HDD 자기 기록 기술: 복잡한 것보다 단순한 것

305년에 출시된 세계 최초의 하드 드라이브인 IBM RAMAC 1956는 데이터가 5MB에 불과했고 무게는 970kg으로 산업용 냉장고와 비슷한 크기였습니다. 최신 기업 플래그십은 이미 20TB의 용량을 자랑할 수 있습니다. 상상해 보십시오. 64년 전에는 이러한 양의 정보를 기록하려면 RAMAC 4가 305백만 개 이상 필요했고 이를 수용하는 데 필요한 데이터 센터의 크기는 9제곱 킬로미터를 초과했을 것입니다. 약 700g의 상자! 여러 면에서 자기 기록 방법의 개선 덕분에 저장 밀도의 놀라운 증가가 달성되었습니다.
믿기 ​​어렵지만 근본적으로 하드 드라이브의 디자인은 40년 이후 거의 1983년 동안 변하지 않았습니다. 당시 스코틀랜드 회사인 Rodime에서 개발한 최초의 3,5인치 하드 드라이브 RO351이 빛을 보았습니다. 이 아기는 각각 10MB의 두 개의 자기판을 받았습니다. 즉, 같은 해에 IBM 412 개인용 컴퓨터용으로 Seagate가 출시한 업데이트된 5,25인치 ST-5160보다 두 배 많은 데이터를 저장할 수 있었습니다.

Rodime RO351 - 세계 최초의 3,5인치 하드 드라이브

혁신성과 작은 크기에도 불구하고 RO351 출시 당시에는 거의 아무도 필요하지 않았으며 하드 드라이브 시장에서 발판을 마련하려는 Rodime의 추가 시도는 모두 실패하여 회사가 운영을 중단해야 했습니다. 1991년에 거의 모든 기존 자산을 매각하고 상태를 최소한으로 줄였습니다. 그러나 Rodime은 파산 할 운명이 아니 었습니다. 곧 가장 큰 하드 드라이브 제조업체가 Scots가 특허 한 폼 팩터를 사용할 수있는 라이센스를 얻기 위해 그녀에게 의지하기 시작했습니다. 3,5"는 이제 소비자 및 엔터프라이즈 HDD 모두에 대한 업계 표준입니다.

신경망, 딥러닝, 사물인터넷(IoT)의 등장으로 인류가 만들어내는 데이터의 양은 눈사태처럼 불어나기 시작했다. 분석 기관 IDC의 추정에 따르면 2025년까지 사람 자신과 주변 기기에서 생성되는 정보의 양은 175제타바이트(1Zbyte = 1021바이트)에 이를 것이며, 이는 2019년에는 45바이트였음에도 불구하고 이 수치입니다. Zbytes, 2016년 - 16 Zbytes, 그리고 2006년에는 예측 가능한 전체 역사에서 생성된 총 데이터 양이 0,16(!) Zbytes를 초과하지 않았습니다. 현대 기술은 정보 폭발에 대처하는 데 도움이 되며, 그 중 개선된 데이터 기록 방법이 마지막은 아닙니다.

LMR, PMR, CMR 및 TDMR: 차이점은 무엇입니까?

하드 드라이브의 작동 원리는 매우 간단합니다. 강자성체(퀴리점 이하의 온도에서 외부 자기장이 없어도 자화된 상태를 유지할 수 있는 결정질 물질) 층으로 코팅된 얇은 금속판은 기록 헤드 블록에 대해 고속(5400rpm 또는 더). 쓰기 헤드에 전류가 가해지면 교류 자기장이 발생하여 강자성체 도메인(물질의 개별 영역)의 자화 벡터 방향을 변경합니다. 데이터 판독은 전자기 유도 현상(센서에 대한 도메인의 이동으로 인해 후자에서 교류 전류가 발생함) 또는 거대 자기 저항 효과(센서의 전기 저항이 자기장의 영향), 최신 저장 장치에서 구현됩니다. 각 도메인은 자화 벡터의 방향에 따라 논리값 "0" 또는 "1"을 사용하여 XNUMX비트의 정보를 인코딩합니다.

오랫동안 하드 드라이브는 도메인 자화 벡터가 자기 플래터의 평면에 놓이는 종방향 자기 기록(LMR) 방법을 사용했습니다. 상대적으로 구현이 용이함에도 불구하고 이 기술에는 상당한 단점이 있었습니다. 보자력(자성 입자가 단일 도메인 상태로 전환)을 극복하기 위해 인상적인 버퍼 영역(소위 보호 공간)이 사이에 남아 있어야 했습니다. 트랙. 그 결과 이 ​​기술이 끝날 때 달성한 최대 기록 밀도는 150Gb/in2에 불과했습니다.

2010년에 LMR은 거의 완전히 PMR(Perpendicular Magnetic Recording - 수직 자기 기록)로 대체되었습니다. 이 기술과 세로 자기 기록의 주요 차이점은 각 도메인의 자기 지향성 벡터가 자기 플레이트 표면에 대해 90° 각도로 위치하여 트랙 사이의 간격을 크게 줄일 수 있다는 것입니다.

이로 인해 하드 드라이브의 속도 특성과 안정성을 희생하지 않으면서 데이터 기록 밀도가 크게 증가했습니다(최신 장치의 경우 최대 1Tbit/inch2). 현재 수직 자기 기록 방식이 시장을 지배하고 있으며, 이 때문에 CMR(Conventional Magnetic Recording - 기존 자기 기록 방식)이라고도 합니다. 동시에 PMR과 CMR 사이에는 전혀 차이가 없다는 것을 이해해야 합니다. 이것은 이름의 다른 버전일 뿐입니다.

최신 하드 드라이브의 사양을 살펴보면 TDMR이라는 비밀스러운 약어를 접할 수도 있습니다. 특히 이 기술은 엔터프라이즈급 드라이브에서 사용됩니다. 웨스턴 디지털 울트라스타 500 시리즈. 물리학의 관점에서 볼 때 TDMR(Two Dimensional Magnetic Recording - XNUMX차원 자기 기록을 의미함)은 일반적인 PMR과 다르지 않습니다. 자기 플레이트의 평면에. 기술 간의 차이는 정보를 읽는 접근 방식에 있습니다.

TDMR 기술을 사용하여 생성된 하드 드라이브의 자기 헤드 블록에서 각 기록 헤드에는 전달된 각 트랙에서 동시에 데이터를 읽는 두 개의 판독 센서가 있습니다. 이러한 이중화를 통해 HDD 컨트롤러는 ITI(Intertrack Interference)로 인해 발생하는 전자기 노이즈를 효과적으로 필터링할 수 있습니다.

ITI로 문제를 해결하면 두 가지 매우 중요한 이점이 있습니다.

1. 잡음 요인의 감소는 트랙 사이의 거리를 줄임으로써 기록 밀도를 증가시켜 기존 PMR에 비해 총 용량을 최대 10%까지 증가시킵니다.
2. RVS 기술 및 XNUMX위치 마이크로 액추에이터와 결합된 TDMR은 하드 드라이브로 인한 회전 진동에 효과적으로 저항하여 가장 까다로운 환경에서도 일관된 수준의 성능을 달성하도록 돕습니다.

SMR이란 무엇이며 무엇과 함께 먹나요?

쓰기 헤드의 크기는 읽기 센서의 크기보다 약 1,7배 더 큽니다. 이러한 인상적인 차이점은 매우 간단하게 설명됩니다. 기록 모듈을 더욱 소형화하면 생성할 수 있는 자기장의 강도가 강자성층의 도메인을 자화하기에 충분하지 않습니다. 저장됩니다. 리딩 센서의 경우 이런 문제가 발생하지 않는다. 또한 소형화로 인해 위에서 언급한 ITI가 정보를 읽는 과정에 미치는 영향을 더욱 줄일 수 있습니다.

이 사실은 타일 자기 기록(Shingled Magnetic Recording, SMR)의 기초를 형성했습니다. 그것이 어떻게 작동하는지 이해합시다. 전통적인 PMR을 사용할 때 쓰기 헤드는 각 이전 트랙에 대해 폭 + 보호 공간(가드 공간)의 폭과 동일한 거리만큼 이동합니다.

타일식 자기 기록 방식을 사용하면 기록 헤드가 너비의 일부만 앞으로 이동하므로 각 이전 트랙이 다음 트랙으로 부분적으로 덮어쓰여집니다. 자기 트랙은 지붕 타일처럼 서로 겹칩니다. 이 접근 방식을 통해 기록 밀도를 더욱 높일 수 있어 판독 프로세스에 영향을 미치지 않으면서 최대 10%의 용량 이득을 제공합니다. 예를 들면 웨스턴 디지털 울트라스타 DC HC 650 — SATA/SAS 인터페이스를 갖춘 세계 최초의 3.5인치 20TB 드라이브로, 새로운 자기 기록 기술 덕분에 가능해졌습니다. 따라서 SMR 디스크로의 전환을 통해 IT 인프라 업그레이드를 위한 최소 비용으로 동일한 랙의 데이터 스토리지 밀도를 높일 수 있습니다.

이러한 상당한 이점에도 불구하고 SMR에는 분명한 단점이 있습니다. 마그네틱 트랙이 서로 겹치기 때문에 데이터를 업데이트할 때 필요한 조각뿐만 아니라 볼륨이 2테라바이트를 초과할 수 있는 마그네틱 플래터 내의 모든 후속 트랙을 다시 작성해야 하며 이는 심각한 드롭으로 가득 차 있습니다. 성능에.

특정 수의 트랙을 영역이라는 별도의 그룹으로 결합하면 이 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 데이터 스토리지를 구성하는 이 접근 방식은 HDD의 전체 용량을 다소 감소시키지만(인접한 그룹의 트랙을 덮어쓰지 않도록 영역 간에 충분한 간격을 유지해야 하므로) 이렇게 하면 데이터 업데이트 프로세스의 속도를 크게 높일 수 있습니다. 많은 트랙이 참여합니다.

타일식 자기 기록에는 다음과 같은 몇 가지 구현 옵션이 포함됩니다.

• 드라이브 관리형 SMR(드라이브 관리형 SMR)

주요 이점은 HDD 컨트롤러가 데이터 기록 절차를 제어하기 때문에 호스트의 소프트웨어 및/또는 하드웨어를 수정할 필요가 없다는 것입니다. 이러한 드라이브는 필요한 인터페이스(SATA 또는 SAS)가 있는 모든 시스템에 연결할 수 있으며, 그 후에 드라이브를 즉시 사용할 수 있습니다.

이 접근 방식의 단점은 시스템 성능 일관성이 중요한 엔터프라이즈 응용 프로그램에 Drive Managed SMR을 부적합하게 만드는 성능 가변성입니다. 그러나 이러한 디스크는 백그라운드 데이터 조각 모음을 완료하는 데 충분한 시간을 허용하는 시나리오에서 잘 작동합니다. 예를 들어 DMSMR 드라이브 WD 레드소형 8베이 NAS에 최적화되어 있어 장기간 백업 스토리지가 필요한 아카이빙 또는 백업 시스템에 탁월한 선택입니다.

• 호스트 관리형 SMR(호스트 관리형 SMR)

호스트 관리형 SMR은 기업용으로 가장 선호되는 타일 구현입니다. 이 경우 호스트 시스템 자체는 데이터 흐름 및 읽기/쓰기 작업 관리를 담당하며 이러한 목적을 위해 에서 개발한 ATA(Zoned Device ATA Command Set, ZAC) 및 SCSI(Zoned Block Commands, ZBC) 인터페이스의 확장을 사용합니다. INCITS T10 및 T13 위원회.

HMSMR을 사용할 때 사용 가능한 전체 저장 용량은 두 가지 유형의 영역으로 나뉩니다. 메타 데이터 및 임의 기록을 저장하는 데 사용되는 Conventional Zone(일반 영역)(실제로는 캐시 역할)과 Sequential Write Required Zone (순차 쓰기 영역), 데이터가 엄격하게 순차적으로 기록되는 하드 디스크 전체 용량의 많은 부분을 차지합니다. 순서가 지정되지 않은 데이터는 캐시 영역에 저장되어 해당 순차 쓰기 영역으로 전송될 수 있습니다. 이로 인해 모든 물리적 섹터는 방사형 방향으로 순차적으로 기록되고 랩어라운드 후에만 덮어쓰기되므로 안정적이고 예측 가능한 시스템 성능을 얻을 수 있습니다. 동시에 HMSMR 드라이브는 표준 PMR을 사용하는 드라이브와 유사한 임의 읽기 명령을 지원합니다.

엔터프라이즈급 하드 드라이브에 구현된 호스트 관리형 SMR 웨스턴 디지털 울트라스타 HC DC 600 시리즈.

이 제품군에는 하이퍼스케일 데이터 센터에서 사용하도록 설계된 고용량 SATA 및 SAS 드라이브가 포함됩니다. 호스트 관리형 SMR에 대한 지원은 이러한 하드 드라이브의 범위를 크게 확장합니다. 백업 시스템 외에도 클라우드 스토리지, CDN 또는 스트리밍 플랫폼에 적합합니다. 대용량 하드 드라이브를 사용하면 최소한의 업그레이드 비용과 낮은 전력 소비(저장된 정보의 테라바이트당 0,29와트 미만) 및 열 방출(평균 5°C 낮은 아날로그) — 데이터 센터 유지 관리 비용을 추가로 절감합니다.

HMSMR의 유일한 단점은 구현이 상대적으로 복잡하다는 것입니다. 문제는 오늘날 단일 운영 체제나 응용 프로그램이 이러한 드라이브와 즉시 작동할 수 없다는 것입니다. 이것이 바로 IT 인프라를 적응시키기 위해 소프트웨어 스택의 주요 변경이 필요한 이유입니다. 우선, 이것은 물론 멀티 코어 및 멀티 소켓 서버를 사용하는 최신 데이터 센터의 조건에서 다소 사소한 작업인 OS 자체에 관한 것입니다. 전문 리소스에서 호스트 관리 SMR에 대한 지원을 구현하기 위한 옵션에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. ZonedStorage.io영역 데이터 스토리지 문제에 전념합니다. 여기에서 수집된 정보는 영역화된 스토리지 시스템으로 전환하기 위한 IT 인프라의 준비 상태를 사전에 평가하는 데 도움이 됩니다.

• 호스트 인식 SMR(호스트에서 지원하는 SMR)

Host Aware SMR 지원 장치는 Drive Managed SMR의 편리함과 유연성을 Host Managed SMR의 빠른 기록 속도와 결합합니다. 이러한 드라이브는 레거시 스토리지 시스템과 호환되며 호스트에서 직접 제어하지 않고도 작동할 수 있지만 이 경우 DMSMR 드라이브와 마찬가지로 성능을 예측할 수 없게 됩니다.

호스트 관리형 SMR과 마찬가지로 호스트 인식 SMR은 두 가지 유형의 영역, 즉 임의 쓰기를 위한 기존 영역과 순차 쓰기 선호 영역(순차 기록에 선호되는 영역)을 사용합니다. 후자는 위에서 언급한 순차 쓰기 필요 영역과 달리 순서 없이 데이터를 쓰기 시작하면 자동으로 일반 범주로 전환됩니다.

SMR의 호스트 인식 구현은 일관성 없는 쓰기로부터 복구하기 위한 내부 메커니즘을 제공합니다. 무작위 데이터는 필요한 모든 블록을 수신한 후 디스크가 순차 쓰기 영역으로 정보를 전송할 수 있는 캐시 영역에 기록됩니다. 드라이브는 indirection 테이블을 사용하여 inorder 쓰기 및 백그라운드 조각 모음을 관리합니다. 그러나 예측 가능하고 최적화된 성능이 엔터프라이즈 애플리케이션에 필요한 경우 호스트가 모든 데이터 흐름과 쓰기 영역을 완전히 제어할 때만 여전히 달성할 수 있습니다.

출처 : habr.com