טכנולוגיות הקלטה מגנטיות HDD: פשוט לגבי המורכב

הכונן הקשיח הראשון בעולם, IBM RAMAC 305, שיצא ב-1956, החזיק רק 5MB של נתונים, שקל 970 ק"ג והיה דומה בגודלו למקרר תעשייתי. ספינות דגל ארגוניות מודרניות יכולות להתהדר בקיבולת של 20 TB. רק תארו לעצמכם: לפני 64 שנים, על מנת לרשום את כמות המידע הזו, היה צורך ביותר מ-4 מיליון RAMAC 305, וגודל מרכז הנתונים הנדרש כדי להכיל אותם היה עולה על 9 קמ"ר, ואילו כיום קופסה קטנה במשקל בערך 700 גרם! במובנים רבים, העלייה המדהימה הזו בצפיפות האחסון הושגה הודות לשיפורים בשיטות הקלטה מגנטיות.
קשה להאמין, אבל העיצוב הבסיסי של כוננים קשיחים לא השתנה כבר כמעט 40 שנה, החל מ-1983: אז ראה אור הכונן הקשיח הראשון בגודל 3,5 אינץ' RO351, שפותח על ידי החברה הסקוטית Rodime. לתינוק הזה היו שני לוחות מגנטיים של 10 מגה-בייט כל אחד, כלומר הוא היה מסוגל להחזיק פי שניים יותר נתונים מאשר ST-412 Seagate המעודכן בגודל 5,25 אינץ' שיצא באותה שנה עבור מחשבים אישיים IBM 5160.

Rodime RO351 - הכונן הקשיח הראשון בעולם בגודל 3,5 אינץ'

למרות החדשנות והגודל הקומפקטי שלו, בזמן יציאתו התברר שה-RO351 היה חסר תועלת כמעט לאף אחד, וכל הניסיונות הנוספים של רודימה להשיג דריסת רגל בשוק הדיסקים הקשיחים נכשלו, וזו הסיבה שב-1991 נאלצה החברה. להפסיק את פעילותה, למכור כמעט את כל הנכסים הקיימים ולצמצם את הצוות למינימום. עם זאת, רודים לא נועד לפשוט את הרגל: עד מהרה החלו יצרני הדיסקים הקשיחים הגדולים לפנות אליו, ברצונם לרכוש רישיון לשימוש בפורמט פטנט שעליו הסקוטים. נכון לעכשיו, 3,5 אינץ' הוא הסטנדרט המקובל לייצור הן של כוננים קשיחים לצרכן והן של כוננים ברמה ארגונית.

עם הופעתן של רשתות עצביות, למידה עמוקה והאינטרנט של הדברים (IoT), נפח הנתונים שיצרה האנושות החל לגדול באופן אקספוננציאלי. על פי הערכות של סוכנות האנליטיקה IDC, עד שנת 2025 כמות המידע שייצרו הן על ידי האנשים עצמם והן על ידי המכשירים סביבנו תגיע ל-175 זטה-בייט (1 Zbyte = 1021 בתים), וזאת למרות שב-2019 זה הסתכם ב-45 Zbytes , בשנת 2016 - 16 Zbytes, ובחזרה בשנת 2006, כמות הנתונים הכוללת שהופקה לאורך כל ההיסטוריה הנצפית לא עלתה על 0,16 (!) Zbytes. טכנולוגיות מודרניות מסייעות להתמודד עם פיצוץ המידע, לא מעט מהן שיטות משופרות לרישום נתונים.

LMR, PMR, CMR ו-TDMR: מה ההבדל?

עקרון הפעולה של כוננים קשיחים הוא די פשוט. לוחות מתכת דקים המצופים בשכבה של חומר פרומגנטי (חומר גבישי שיכול להישאר ממוגנט גם כאשר אינו חשוף לשדה מגנטי חיצוני בטמפרטורות מתחת לנקודת הקורי) נעים ביחס ליחידת ראש הכתיבה במהירות גבוהה (5400 סיבובים לדקה או יותר). כאשר מופעל זרם חשמלי על ראש הכתיבה, נוצר שדה מגנטי לסירוגין, אשר משנה את כיוון וקטור המגנטיזציה של התחומים (אזורים נפרדים של החומר) של הפרומגנט. קריאת נתונים מתרחשת או עקב תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית (תנועת התחומים ביחס לחיישן גורמת להופעת זרם חשמלי לסירוגין אצל האחרון), או עקב אפקט מגנטוריסטי ענק (בהשפעת שדה מגנטי החשמלי התנגדות של שינויי החיישן), כפי שמיושמת בכוננים מודרניים. כל תחום מקודד סיבית אחת של מידע, לוקח את הערך הלוגי "0" או "1" בהתאם לכיוון של וקטור המגנטיזציה.

במשך זמן רב, כוננים קשיחים השתמשו בשיטת ההקלטה המגנטית האורך (LMR), שבה וקטור המגנטיזציה של התחום שכב במישור הלוח המגנטי. למרות הפשטות היחסית של היישום, לטכנולוגיה זו היה חיסרון משמעותי: על מנת להתגבר על הכפייה (מעבר של חלקיקים מגנטיים למצב של תחום יחיד), היה צורך להשאיר אזור חיץ מרשים (מה שנקרא מרחב השמירה) בין המסלולים. כתוצאה מכך, צפיפות ההקלטה המקסימלית שהושגה בסוף הטכנולוגיה הזו הייתה רק 150 Gbit/inch2.

בשנת 2010, LMR הוחלף כמעט לחלוטין על ידי PMR (Perpendicular Magnetic Recording). ההבדל העיקרי בין טכנולוגיה זו לבין הקלטה מגנטית אורכית הוא שווקטור הכיוון המגנטי של כל תחום ממוקם בזווית של 90 מעלות לפני השטח של הלוח המגנטי, מה שהפחית משמעותית את הפער בין המסלולים.

בשל כך, צפיפות הקלטת הנתונים גדלה באופן משמעותי (עד 1 Tbit/in2 במכשירים מודרניים), מבלי להקריב את מאפייני המהירות והאמינות של כוננים קשיחים. נכון לעכשיו, הקלטה מגנטית אנכית שולטת בשוק, וזו הסיבה שהיא נקראת לעתים קרובות גם CMR (הקלטה מגנטית קונבנציונלית). יחד עם זאת, אתה צריך להבין שאין שום הבדל בין PMR ל-CMR - זו רק גרסה שונה של השם.

תוך כדי לימוד המאפיינים הטכניים של כוננים קשיחים מודרניים, ייתכן שתתקלו גם בקיצור המסתורי TDMR. בפרט, טכנולוגיה זו משמשת כוננים ברמה ארגונית סדרת Western Digital Ultrastar 500. מנקודת מבט פיזיקלית, TDMR (הקיצור של Two Dimensional Magnetic Recording) אינו שונה מה-PMR הרגיל: כמו קודם, אנו עוסקים במסלולים שאינם מצטלבים, שתחומיהם מכוונים בניצב למישור המגנטי. צלחות. ההבדל בין הטכנולוגיות טמון בגישה לקריאת מידע.

בגוש הראשים המגנטיים של כוננים קשיחים שנוצרו באמצעות טכנולוגיית TDMR, לכל ראש כתיבה יש שני חיישני קריאה הקוראים בו זמנית נתונים מכל מסלול שעבר. יתירות זו מאפשרת לבקר HDD לסנן ביעילות רעשים אלקטרומגנטיים, אשר הופעתו נגרמת על ידי הפרעות בין-מסלולים (ITI).

פתרון בעיית ה-ITI מספק שני יתרונות חשובים ביותר:

1. הפחתת גורם הרעש מאפשרת לך להגדיל את צפיפות ההקלטה על ידי הפחתת המרחק בין רצועות, מתן רווח בקיבולת הכוללת של עד 10% בהשוואה ל-PMR רגיל;
2. בשילוב עם טכנולוגיית RVS ומיקרו-מפעיל בעל שלושה מצבים, TDMR מתנגד ביעילות לרטט סיבובי הנגרם על ידי כוננים קשיחים, ועוזר להשיג רמות עקביות של ביצועים גם בתנאי ההפעלה המאתגרים ביותר.

מה זה SMR ועם מה אוכלים אותו?

גודל ראש הכתיבה גדול פי 1,7 בערך בהשוואה לגודל חיישן הקריאה. הבדל מרשים שכזה ניתן להסביר בפשטות: אם מודול ההקלטה נעשה אפילו יותר מיניאטורי, עוצמת השדה המגנטי שהוא יכול ליצור לא יספיק כדי למגנט את התחומים של השכבה הפרומגנטית, מה שאומר שהנתונים פשוט לא להישמר. במקרה של חיישן קריאה, בעיה זו אינה מתעוררת. יתרה מכך: מזעורו מאפשר לצמצם עוד יותר את השפעת ה-ITI הנ"ל על תהליך קריאת המידע.

עובדה זו היוותה את הבסיס ל-Shingled Magnetic Recording (SMR). בואו להבין איך זה עובד. בעת שימוש ב-PMR מסורתי, ראש הכתיבה מוזז ביחס לכל מסלול קודם במרחק השווה לרוחבו + רוחב חלל השמירה.

כשמשתמשים בשיטת ההקלטה המגנטית עם אריחים, ראש הכתיבה זז קדימה רק חלק מרוחב שלו, כך שכל רצועה קודמת מוחלפת בחלקה על ידי הבא: המסלולים המגנטיים חופפים זה לזה כמו רעפי קירוי. גישה זו מאפשרת לך להגדיל עוד יותר את צפיפות ההקלטה, לספק רווח בקיבולת של עד 10%, מבלי להשפיע על תהליך הקריאה. דוגמה היא Western Digital Ultrastar DC HC 650 - הכוננים הראשונים בעולם בגודל 3.5 אינץ' 20 TB עם ממשק SATA/SAS, שמראהו התאפשר הודות לטכנולוגיית ההקלטה המגנטית החדשה. לפיכך, המעבר לדיסקי SMR מאפשר להגדיל את צפיפות אחסון הנתונים באותם מתלים עם עלויות מינימליות לשדרוג תשתית ה-IT.

למרות יתרון כה משמעותי, ל-SMR יש גם חסרון ברור. מכיוון שהמסלולים המגנטיים חופפים זה לזה, עדכון הנתונים ידרוש שכתוב לא רק את הפרגמנט הנדרש, אלא גם את כל המסלולים הבאים בתוך הפלטה המגנטית, שנפחם יכול לעלות על 2 טרה-בייט, מה שעלול להוביל לירידה רצינית בביצועים.

ניתן לפתור בעיה זו על ידי שילוב של מספר מסוים של מסלולים לקבוצות נפרדות הנקראות אזורים. למרות שגישה זו לארגון אחסון נתונים מפחיתה במידת מה את הקיבולת הכוללת של הדיסק הקשיח (מאחר שיש צורך לשמור על פערים מספיקים בין אזורים כדי למנוע החלפת מסלולים מקבוצות סמוכות), היא יכולה להאיץ משמעותית את תהליך עדכון הנתונים, שכן כעת רק מספר מצומצם של מסלולים מעורבים בו.

הקלטה מגנטית של אריחים כוללת מספר אפשרויות יישום:

• Drive Managed SMR

היתרון העיקרי שלו הוא שאין צורך לשנות את התוכנה ו/או החומרה המארח, מכיוון שבקר HDD לוקח שליטה על הליך רישום הנתונים. כוננים כאלה יכולים להיות מחוברים לכל מערכת שיש לה את הממשק הנדרש (SATA או SAS), ולאחר מכן הכונן יהיה מוכן לשימוש באופן מיידי.

החיסרון של גישה זו הוא שרמות הביצועים משתנות, מה שהופך את Drive Managed SMR ללא מתאים ליישומים ארגוניים שבהם ביצועי מערכת עקביים הם קריטיים. עם זאת, כוננים כאלה מתפקדים היטב בתרחישים המאפשרים מספיק זמן לאיחוי נתוני רקע להתרחש. לדוגמה, כונני DMSMR WD אדום, מותאם לשימוש כחלק מ-NAS קטן עם 8 מפרצים, יהיה בחירה מצוינת עבור מערכת ארכיון או גיבוי הדורשת אחסון גיבויים לטווח ארוך.

• מארח מנוהל SMR

Host Managed SMR הוא יישום ההקלטה המועדף לשימוש בסביבה ארגונית. במקרה זה, המערכת המארחת עצמה אחראית לניהול זרימות נתונים ופעולות קריאה/כתיבה, תוך שימוש למטרות אלו בתוספי הממשק ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) ו-SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) שפותחו על ידי INCITS ועדות T10 ו-T13 .

בעת שימוש ב-HMSMR, כל קיבולת האחסון הזמינה של הכונן מחולקת לשני סוגים של אזורים: אזורים קונבנציונליים, המשמשים לאחסון מטא נתונים והקלטה אקראית (בעצם ממלא את תפקיד המטמון), ו-Sequential Write Required Zones, אשר תופסים חלק גדול מהקיבולת הכוללת של הכונן הקשיח שבו הנתונים נכתבים ברצף. נתונים מחוץ לסדר מאוחסנים באזור מטמון, משם ניתן להעביר אותם לאזור הכתיבה הרציף המתאים. זה מבטיח שכל הסקטורים הפיזיים נכתבים ברצף בכיוון הרדיאלי ונכתבים מחדש רק לאחר העברה מחזורית, וכתוצאה מכך ביצועי מערכת יציבים וצפויים. במקביל, כונני HMSMR תומכים בפקודות קריאה אקראיות באותו אופן כמו כוננים המשתמשים ב-PMR רגיל.

Host Managed SMR מיושם בכוננים קשיחים ברמה ארגונית סדרת Western Digital Ultrastar HC DC 600.

הקו כולל כונני SATA ו-SAS בעלי קיבולת גבוהה המיועדים לשימוש במרכזי נתונים בקנה מידה גבוה. תמיכה ב-Host Managed SMR מרחיבה משמעותית את היקף היישום של כוננים קשיחים כאלה: בנוסף למערכות גיבוי, הם מושלמים לאחסון בענן, CDN או פלטפורמות סטרימינג. הקיבולת הגבוהה של כוננים קשיחים מאפשרת לך להגדיל משמעותית את צפיפות האחסון (באותם מתלים) עם עלויות שדרוג מינימליות, וצריכת חשמל נמוכה (לא יותר מ-0,29 וואט לטרה-בייט של מידע מאוחסן) ופיזור חום (בממוצע 5 מעלות צלזיוס נמוכה יותר מאשר אנלוגים) - להפחית עוד יותר את עלויות התפעול עבור תחזוקת מרכז הנתונים.

החיסרון היחיד של HMSMR הוא המורכבות היחסית של היישום. העניין הוא שכיום אף מערכת הפעלה או אפליקציה לא יכולה לעבוד עם כוננים כאלה מחוץ לקופסה, ולכן נדרשים שינויים רציניים בערימת התוכנה כדי להתאים את תשתית ה-IT. קודם כל, זה נוגע, כמובן, למערכת ההפעלה עצמה, שבתנאים של מרכזי נתונים מודרניים המשתמשים בשרתים מרובי ליבות ורב-שקעים היא משימה לא טריוויאלית למדי. אתה יכול ללמוד עוד על אפשרויות להטמעת תמיכת Host Managed SMR במשאב מיוחד ZonedStorage.io, המוקדש לנושאים של אחסון נתונים אזורי. המידע שנאסף כאן יעזור לך להעריך ראשונית את המוכנות של תשתית ה-IT שלך להעברה למערכות אחסון אזוריות.

• Host Aware SMR (Host Aware SMR)

התקנים תומכי Host Aware SMR משלבים את הנוחות והגמישות של Drive Managed SMR עם מהירויות הכתיבה הגבוהות של Host Managed SMR. כוננים אלה תואמים לאחור עם מערכות אחסון מדור קודם ויכולים לפעול ללא שליטה ישירה מהמארח, אך במקרה זה, כמו בכונני DMSMR, הביצועים שלהם הופכים בלתי צפויים.

כמו Host Managed SMR, Host Aware SMR משתמש בשני סוגים של אזורים: אזורים קונבנציונליים לכתיבה אקראית ואזורי כתיבה מועדפים ברצף. האחרונים, בניגוד לאזורי הכתיבה הדרושים ברצף שהוזכרו לעיל, נדחקים אוטומטית לקטגוריה של רגילים אם הם מתחילים להקליט נתונים שלא בסדר.

היישום המודע למארח של SMR מספק מנגנונים פנימיים להתאוששות מכתיבות לא עקביות. נתונים מחוץ לסדר נכתבים לאזורי מטמון, משם הדיסק יכול להעביר את המידע לאזור הכתיבה הרציף לאחר שהתקבלו כל הבלוקים הדרושים. הדיסק משתמש בטבלת עקיפה כדי לנהל כתיבה לא בסדר ואיחוי רקע. עם זאת, אם יישומים ארגוניים דורשים ביצועים צפויים ומוטבים, זה עדיין יכול להיות מושג רק אם המארח לוקח שליטה מלאה על כל זרימות הנתונים ואזורי ההקלטה.

מקור: www.habr.com