben, amelyek elegendő időt biztosítanak a háttéradatok töredezettségmentesítésének befejezéséhez. Így például a DMSMR meghajtók Kis 8-rekeszes NAS-ban való használatra optimalizálva kiváló választás olyan archiváló vagy biztonsági mentési rendszerekhez, amelyek hosszú távú mentési tárolást igényelnek.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
A gazdagép által kezelt SMR a legelőnyösebb csempés implementáció vállalati használatra. Ebben az esetben maga a gazdagép felelős az adatfolyamok kezeléséért és az olvasási/írási műveletekért, felhasználva erre a célra az általa fejlesztett ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) és SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) interfészek kiterjesztését. az INCITS T10 és T13 bizottságok.
A HMSMR használatakor a teljes rendelkezésre álló tárolókapacitás kétféle zónára oszlik: hagyományos zónák (normál zónák), amelyek metaadatok és tetszőleges rögzítés tárolására szolgálnak (valójában a gyorsítótár szerepét töltik be), valamint a szekvenciális írás szükséges zónákra. (szekvenciális írási zónák), amelyek a merevlemez teljes kapacitásának nagy részét foglalják el, és amelyekben az adatok szigorúan szekvenciálisan kerülnek rögzítésre. A rendezetlen adatok a gyorsítótárban tárolódnak, ahonnan átvihetők a megfelelő szekvenciális írási zónába. Emiatt az összes fizikai szektort egymás után sugárirányban írják, és csak körözés után írják felül, ami lehetővé teszi a rendszer stabil és kiszámítható teljesítményének elérését. Ugyanakkor a HMSMR meghajtók támogatják a véletlenszerű olvasási parancsokat, hasonlóan a szabványos PMR-t használó meghajtókhoz.
Host Managed SMR vállalati szintű merevlemezeken megvalósítva .
A sorozat nagy kapacitású SATA- és SAS-meghajtókat tartalmaz, amelyeket hiperskálás adatközpontokban való használatra terveztek. A Host Managed SMR támogatása jelentősen kibővíti az ilyen merevlemezek körét: a biztonsági mentési rendszereken kívül tökéletesek felhőalapú tárolásra, CDN-re vagy streaming platformokra. A merevlemezek nagy kapacitása lehetővé teszi a tárolási sűrűség (ugyanazon rackekben) jelentős növelését minimális frissítési költségek, valamint alacsony energiafogyasztás (kevesebb, mint 0,29 watt/terabájt tárolt információ) és hőleadás (átlagosan 5 °C-kal alacsonyabb, mint a analógok) — tovább csökkenti az adatközpont fenntartási költségeit.
A HMSMR egyetlen hátránya a megvalósítás viszonylag bonyolultsága. A helyzet az, hogy ma már egyetlen operációs rendszer vagy alkalmazás sem tud ilyen meghajtókkal kidobni, ezért az informatikai infrastruktúra adaptálásához komoly változtatások szükségesek a szoftververemben. Mindenekelőtt ez magára az operációs rendszerre vonatkozik, amely a modern adatközpontok körülményei között, amelyek többmagos és több foglalatú szervereket használnak, meglehetősen nem triviális feladat. További információ a Host Managed SMR támogatásának megvalósítási lehetőségeiről egy speciális erőforráson. az övezeti adattárolás kérdéseivel foglalkozik. Az itt összegyűjtött információk segítenek előzetesen felmérni informatikai infrastruktúrájának felkészültségét a zónás tárolási rendszerekre való átállásra.
- Host Aware SMR (a gazdagép által támogatott SMR)
A Host Aware SMR-kompatibilis eszközök egyesítik a Drive Managed SMR kényelmét és rugalmasságát a Host Managed SMR gyors rögzítési sebességével. Az ilyen meghajtók visszafelé kompatibilisek a régi tárolórendszerekkel, és a gazdagép közvetlen irányítása nélkül is működhetnek, de ebben az esetben, akárcsak a DMSMR-meghajtók esetében, teljesítményük kiszámíthatatlanná válik.
A Host Managed SMR-hez hasonlóan a Host Aware SMR is kétféle zónát használ: hagyományos zónákat a véletlenszerű írásokhoz és szekvenciális írási preferált zónákat (a szekvenciális rögzítéshez előnyben részesített zónákat). Ez utóbbiak, ellentétben a fent említett szekvenciális írási kötelező zónákkal, automatikusan átkerülnek a közönségesek kategóriájába, ha rendezetlen módon kezdenek el adatokat írni.
Az SMR gazdagép-tudatos megvalósítása belső mechanizmusokat biztosít az inkonzisztens írások helyreállításához. A véletlenszerű adatok a gyorsítótárba íródnak, ahonnan a lemez az összes szükséges blokk beérkezése után információkat továbbíthat a szekvenciális írási zónába. A meghajtó indirekt táblát használ a sorrendírások és a háttér töredezettségmentesítésének kezelésére. Ha azonban kiszámítható és optimalizált teljesítményre van szükség a vállalati alkalmazásokhoz, ez akkor is csak akkor érhető el, ha a gazdagép teljes mértékben átveszi az összes adatfolyam és írási zóna irányítását.
Forrás: will.com