Il primo hard disk al mondo, l'IBM RAMAC 305, lanciato nel 1956, conteneva solo 5 MB di dati, pesava 970 kg e aveva dimensioni paragonabili a un frigorifero industriale. I moderni flagship aziendali vantano già capacità di 20 TB. Immaginate: 64 anni fa, per registrare una tale quantità di informazioni, sarebbero stati necessari più di 4 milioni di RAMAC 305, e le dimensioni del data center necessarie per ospitarli avrebbero superato i 9 chilometri quadrati, mentre oggi basterebbe una piccola scatola del peso di circa 700 grammi! Questo straordinario aumento della densità di memorizzazione è stato in gran parte possibile grazie al perfezionamento delle tecniche di registrazione magnetica.
È difficile crederlo, ma la struttura fondamentale dei dischi rigidi non è cambiata da quasi 40 anni, dal 1983: è proprio in quell'anno che è stato presentato il primo disco rigido da 3,5 pollici RO351, sviluppato dalla compagnia scozzese Rodime. Questo piccolo prodigio aveva due piatti magnetici da 10 MB ciascuno, ovvero era in grado di contenere il doppio dei dati rispetto al rinnovato ST-412 da 5,25 pollici, prodotto 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 è rivelato praticamente inutile, e tutti i successivi tentativi di Rodime di affermarsi nel mercato degli hard disk sono stati un fallimento, costringendo l'azienda a chiudere nel 1991, vendendo praticamente tutti i suoi beni e riducendo il personale al minimo. Tuttavia, non era scritto il destino di Rodime di diventare insolvente: in breve tempo, i maggiori produttori di hard disk iniziarono a contattarla per acquistare una licenza per utilizzare il formato brevettato dagli scozzesi. Attualmente, il formato da 3,5 pollici è diventato lo standard riconosciuto per la produzione di hard disk sia per il consumo che per i dispositivi di classe enterprise.
Con l'avvento delle reti neurali, del Deep Learning e dell'Internet delle Cose (IoT), la quantità 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 che dai dispositivi che ci circondano raggiungerà 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 rappresentavano il totale accumulato nella storia recente. Le tecnologie moderne, tra cui i metodi di registrazione dei dati avanzati, ci aiutano a gestire questa esplosione informatica.
LMR, PMR, CMR e TDMR: qual è la differenza?
Il principio di funzionamento degli hard disk è piuttosto semplice. Sottili piastre metalliche, rivestite da uno strato di materiale ferromagnetico (una sostanza cristallina in grado 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 ad alta velocità (5400 giri al minuto o più). Quando viene applicata corrente elettrica alla testa di scrittura, si genera un campo magnetico variabile che cambia la direzione del vettore di magnetizzazione dei domini (aree discrete di sostanza) del ferromagnetico. La lettura dei dati avviene o tramite il fenomeno dell'induzione elettromagnetica (il movimento dei domini rispetto al sensore genera una corrente elettrica alternata), oppure grazie all'effetto magnetoresistivo gigante (la resistenza elettrica del sensore cambia sotto l'azione di un campo magnetico), come si realizza nei moderni dispositivi di memorizzazione. Ogni dominio codifica un bit di informazione, assumendo il valore logico «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), in cui il vettore di magnetizzazione dei domini si trovava nel piano del disco magnetico. Nonostante la relativa semplicità di implementazione, questa tecnologia presentava un grave svantaggio: per superare la coercitività (il passaggio delle particelle magnetiche in uno stato monodominio), era necessario lasciare un'ampia zona di buffering tra le tracce (il cosiddetto guard space). Di conseguenza, la massima densità di registrazione raggiungibile alla fine di questa tecnologia era di soli 150 Gbit/inch².
Nel 2010, la LMR è stata praticamente completamente sostituita dalla PMR (Perpendicular Magnetic Recording — registrazione magnetica perpendicolare). La principale differenza di questa tecnologia rispetto alla registrazione magnetica longitudinale è che il vettore di orientamento magnetico di ciascun dominio si trova a un angolo di 90° rispetto alla superficie del disco magnetico, il che ha consentito di ridurre significativamente lo spazio tra le tracce.
Grazie a ciò, la densità di registrazione dei dati è notevolmente aumentata (fino a 1 Tbit/inch² nei dispositivi moderni), senza sacrificare le prestazioni e l'affidabilità dei dischi rigidi. Attualmente, la registrazione magnetica perpendicolare è dominante nel mercato, motivo per cui è spesso chiamata anche CMR (Conventional Magnetic Recording — registrazione magnetica convenzionale). È importante capire che tra PMR e CMR non c'è alcuna differenza — sono semplicemente varianti di nomenclatura.
Esaminando le specifiche tecniche dei moderni dischi rigidi, è possibile imbattersi nell'affascinante acronimo TDMR. Questa tecnologia è utilizzata soprattutto nei dispositivi di classe enterprise. . Dal punto di vista fisico, il TDMR (che sta per Two Dimensional Magnetic Recording — registrazione magnetica bidimensionale) non differisce affatto dalla nostra nota PMR: come prima, abbiamo a che fare con tracce non sovrapposte, i cui domini 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 realizzati con la tecnologia TDMR, ciascuna testina di scrittura è associata a due sensori di lettura che effettuano la lettura simultanea dei dati da ciascuna traccia percorsa. Questa ridondanza consente al controller HDD di filtrare efficacemente i rumori elettromagnetici, la cui comparsa 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 permette di aumentare la densità di registrazione grazie alla diminuzione della distanza tra le tracce, garantendo un aumento della capacità complessiva fino al 10% rispetto alla tradizionale PMR;
- combinato con la tecnologia RVS e un microattuatore a tre posizioni, il TDMR riesce a contrastare efficacemente le vibrazioni rotazionali causate dal funzionamento degli hard disk, contribuendo a mantenere un livello di prestazioni stabile anche nelle condizioni operative più complesse.
Che cos'è l'SMR e come si utilizza?
Le dimensioni della testina di scrittura sono circa 1,7 volte più grandi rispetto alle dimensioni del sensore di lettura. Questa significativa differenza è spiegata semplicemente: se il modulo di scrittura fosse realizzato in modo ancora più compatto, la forza del campo magnetico che può generare non sarebbe sufficiente per magnetizzare i domini dello strato ferromagnetico, il che significa che i dati semplicemente non verranno salvati. Nel caso del sensore di lettura, non si presenta questo problema. Inoltre, la sua miniaturizzazione consente di ridurre ulteriormente l'influenza dell'ITI sopra menzionata sul processo di lettura delle informazioni.
Questo fatto ha dato origine alla registrazione magnetica a piastre sovrapposte (Shingled Magnetic Recording, SMR). Vediamo come funziona. Quando si utilizza la tradizionale PMR, la testina di scrittura si sposta rispetto a ciascuna traccia precedente di una distanza pari alla sua larghezza più la larghezza dello spazio di protezione (guard space).
Utilizzando il metodo di registrazione a strati, la testina 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 l'una all'altra come le tegole di un tetto. Questo approccio consente di aumentare ulteriormente la densità di registrazione, garantendo un guadagno di capacità fino al 10%, senza influire sul processo di lettura. Un esempio può essere i primi dischi da 3.5 pollici al mondo con una capacità di 20 TB dotati di interfaccia SATA/SAS, la cui comparsa è stata resa possibile grazie alla nuova tecnologia di registrazione magnetica. Pertanto, la transizione verso dischi SMR consente di aumentare la densità di archiviazione dei dati negli stessi rack con costi minimi per l'aggiornamento dell'infrastruttura IT.
Nonostante il notevole vantaggio, l'SMR presenta anche uno svantaggio evidente. Poiché le tracce magnetiche si sovrappongono, durante l'aggiornamento dei dati sarà necessario riscrivere non solo il frammento richiesto, ma anche tutte le tracce successive all'interno del disco magnetico, il cui volume può superare i 2 terabyte, il che comporta un serio calo delle prestazioni.
Per affrontare questo problema, si utilizza la combinazione di un certo numero di tracce in gruppi distinti, chiamati zone. Sebbene tale approccio all'organizzazione dello storage riduca leggermente la capacità totale dell'HDD (poiché è necessario mantenere spazi sufficienti tra le zone per prevenire la riscrittura delle tracce dalle aree adiacenti), consente di accelerare notevolmente il processo di aggiornamento dei dati, poiché adesso coinvolge solo un numero limitato di tracce.
La registrazione magnetica a strati prevede diverse opzioni di implementazione:
- Drive Managed SMR (SMR gestita dal disco)
Il principale vantaggio è che non c'è bisogno di modificare il software e/o l'hardware dell'host, poiché il controller HDD si occupa della gestione della procedura di scrittura dei dati. Questi dischi possono essere collegati a qualsiasi sistema dotato dell'interfaccia necessaria (SATA o SAS), dopodiché il dispositivo sarà immediatamente pronto all'uso.
Lo svantaggio di questo approccio è la variabilità del livello di prestazioni, motivo per cui il Drive Managed SMR risulta inadeguato per applicazioni aziendali dove la costanza delle prestazioni 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, i dischi DMSMR , ottimizzati per l'uso in piccole NAS con 8 slot, saranno un'ottima scelta per un sistema di archiviazione o backup, che preveda una conservazione a lungo termine dei backup.
- Host Managed SMR (SMR, gestita dall'host)
Host Managed SMR — l'opzione più vantaggiosa per l'implementazione della registrazione zonale in contesti aziendali. In questo caso, la gestione dei flussi di dati e delle operazioni di lettura/scrittura è affidata al sistema host stesso, che utilizza per questo scopo le estensioni degli interfacciali ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), sviluppate dai comitati INCITS T10 e T13.
Con l'uso di HMSMR, l'intera capacità disponibile del supporto viene suddivisa in due tipi di zone: le Conventional Zones (zone convenzionali), utilizzate per memorizzare metadati e scrittura arbitraria (sostanzialmente fungono da cache), e le Sequential Write Required Zones (zone di scrittura sequenziale), che occupano la maggior parte della capacità totale del disco rigido, nelle quali i dati vengono scritti in modo strettamente sequenziale. I dati non ordinati sono salvati nell'area di caching, da dove possono poi essere trasferiti nella corrispondente zona di scrittura sequenziale. Questo consente di registrare tutti i settori fisici in modo sequenziale in direzione radiale e di riscrivere solo dopo un trasferimento ciclico, garantendo prestazioni stabili e prevedibili del sistema. Inoltre, i dischi HMSMR supportano comandi di lettura arbitraria in modo simile ai dispositivi che utilizzano lo standard PMR.
Host Managed SMR è implementato nei dischi rigidi di classe enterprise .
La linea include dischi SATA e SAS ad alta capacità, progettati per l'uso in data center iperscalabili. Il supporto per Host Managed SMR amplia notevolmente le possibilità di utilizzo di questi hard disk: oltre ai sistemi di backup, sono ideali per archiviazione cloud, CDN o piattaforme di streaming. L'alta capacità dei dischi rigidi consente di aumentare significativamente la densità di archiviazione (nello stesso rack) con costi minimi per l'aggiornamento, mentre il basso consumo energetico (non oltre 0,29 W per ogni terabyte di informazioni salvate) e la minor dissipazione di calore (mediamente 5 °C più bassa rispetto ai prodotti concorrenti) riducono ulteriormente i costi operativi per la manutenzione del data center.
L'unico svantaggio dell'HMSMR è la relativa complessità di implementazione. Il fatto è che, ad oggi, nessun sistema operativo o applicazione è in grado di lavorare con tali supporti "out of the box", il che richiede modifiche significative nel stack software per adattare l'infrastruttura IT. Questo riguarda principalmente il sistema operativo stesso, il che, nell'ambito dei moderni datacenter che utilizzano server multi-core e multi-socket, rappresenta una sfida piuttosto complessa. È possibile scoprire di più sulle opzioni di supporto per Host Managed SMR su una risorsa specializzata , dedicata alle questioni dello storage zonale. Le informazioni qui raccolte possono aiutare a valutare preliminarmente il grado di prontezza della propria infrastruttura IT per la transizione verso i sistemi di storage zonale.
- Host Aware SMR (SMR supportata dal host)
I dispositivi con supporto Host Aware SMR uniscono la comodità e la flessibilità del Drive Managed SMR e l'alta velocità di scrittura del Host Managed SMR. Questi dispositivi sono retrocompatibili con le vecchie infrastrutture di storage e possono funzionare senza un controllo diretto da parte dell'host; tuttavia, in questo caso, come per i dischi DMSMR, la loro performance diventa imprevedibile.
Analogamente al Host Managed SMR, l'Host Aware SMR utilizza due tipi di zone: le Conventional Zones per la scrittura casuale e le Sequential Write Preferred Zones (zone preferite per la scrittura sequenziale). Queste ultime, a differenza delle Sequential Write Required Zones menzionate sopra, vengono automaticamente classificate come zone convenzionali nel caso in cui vi cominci a essere una scrittura di dati non ordinata.
L'implementazione di SMR con supporto per l'host prevede meccanismi interni per il ripristino da scritture disordinate. I dati non ordinati vengono scritti nell'area di cache, da cui il disco può trasferire le informazioni nell'area di scrittura ordinata, una volta ottenuti tutti i blocchi necessari. Per gestire la scrittura non ordinata e la deframmentazione in background, il disco utilizza una tabella di accesso indiretto. Tuttavia, se le applicazioni aziendali richiedono prestazioni prevedibili e ottimizzate, questo può essere raggiunto solo se l'host si assume il completo controllo di tutti i flussi di dati e delle aree di scrittura.
Fonte: habr.com
