Il primo disco rigido al mondo, l'IBM RAMAC 305, lanciato nel 1956, conteneva solo 5 MB di dati, pesava 970 kg ed era di dimensioni paragonabili a un frigorifero industriale. I moderni flagship aziendali possono vantare una capacità di 20 TB. Immaginate: 64 anni fa, per registrare una tale quantità di informazioni, sarebbero stati necessari oltre 4 milioni di RAMAC 305, e la dimensione del data center necessario per accoglierli avrebbe superato i 9 chilometri quadrati, mentre oggi una piccola scatola del peso di circa 700 grammi! In molti modi, questo incredibile aumento della densità di archiviazione è stato ottenuto grazie ai miglioramenti nei metodi di registrazione magnetica.
È difficile da credere, ma la struttura fondamentale dei dischi rigidi non è cambiata da quasi 40 anni, a partire dal 1983: fu allora che vide la luce il primo disco rigido da 3,5 pollici RO351, sviluppato dall'azienda scozzese Rodime. Questo bambino era dotato di due piatti da 10 MB, il che significa che poteva contenere il doppio dei dati rispetto all'ST-412 da 5,25 pollici aggiornato di Seagate, rilasciato quello stesso anno per il personal computer IBM 5160.
Rodime RO351: il primo disco rigido da 3,5 pollici al mondo
Nonostante la sua innovazione e le dimensioni compatte, al momento del suo rilascio il RO351 si rivelò praticamente inutile per chiunque, e tutti gli ulteriori tentativi di Rodime di prendere piede nel mercato dei dischi rigidi fallirono, motivo per cui nel 1991 l'azienda fu costretta a cessare le proprie attività, svendendo la quasi totalità degli asset esistenti e riducendo al minimo il personale. Rodime, però, non era destinata a fallire: presto i maggiori produttori di hard disk iniziarono a contattarla, desiderando acquistare una licenza per utilizzare il form factor brevettato dagli scozzesi. Attualmente, 3,5 pollici è lo standard generalmente accettato per la produzione sia di HDD consumer che di unità di classe enterprise.
Con l’avvento delle reti neurali, del Deep Learning e dell’Internet of Things (IoT), il volume di dati creati dall’umanità ha iniziato a crescere in modo esponenziale. Secondo le stime dell'agenzia di analisi IDC, entro il 2025 la quantità di informazioni generate sia dalle persone stesse che dai dispositivi che ci circondano raggiungerà i 175 zettabyte (1 Zbyte = 1021 byte), e questo nonostante nel 2019 ammontassero a 45 Zbyte , nel 2016 - 16 Zbyte e nel 2006 la quantità totale di dati prodotti nell'intera storia osservabile non superava 0,16 (!) Zbyte. Le moderne tecnologie stanno aiutando a far fronte all’esplosione delle informazioni, non ultimo il miglioramento dei metodi di registrazione dei dati.
LMR, PMR, CMR e TDMR: qual è la differenza?
Il principio di funzionamento dei dischi rigidi è abbastanza semplice. Sottili piastre metalliche rivestite con uno strato di materiale ferromagnetico (una sostanza cristallina che può rimanere magnetizzata anche se non esposta a un campo magnetico esterno a temperature inferiori al punto Curie) si muovono rispetto all'unità della testina di scrittura ad alta velocità (5400 giri al minuto o Di più). Quando si applica una corrente elettrica alla testina di scrittura, si crea un campo magnetico alternato che cambia la direzione del vettore di magnetizzazione dei domini (regioni discrete della materia) del ferromagnete. La lettura dei dati avviene sia per il fenomeno dell'induzione elettromagnetica (il movimento dei domini rispetto al sensore provoca la comparsa in quest'ultimo di una corrente elettrica alternata), sia per un gigantesco effetto magnetoresistivo (sotto l'influenza di un campo magnetico la corrente elettrica resistenza del sensore cambia), come viene implementato nei moderni azionamenti. Ogni dominio codifica un bit di informazione, assumendo il valore logico "0" o "1" a seconda della direzione del vettore di magnetizzazione.
Per molto tempo, i dischi rigidi hanno utilizzato il metodo della registrazione magnetica longitudinale (LMR), in cui il vettore di magnetizzazione del dominio giaceva nel piano della piastra magnetica. Nonostante la relativa semplicità di implementazione, questa tecnologia presentava uno svantaggio significativo: per superare la coercività (la transizione delle particelle magnetiche in uno stato a dominio singolo), si doveva lasciare un'imponente zona cuscinetto (il cosiddetto spazio di guardia) tra le tracce. Di conseguenza, la densità di registrazione massima raggiunta alla fine di questa tecnologia era di soli 150 Gbit/pollice2.
Nel 2010 la LMR è stata quasi completamente sostituita dalla PMR (Perpendicular Magnetic Recording). La differenza principale tra questa tecnologia e la registrazione magnetica longitudinale è che il vettore di direzione magnetica di ciascun dominio si trova ad un angolo di 90° rispetto alla superficie della piastra magnetica, il che ha ridotto significativamente lo spazio tra le tracce.
Grazie a ciò, la densità di registrazione dei dati è stata notevolmente aumentata (fino a 1 Tbit/in2 nei dispositivi moderni), senza sacrificare le caratteristiche di velocità e affidabilità dei dischi rigidi. Attualmente il mercato è dominato dalla registrazione magnetica perpendicolare, motivo per cui viene spesso chiamata anche CMR (registrazione magnetica convenzionale). Allo stesso tempo, devi capire che non c'è assolutamente alcuna differenza tra PMR e CMR: è solo una versione diversa del nome.
Studiando le caratteristiche tecniche dei moderni dischi rigidi, potresti imbatterti anche nella misteriosa abbreviazione TDMR. In particolare, questa tecnologia viene utilizzata dalle unità di classe enterprise . Dal punto di vista fisico, il TDMR (che sta per Two Dimensional Magnetic Recording) non è diverso dal solito PMR: come prima, si tratta di tracce non intersecanti, i cui domini sono orientati perpendicolarmente al piano dell'area magnetica piatti. La differenza tra le tecnologie sta nell’approccio alla lettura delle informazioni.
Nel blocco delle testine magnetiche dei dischi rigidi realizzati con la tecnologia TDMR, ciascuna testina di scrittura dispone di due sensori di lettura che leggono contemporaneamente i dati di ciascuna traccia passata. Questa ridondanza consente al controller dell'HDD di filtrare efficacemente il rumore elettromagnetico, la cui comparsa è causata dall'interferenza intertraccia (ITI).
Risolvere il problema ITI offre due vantaggi estremamente importanti:
- la riduzione del fattore di rumore consente di aumentare la densità di registrazione riducendo la distanza tra le tracce, fornendo un guadagno in capacità totale fino al 10% rispetto al PMR convenzionale;
- Combinato con la tecnologia RVS e un microattuatore a tre posizioni, TDMR resiste efficacemente alle vibrazioni rotazionali causate dai dischi rigidi, contribuendo a raggiungere livelli costanti di prestazioni anche nelle condizioni operative più difficili.
Cos'è l'SMR e con cosa si mangia?
La dimensione della testina di scrittura è circa 1,7 volte maggiore rispetto alla dimensione del sensore di lettura. Una differenza così impressionante può essere spiegata in modo molto semplice: se il modulo di registrazione viene reso ancora più miniaturizzato, la forza del campo magnetico che può generare non sarà sufficiente a magnetizzare i domini dello strato ferromagnetico, il che significa che i dati semplicemente non essere memorizzato. Nel caso di un sensore di lettura questo problema non si pone. Inoltre: la sua miniaturizzazione permette di ridurre ulteriormente l'influenza dei suddetti ITI sul processo di lettura delle informazioni.
Questo fatto ha costituito la base della registrazione magnetica Shingled (SMR). Scopriamo come funziona. Quando si utilizza un PMR tradizionale, la testina di scrittura viene spostata rispetto a ciascuna traccia precedente di una distanza pari alla sua larghezza + la larghezza dello spazio di guardia.
Quando si utilizza il metodo di registrazione magnetica a tegole, la testina di scrittura si sposta in avanti solo di una parte della sua larghezza, quindi ogni traccia precedente viene parzialmente sovrascritta da quella successiva: le tracce magnetiche si sovrappongono come tegole. Questo approccio consente di aumentare ulteriormente la densità di registrazione, fornendo un guadagno di capacità fino al 10%, senza influenzare il processo di lettura. Un esempio è - i primi drive al mondo da 3.5 pollici e 20 TB con interfaccia SATA/SAS, la cui comparsa è stata resa possibile grazie alla nuova tecnologia di registrazione magnetica. Pertanto, il passaggio ai dischi SMR consente di aumentare la densità di archiviazione dei dati negli stessi rack con costi minimi per l'aggiornamento dell'infrastruttura IT.
Nonostante un vantaggio così significativo, l’SMR presenta anche un evidente inconveniente. Poiché le tracce magnetiche si sovrappongono, l'aggiornamento dei dati richiederà 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 può portare a un grave calo delle prestazioni.
Questo problema può essere risolto combinando un certo numero di tracce in gruppi separati chiamati zone. Sebbene questo approccio all'organizzazione dell'archiviazione dei dati riduca in qualche modo la capacità complessiva dell'HDD (poiché è necessario mantenere spazi sufficienti tra le zone per evitare che le tracce dei gruppi adiacenti vengano sovrascritte), può accelerare significativamente il processo di aggiornamento dei dati, poiché ora è coinvolto solo un numero limitato di tracce.
La registrazione magnetica delle piastrelle prevede diverse opzioni di implementazione:
- Guida SMR gestito
Il suo vantaggio principale è che non è necessario modificare il software e/o l'hardware dell'host, poiché il controller dell'HDD assume il controllo della procedura di registrazione dei dati. Tali unità possono essere collegate a qualsiasi sistema dotato dell'interfaccia richiesta (SATA o SAS), dopodiché l'unità sarà immediatamente pronta per l'uso.
Lo svantaggio di questo approccio è che i livelli di prestazione variano, rendendo Drive Managed SMR inadatto per le applicazioni aziendali in cui la coerenza delle prestazioni del sistema è fondamentale. Tuttavia, tali unità funzionano bene in scenari che consentono tempo sufficiente per la deframmentazione dei dati in background. Ad esempio, le unità DMSMR , ottimizzato per l'uso come parte di piccoli NAS a 8 alloggiamenti, sarà una scelta eccellente per un sistema di archiviazione o backup che richiede l'archiviazione dei backup a lungo termine.
- SMR gestito dall'host
SMR gestito dall'host è l'implementazione di registrazione affiancata preferita per l'utilizzo in un ambiente aziendale. In questo caso è il sistema host stesso a occuparsi della gestione dei flussi di dati e delle operazioni di lettura/scrittura, utilizzando per questi scopi le estensioni di interfaccia ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) sviluppate dall'INCITS Comitati T10 e T13.
Quando si utilizza HMSMR, l'intera capacità di archiviazione disponibile dell'unità è divisa in due tipi di zone: zone convenzionali, che vengono utilizzate per archiviare metadati e registrazioni casuali (essenzialmente svolgendo il ruolo di cache), e zone richieste di scrittura sequenziale, che occupano gran parte della capacità totale del disco rigido in cui i dati vengono scritti in modo rigorosamente sequenziale. I dati fuori ordine vengono memorizzati in un'area cache, da dove possono poi essere trasferiti nell'apposita area di scrittura sequenziale. Ciò garantisce che tutti i settori fisici vengano scritti in sequenza nella direzione radiale e vengano riscritti solo dopo un trasferimento ciclico, garantendo prestazioni del sistema stabili e prevedibili. Allo stesso tempo, le unità HMSMR supportano i comandi di lettura casuale allo stesso modo delle unità che utilizzano PMR standard.
SMR gestito dall'host è implementato nei dischi rigidi di classe aziendale .
La linea comprende unità SATA e SAS ad alta capacità progettate per l'uso in data center iperscalabili. Il supporto per Host Managed SMR amplia notevolmente l'ambito di applicazione di tali dischi rigidi: oltre ai sistemi di backup, sono perfetti per l'archiviazione su cloud, CDN o piattaforme di streaming. L'elevata capacità dei dischi rigidi consente di aumentare significativamente la densità di archiviazione (negli stessi rack) con costi di aggiornamento minimi e bassi consumi energetici (non più di 0,29 watt per terabyte di informazioni archiviate) e dissipazione del calore (in media 5 °C inferiori rispetto agli analoghi) - riducono ulteriormente i costi operativi per la manutenzione del data center.
L'unico inconveniente dell'HMSMR è la relativa complessità di implementazione. Il fatto è che oggi nessun sistema operativo o applicazione può funzionare immediatamente con tali unità, motivo per cui sono necessarie importanti modifiche allo stack software per adattare l'infrastruttura IT. Innanzitutto, ciò riguarda, ovviamente, il sistema operativo stesso, che nelle condizioni dei moderni data center che utilizzano server multi-core e multi-socket è un compito piuttosto non banale. Puoi ottenere ulteriori informazioni sulle opzioni per l'implementazione del supporto SMR gestito da host su una risorsa specializzata , dedicato ai temi dell'archiviazione dei dati zonali. Le informazioni raccolte qui ti aiuteranno a valutare preliminare la preparazione della tua infrastruttura IT per il trasferimento ai sistemi di storage di zona.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
I dispositivi abilitati per Host Aware SMR combinano la comodità e la flessibilità di Drive Managed SMR con le elevate velocità di scrittura di Host Managed SMR. Queste unità sono retrocompatibili con i sistemi di storage legacy e possono funzionare senza il controllo diretto dell'host, ma in questo caso, come con le unità DMSMR, le loro prestazioni diventano imprevedibili.
Come Host Managed SMR, Host Aware SMR utilizza due tipi di zone: zone convenzionali per scritture casuali e zone preferite per scrittura sequenziale. Queste ultime, a differenza delle zone richieste di scrittura sequenziale menzionate sopra, vengono automaticamente relegate alla categoria di quelle normali se iniziano a registrare dati fuori ordine.
L'implementazione di SMR compatibile con l'host fornisce meccanismi interni per il ripristino da scritture incoerenti. I dati fuori ordine vengono scritti nelle aree della cache, da dove il disco può trasferire le informazioni nell'area di scrittura sequenziale dopo che tutti i blocchi necessari sono stati ricevuti. Il disco utilizza una tabella indiretta per gestire la scrittura fuori ordine e la deframmentazione in background. Tuttavia, se le applicazioni aziendali richiedono prestazioni prevedibili e ottimizzate, ciò può essere ottenuto solo se l'host assume il pieno controllo di tutti i flussi di dati e delle zone di registrazione.
Fonte: habr.com