Il primo disco rigido al mondo, l'IBM RAMAC 305, presentato nel 1956, conteneva solo 5 MB di dati, pesando 970 kg e con dimensioni paragonabili a un refrigeratore industriale. I moderni flagship aziendali possono vantare capacità di 20 TB. Immaginate: 64 anni fa, per registrare tale quantità di informazioni sarebbero stati necessari oltre 4 milioni di RAMAC 305, e le dimensioni del centro dati necessari per ospitarli avrebbero superato i 9 chilometri quadrati, mentre oggi sarà sufficiente una piccola scatola dal peso di circa 700 grammi! Molto di questo incredibile aumento della densità di archiviazione è stato possibile grazie al perfezionamento delle tecniche di registrazione magnetica.
È difficile da credere, ma la struttura dei dischi rigidi non è cambiata in modo sostanziale da quasi 40 anni, a partire dal 1983: è in quell'anno che è stato presentato il primo disco da 3,5 pollici, il RO351, sviluppato dall'azienda scozzese Rodime. Questo piccolo gioiello aveva due piatti magnetici da 10 MB ciascuno, quindi era in grado di contenere il doppio dei dati rispetto al rinnovato ST-412 da 5,25 pollici, rilasciato da Seagate nello stesso anno per i computer personali IBM 5160.
Rodime RO351 — il primo disco rigido da 3,5 pollici al mondo
Nonostante l'innovazione e le dimensioni compatte, al momento del lancio il RO351 si rivelò praticamente inutile, e tutti gli ulteriori tentativi di Rodime di affermarsi nel mercato dei dischi rigidi fallirono, costringendo l'azienda nel 1991 a cessare la propria attività, svendendo praticamente tutti i beni e riducendo il personale al minimo. Tuttavia, non era destino che Rodime diventasse insolvente: in breve tempo, i maggiori produttori di dischi rigidi iniziarono a contattarla per acquisire la licenza per l'utilizzo del fattore di forma brevettato dagli scozzesi. Oggi, i 3,5 pollici rappresentano lo standard comune per la produzione sia di HDD consumer che di unità di livello enterprise.
Con l'emergere delle reti neurali, del Deep Learning e dell'Internet delle Cose (IoT), il volume dei dati generati dall'umanità ha cominciato a crescere in modo esponenziale. Secondo le stime dell'agenzia di analisi IDC, entro il 2025 la quantità di informazioni generate sia dalle persone che dai dispositivi che ci circondano raggiungerà i 175 zettabyte (1 ZB = 10^21 byte), rispetto ai 45 ZB del 2019, ai 16 ZB del 2016, e ai soli 0,16 (!) ZB del 2006, che rappresentava l'intero volume di dati creati nella storia recente. A fronte di questa esplosione informativa, ci aiutano le tecnologie moderne, tra cui metodi avanzati di registrazione dei dati che occupano un posto di primo piano.
LMR, PMR, CMR e TDMR: qual è la differenza?
Il principio di funzionamento dei dischi rigidi è abbastanza semplice. Sottile piastre metalliche, rivestite con uno strato di materiale ferromagnetico (un materiale cristallino capace di mantenere la magnetizzazione anche in assenza di un campo magnetico esterno a temperature inferiori al punto di Curie), si muovono rispetto al blocco delle teste di scrittura a alta velocità (5400 giri al minuto o superiore). Quando viene applicata una corrente elettrica alla testa di scrittura, si genera un campo magnetico variabile che altera la direzione del vettore di magnetizzazione dei domini (aree discrete del materiale) del ferromagnetico. La lettura dei dati avviene o tramite il fenomeno dell'induzione elettromagnetica (il movimento dei domini rispetto al sensore provoca la generazione di una corrente elettrica alternata), o grazie al gigantesco effetto magnetoresistivo (sotto l'azione di un campo magnetico, la resistenza elettrica del sensore varia), come avviene nei moderni dispositivi di memorizzazione. Ogni dominio codifica un bit di informazione, assumendo il valore logico di "0" o "1" a seconda della direzione del vettore di magnetizzazione.
A lungo i dischi rigidi hanno utilizzato il metodo di registrazione magnetica longitudinale (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), dove il vettore di magnetizzazione dei domini giaceva nel piano del disco magnetico. Nonostante la relativa semplicità di implementazione, questa tecnologia presentava un notevole svantaggio: per superare la coercitività (la transizione delle particelle magnetiche in uno stato monodominio), era necessario lasciare una consistente zona di buffer tra le tracce (il cosiddetto guard space — spazio di protezione). Di conseguenza, la massima densità di registrazione raggiunta alla fine di questa tecnologia era di soli 150 Gbit/dimensione2.
Nel 2010, l'LMR è stata praticamente completamente soppiantata dalla PMR (Perpendicular Magnetic Recording — registrazione magnetica perpendicolare). La principale differenza tra questa tecnologia e la registrazione magnetica longitudinale è che il vettore di orientamento magnetico di ciascun dominio è posizionato ad un angolo di 90° rispetto alla superficie del disco magnetico, il che ha permesso una notevole riduzione della distanza tra le tracce.
Grazie a ciò, la densità di registrazione dei dati è aumentata notevolmente (fino a 1 Tbit/dimensione2 nei dispositivi moderni), senza compromettere le caratteristiche di velocità e affidabilità degli hard disk. Attualmente, la registrazione magnetica perpendicolare è dominante sul mercato, motivo per cui viene anche spesso chiamata CMR (Conventional Magnetic Recording — registrazione magnetica convenzionale). È importante capire che non c'è alcuna differenza sostanziale tra PMR e CMR: è semplicemente un'altra variante del nome.
Esaminando le specifiche tecniche dei moderni dischi rigidi, potresti anche imbatterti nell'arcana abbreviazione TDMR. In particolare, questa tecnologia è utilizzata negli storage di classe enterprise . Dal punto di vista fisico, il TDMR (che sta per Two Dimensional Magnetic Recording — registrazione magnetica bidimensionale) non differisce affatto dalla consueta PMR: come in precedenza, abbiamo a che fare con tracce non sovrapposte, i domini dei quali sono orientati perpendicolarmente al piano dei dischi magnetici. La differenza tra le tecnologie risiede nell'approccio alla lettura delle informazioni.
Nel blocco delle testine magnetiche degli hard disk creati con la tecnologia TDMR, ciascuna testina di scrittura è accompagnata da due sensori di lettura, che effettuano una lettura simultanea dei dati da ogni traccia percorsa. Tale ridondanza consente al controller HDD di filtrare efficacemente i rumori elettromagnetici, la cui presenza è dovuta all'interferenza intertraccia (Intertrack Interference, ITI).
La soluzione al problema dell'ITI offre due vantaggi estremamente importanti:
- la riduzione del coefficiente di interferenza consente di aumentare la densità di scrittura riducendo la distanza tra le tracce, garantendo un guadagno in capacità complessiva fino al 10% rispetto alla tradizionale PMR;
- in combinazione con la tecnologia RVS e un microattuatore a tre posizioni, il TDMR consente di affrontare efficacemente la vibrazione rotazionale causata dal funzionamento degli hard disk, contribuendo a garantire un livello di prestazioni stabile anche nelle condizioni operative più difficili.
Cos'è lo SMR e come funziona?
Le dimensioni della testina di scrittura sono circa 1,7 volte maggiori rispetto alle dimensioni del sensore di lettura. Questa notevole differenza è spiegabile abbastanza semplicemente: se il modulo di scrittura viene ulteriormente miniaturizzato, le forze del campo magnetico che può generare non saranno sufficienti per magnetizzare i domini dello strato ferromagnetico, il che significa che i dati semplicemente non verranno salvati. Nel caso del sensore di lettura, questo problema non si presenta. Inoltre: la sua miniaturizzazione consente di ridurre ulteriormente l'influenza dell'ITI menzionata sopra sul processo di lettura delle informazioni.
Questo fatto ha dato origine alla registrazione magnetica a strisce sovrapposte (Shingled Magnetic Recording, SMR). Analizziamo come funziona. Quando si utilizza il tradizionale PMR, la testina di scrittura si sposta rispetto a ciascuna traccia precedente a una distanza pari alla sua larghezza + la larghezza dello spazio protettivo (guard space).
Utilizzando il metodo di registrazione magnetica a piastrelle, la testina di scrittura si sposta in avanti solo per una parte della propria larghezza, quindi ogni traccia precedente risulta parzialmente riscritta da quella successiva: le tracce magnetiche si sovrappongono l'una all'altra come le piastrelle di un tetto. Questo approccio consente di aumentare ulteriormente la densità di registrazione, garantendo un guadagno di capacità fino al 10%, senza impattare sul processo di lettura. Un esempio è dato da — i primi dischi da 3,5 pollici al mondo con una capacità di 20 TB e interfaccia SATA/SAS, la cui introduzione è diventata possibile grazie a una nuova tecnologia di registrazione magnetica. Pertanto, il passaggio ai dischi SMR consente di aumentare la densità di archiviazione dei dati negli stessi scaffali con minimi costi per l'aggiornamento dell'infrastruttura IT.
Nonostante questo vantaggio significativo, lo SMR presenta anche uno svantaggio evidente. Poiché le tracce magnetiche si sovrappongono, durante l'aggiornamento dei dati sarà necessaria la riscrittura non solo del frammento richiesto, ma anche di tutte le tracce successive all'interno del piatto magnetico, il cui volume può superare i 2 terabyte, il che potrebbe comportare un serio calo delle prestazioni.
La soluzione a questo problema è l'unione di un certo numero di tracce in gruppi separati, chiamati zone. Anche se questo approccio all'organizzazione dell'archiviazione dei dati riduce leggermente la capacità complessiva dell'HDD (poiché tra le zone è necessario mantenere spazi sufficienti per evitare la sovrascrittura delle tracce dei gruppi vicini), consente di accelerate notevolmente il processo di aggiornamento dei dati, poiché ora coinvolge solo un numero limitato di tracce.
La registrazione magnetica a piastrelle prevede diverse varianti di implementazione:
- Drive Managed SMR (SMR gestito dal disco)
Il suo principale vantaggio è l'assenza della necessità di modificare il software e/o l'hardware dell'host, poiché il controllo della procedura di scrittura dei dati è gestito dal controller HDD. Questi dischi possono essere collegati a qualsiasi sistema che disponga dell'interfaccia necessaria (SATA o SAS), dopodiché l'unità sarà immediatamente pronta per l'uso.
Lo svantaggio di questo approccio è la variabilità del livello di prestazioni, motivo per cui il Drive Managed SMR risulta inadeguato per le applicazioni aziendali in cui la costanza delle performance del sistema è un parametro critico. Tuttavia, questi dischi si comportano bene in scenari che offrono tempo sufficiente per eseguire la deframmentazione dei dati in background. Ad esempio, le unità DMSMR , ottimizzate per essere utilizzate in piccoli NAS a 8 alloggiamenti, saranno un'ottima scelta per un sistema di archiviazione o per il backup che prevede una conservazione a lungo termine delle copie di sicurezza.
- Host Managed SMR (SMR gestita dall'host)
Host Managed SMR è la soluzione più preferita per implementare la registrazione a righe in un ambiente aziendale. In questo caso, la gestione dei flussi di dati e delle operazioni di lettura/scrittura è responsabilità del sistema host, che utilizza per queste operazioni le estensioni delle interfacce ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), sviluppate dai comitati INCITS T10 e T13.
Con l'utilizzo dell'HMSMR, l'intera capacità disponibile del disco viene suddivisa in zone di due tipi: Conventional Zones (zone convenzionali), utilizzate per la memorizzazione dei metadati e per la registrazione casuale (sostanzialmente, fungono da cache), e Sequential Write Required Zones (zone di scrittura sequenziale), che occupano la maggior parte della capacità totale del disco rigido, dove i dati vengono scritti rigorosamente in modo sequenziale. I dati non ordinati vengono conservati nell'area di caching, da cui possono poi essere trasferiti nella corrispondente zona di scrittura sequenziale. Questo permette a tutti i settori fisici di essere scritti in modo sequenziale in direzione radiale e riscritti solo dopo un ciclo di trasferimento, ottenendo così prestazioni stabili e prevedibili del sistema. Inoltre, i dischi HMSMR supportano comandi di lettura casuale in modo simile alle unità che utilizzano PMR standard.
L'Host Managed SMR è implementato nei dischi rigidi di classe enterprise .
La linea comprende unità SATA e SAS ad alta capacità, progettate per l'uso in data center iper-scala. Il supporto per Host Managed SMR amplia notevolmente l'ambito di applicazione di tali dischi rigidi: oltre ai sistemi di backup, sono perfetti per archiviazione cloud, CDN o piattaforme di streaming. L'alta capacità dei dischi rigidi consente di aumentare significativamente la densità di archiviazione (nelle stesse rack) con costi minimi di aggiornamento, mentre il basso consumo energetico (non più di 0,29 Watt per ogni terabyte di informazioni salvate) e il calore generato (in media 5 °C più basso rispetto ai concorrenti) contribuiscono ulteriormente a ridurre i costi operativi per la gestione del data center.
L'unico difetto dell'HMSMR è la complessità relativamente elevata dell'implementazione. Il fatto è che oggi nessun sistema operativo o applicazione è in grado di lavorare con tali unità 'out of the box', pertanto per adattare l'infrastruttura IT sono necessarie modifiche significative al stack software. Questo riguarda prima di tutto il sistema operativo stesso, il che, nei moderni data center che utilizzano server multi-core e multi-socket, rappresenta una sfida piuttosto complessa. Per maggiori dettagli sulle opzioni di implementazione del supporto Host Managed SMR, è possibile consultare la risorsa specializzata , dedicata alle questioni dello storage zonale. Le informazioni raccolte qui aiuteranno a valutare preliminarmente il grado di prontezza della vostra infrastruttura IT per la transizione a sistemi di archiviazione zonali.
- Host Aware SMR (SMR supportata dall'host)
I dispositivi con supporto Host Aware SMR combinano la facilità e la flessibilità del Drive Managed SMR con l'alta velocità di scrittura dell'Host Managed SMR. Queste unità sono retrocompatibili con i sistemi di archiviazione obsoleti e possono funzionare senza il controllo diretto dell'host; tuttavia, in questo caso, come nel caso dei dischi DMSMR, le loro prestazioni diventano imprevedibili.
Come l'SMR gestito dall'host, l'SMR consapevole dell'host utilizza due tipi di zone: zone convenzionali per la scrittura casuale e zone preferite per la scrittura sequenziale. Queste ultime, a differenza delle zone per la scrittura sequenziale obbligatoria menzionate in precedenza, vengono automaticamente convertite in normali se vi inizia una registrazione di dati non ordinata.
L'implementazione dell'SMR con supporto per l'host prevede meccanismi interni di recupero dalla scrittura non sequenziale. I dati non ordinati vengono registrati nelle aree di caching, da cui il disco può trasferire le informazioni nelle zone di scrittura sequenziale, dopo che sono stati ricevuti tutti i blocchi necessari. Per gestire la registrazione non ordinata e la deframmentazione in background, il disco utilizza una tabella di traduzione indiretta. Tuttavia, se le applicazioni aziendali richiedono prestazioni prevedibili e ottimizzate, ciò può ancora essere raggiunto solo se l'host assume il completo controllo di tutti i flussi di dati e delle zone di scrittura.
Fonte: habr.com
