HDD 磁気記録技術: 複雑さをシンプルに

305 年にリリースされた世界初のハード ドライブである IBM RAMAC 1956 は、わずか 5 MB のデータを保持し、重量は 970 kg で、サイズは業務用冷蔵庫に匹敵しました。 現代の企業の主力製品は、20 TB の容量を誇ることがあります。 想像してみてください。64 年前、この量の情報を記録するには 4 万台以上の RAMAC 305 が必要で、それらを収容するために必要なデータ センターのサイズは 9 平方キロメートルを超えていたでしょう。一方、現在では重さは小さな箱に過ぎません。約700グラム！ さまざまな意味で、この驚異的な記憶密度の増加は、磁気記録方式の改善のおかげで達成されました。
信じられないかもしれませんが、ハード ドライブの基本設計は 40 年からほぼ 1983 年間変わっていません。スコットランドの会社 Rodime が開発した最初の 3,5 インチ ハード ドライブ RO351 が世に出たのはその時でした。 この赤ちゃんは 10 つの 412MB プラッターを備えており、同年に IBM 5,25 パーソナル コンピュータ用にリリースされた Seagate の最新の 5160 インチ ST-XNUMX の XNUMX 倍のデータを保持できることを意味します。

Rodime RO351 - 世界初の 3,5 インチ ハードドライブ

その革新性とコンパクトなサイズにもかかわらず、RO351 は発売当時、誰にとっても実質的に役に立たないことが判明し、ハードドライブ市場に足がかりを得ようとするロダイムのその後の試みはすべて失敗に終わりました。そのため、1991 年に同社は撤退を余儀なくされました。活動を停止し、既存資産のほぼすべてを売却し、スタッフを最小限に削減します。 しかし、Rodime は破産する運命にはありませんでした。すぐに最大手のハード ドライブ メーカーが Rodime に連絡を取り始め、スコットランド人が特許を取得したフォーム ファクターを使用するためのライセンスを購入したいと考えていました。 現在、3,5 インチは、消費者向け HDD とエンタープライズ クラスのドライブの両方の製造において一般的に受け入れられている標準です。

ニューラル ネットワーク、ディープ ラーニング、モノのインターネット (IoT) の出現により、人類が作成したデータの量は飛躍的に増加し始めました。 分析機関 IDC の推計によると、2025 年には 175 Z バイトであったにもかかわらず、1 年までに人間自身と周囲のデバイスの両方によって生成される情報量は 1021 ゼタバイト (2019 Z バイト = 45 バイト) に達すると予想されています。 、2016 年には 16 Z バイト、2006 年には、観測可能な履歴全体で生成されたデータの総量は 0,16 (!) Z バイトを超えませんでした。 最新のテクノロジーは情報爆発に対処するのに役立っており、特にデータ記録方法の改良がその一例です。

LMR、PMR、CMR、TDMR: 違いは何ですか?

ハードドライブの動作原理は非常に単純です。 強磁性材料（キュリー点以下の温度で外部磁場にさらされない場合でも磁化を維持できる結晶質物質）の層でコーティングされた薄い金属プレートは、書き込みヘッドユニットに対して高速で移動します（毎分5400回転またはもっと）。 書き込みヘッドに電流が印加されると、交番磁界が発生し、強磁性体のドメイン (物質の離散領域) の磁化ベクトルの方向が変わります。 データの読み取りは、電磁誘導現象 (センサーに対する磁区の移動により、センサー内に交流電流が発生します) または巨大磁気抵抗効果 (磁界の影響下で、電気的な電流が発生します) のいずれかによって発生します。最新のドライブに実装されているように、センサーの抵抗が変化します)。 各ドメインは 0 ビットの情報をエンコードし、磁化ベクトルの方向に応じて論理値「1」または「XNUMX」をとります。

長い間、ハード ドライブでは、磁区磁化ベクトルが磁気プレートの平面内にある長手方向磁気記録 (LMR) 方式が使用されていました。 実装が比較的簡単であるにもかかわらず、この技術には重大な欠点がありました。保磁力 (磁性粒子の単磁区状態への移行) を克服するには、磁性粒子と磁性粒子の間に印象的なバッファ ゾーン (いわゆるガード スペース) を残さなければなりませんでした。トラック。 その結果、この技術の最終的に達成された最大記録密度はわずか 150 Gbit/inch2 でした。

2010 年に、LMR はほぼ完全に PMR (垂直磁気記録) に置き換えられました。 この技術と面内磁気記録の主な違いは、各ドメインの磁気方向ベクトルが磁性板の表面に対して 90°の角度に配置されており、これによりトラック間のギャップが大幅に減少していることです。

これにより、ハードドライブの速度特性と信頼性を犠牲にすることなく、データ記録密度が大幅に向上しました (最新のデバイスでは最大 1 Tbit/in2)。 現在、垂直磁気記録が市場を支配しているため、CMR (Conventional Magnetic Recording) とも呼ばれます。 同時に、PMR と CMR にはまったく違いはなく、名前のバージョンが異なるだけであることを理解する必要があります。

最新のハードドライブの技術的特徴を研究していると、TDMR という謎の略語に遭遇するかもしれません。 特に、このテクノロジーはエンタープライズクラスのドライブで使用されます。 Western Digital ウルトラスター 500 シリーズ。 物理的な観点から見ると、TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording の略) は通常の PMR と何ら変わりはありません。以前と同様に、磁区が磁気面に垂直に配向された非交差トラックを扱います。プレート。 テクノロジー間の違いは、情報を読み取るアプローチにあります。

TDMR テクノロジーを使用して作成されたハードドライブの磁気ヘッドのブロックでは、各書き込みヘッドに XNUMX つの読み取りセンサーがあり、通過する各トラックからデータを同時に読み取ります。 この冗長性により、HDD コントローラは、トラック間干渉 (ITI) によって発生する電磁ノイズを効果的にフィルタリングできます。

ITI 問題を解決すると、次の XNUMX つの非常に重要な利点がもたらされます。

1. ノイズ係数を低減すると、トラック間の距離が短くなり記録密度が向上し、従来の PMR と比較して総容量が最大 10% 向上します。
2. RVS テクノロジーと XNUMX ポジション マイクロアクチュエータを組み合わせた TDMR は、ハードドライブによって引き起こされる回転振動に効果的に抵抗し、最も困難な動作条件でも一貫したレベルのパフォーマンスを達成するのに役立ちます。

SMRとは何ですか?何と一緒に食べますか?

書き込みヘッドのサイズは、読み取りセンサーのサイズと比較して約1,7倍大きくなります。 このような印象的な違いは非常に簡単に説明できます。記録モジュールがさらに小型化された場合、生成できる磁界の強さは強磁性層の磁区を磁化するのに十分ではありません。つまり、データは単純に磁化されてしまうのです。保管されないこと。 読み取りセンサーの場合はこの問題は発生しません。 さらに、その小型化により、情報読み取りプロセスに対する上記のITIの影響をさらに低減することが可能となる。

この事実がシングル磁気記録 (SMR) の基礎を形成しました。 それがどのように機能するかを見てみましょう。 従来の PMR を使用する場合、書き込みヘッドは、前の各トラックに対して、その幅 + ガード スペースの幅に等しい距離だけシフトされます。

タイル磁気記録方式を使用する場合、書き込みヘッドはその幅の一部だけを前方に移動するため、前のトラックは次のトラックによって部分的に上書きされます。つまり、磁気トラックは屋根瓦のように互いに重なり合います。 このアプローチにより、読み取りプロセスに影響を与えることなく、記録密度をさらに高めることができ、最大 10% の容量増加が可能になります。 例としては、 Western Digital ウルトラスター DC HC 650 - 世界初の SATA/SAS インターフェイスを備えた 3.5 インチ 20 TB ドライブ。新しい磁気記録技術のおかげでその登場が可能になりました。 したがって、SMR ディスクへの移行により、IT インフラストラクチャのアップグレードにかかるコストを最小限に抑えながら、同じラック内のデータ ストレージの密度を高めることができます。

このような大きな利点にもかかわらず、SMR には明らかな欠点もあります。 磁気トラックは互いに重なり合っているため、データを更新するには、必要なフラグメントだけでなく、磁気プラッター内の後続のすべてのトラックの再書き込みが必要になり、その容量は 2 テラバイトを超える場合があり、パフォーマンスの大幅な低下につながる可能性があります。

この問題は、一定数のトラックをゾーンと呼ばれる個別のグループに結合することで解決できます。 データ ストレージを整理するこのアプローチでは、HDD の全体的な容量が多少減少しますが (隣接するグループのトラックが上書きされるのを防ぐために、ゾーン間に十分なギャップを維持する必要があるため)、データの更新プロセスを大幅に高速化できます。限られた数のトラックのみが含まれます。

タイル磁気記録には、いくつかの実装オプションが含まれます。

• ドライブマネージド SMR

その主な利点は、HDD コントローラーがデータ記録手順を制御するため、ホスト ソフトウェアやハードウェアを変更する必要がないことです。 このようなドライブは、必要なインターフェイス (SATA または SAS) を備えた任意のシステムに接続でき、その後すぐに使用できるようになります。

このアプローチの欠点は、パフォーマンス レベルが異なるため、一貫したシステム パフォーマンスが重要なエンタープライズ アプリケーションには Drive Managed SMR が適さないことです。 ただし、このようなドライブは、バックグラウンドでのデータの最適化に十分な時間がかかるシナリオでは良好にパフォーマンスを発揮します。 たとえば、DMMSR ドライブ WDレッドは、小型 8 ベイ NAS の一部として使用するために最適化されており、バックアップの長期保存を必要とするアーカイブまたはバックアップ システムに最適です。

• ホスト管理の SMR

ホスト管理 SMR は、エンタープライズ環境で使用する場合に推奨されるタイル録画実装です。 この場合、ホスト システム自体がデータ フローと読み取り/書き込み操作の管理を担当します。これらの目的には、INCITS によって開発された ATA (ゾーン デバイス ATA コマンド セット、ZAC) および SCSI (ゾーン ブロック コマンド、ZBC) インターフェイス拡張が使用されます。 T10 および T13 委員会。

HMSMR を使用する場合、ドライブの利用可能なストレージ容量全体が XNUMX 種類のゾーンに分割されます。メタデータとランダム記録 (本質的にキャッシュの役割を果たす) の保存に使用される従来のゾーンと、必要なシーケンシャル書き込みゾーンです。ハードドライブの総容量の大部分は、データが厳密に順次に書き込まれる場所です。 アウトオブオーダーのデータはキャッシュ領域に保存され、そこから適切なシーケンシャル書き込み領域に転送できます。 これにより、すべての物理セクターが半径方向に順次書き込まれ、循環転送後にのみ再書き込みされることが保証され、安定した予測可能なシステム パフォーマンスが得られます。 同時に、HMSMR ドライブは、標準 PMR を使用するドライブと同じ方法でランダム読み取りコマンドをサポートします。

ホスト管理 SMR はエンタープライズクラスのハードドライブに実装されています Western Digital ウルトラスター HC DC 600 シリーズ.

この製品ラインには、ハイパースケール データ センターでの使用向けに設計された大容量 SATA および SAS ドライブが含まれます。 ホスト管理 SMR のサポートにより、このようなハード ドライブの適用範囲が大幅に拡大します。バックアップ システムに加えて、クラウド ストレージ、CDN、またはストリーミング プラットフォームにも最適です。 ハード ドライブの大容量により、最小限のアップグレード コストで (同じラック内で) ストレージ密度を大幅に向上させることができ、低消費電力 (保存情報 0,29 テラバイトあたり 5 ワット以下) と熱放散 (平均 XNUMX °C 低下) が実現します。アナログより) - データセンターのメンテナンスにかかる運用コストをさらに削減します。

HMSMR の唯一の欠点は、実装が比較的複雑であることです。 問題は、現在、このようなドライブをそのまま使用できるオペレーティング システムやアプリケーションは存在しないということです。そのため、IT インフラストラクチャに適応させるには、ソフトウェア スタックに対する大幅な変更が必要になります。 まず第一に、これはもちろん OS 自体に関するものですが、マルチコアおよびマルチソケットのサーバーを使用する現代のデータセンターの状況では、これはかなり簡単な作業ではありません。 専門リソースでホスト管理 SMR サポートを実装するためのオプションの詳細を確認できます。 ZonedStorage.io、ゾーン データ ストレージの問題に特化しています。 ここで収集された情報は、ゾーン ストレージ システムへの転送に対する IT インフラストラクチャの準備状況を事前に評価するのに役立ちます。

• ホスト アウェア SMR (ホスト アウェア SMR)

Host Aware SMR 対応デバイスは、ドライブ管理 SMR の利便性と柔軟性と、ホスト管理 SMR の高速書き込み速度を組み合わせています。 これらのドライブはレガシー ストレージ システムと下位互換性があり、ホストからの直接制御なしで動作できますが、この場合、DMMSR ドライブと同様にパフォーマンスが予測できなくなります。

ホスト管理 SMR と同様に、ホスト認識 SMR は、ランダム書き込み用の従来のゾーンとシーケンシャル書き込み優先ゾーンの XNUMX 種類のゾーンを使用します。 後者は、上記の逐次書き込み必須ゾーンとは対照的に、データの記録が順番どおりに行われ始めると、自動的に通常のゾーンのカテゴリに格下げされます。

SMR のホスト認識実装は、不整合な書き込みから回復するための内部メカニズムを提供します。 順不同のデータはキャッシュ領域に書き込まれ、必要なブロックがすべて受信された後、ディスクはそこから情報をシーケンシャル書き込み領域に転送できます。 ディスクは、間接テーブルを使用して、アウトオブオーダー書き込みとバックグラウンドでの最適化を管理します。 ただし、エンタープライズ アプリケーションが予測可能で最適化されたパフォーマンスを必要とする場合、これはホストがすべてのデータ フローと記録ゾーンを完全に制御する場合にのみ達成できます。

出所： habr.com