ProHoster > Blogs > Administrācija > HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
Pasaulē pirmais cietais disks IBM RAMAC 305, kas tika izlaists 1956. gadā, saturēja tikai 5 MB datu, svēra 970 kg un pēc izmēra bija salÄ«dzināms ar rÅ«pniecisko ledusskapi. MÅ«sdienu korporatÄ«vie flagmaņi var lepoties ar jaudu jau 20 TB. Iedomājieties: pirms 64 gadiem, lai ierakstÄ«tu Ŕādu informācijas apjomu, bÅ«tu nepiecieÅ”ami vairāk nekā 4 miljoni RAMAC 305, un to izvietoÅ”anai nepiecieÅ”amā datu centra izmērs bÅ«tu pārsniedzis 9 kvadrātkilometrus, savukārt mÅ«sdienās kaste sver aptuveni 700 gramus! Daudzos veidos Å”is neticamais uzglabāŔanas blÄ«vuma pieaugums ir panākts, pateicoties magnētiskās ierakstÄ«Å”anas metožu uzlaboÅ”anai.
GrÅ«ti noticēt, taču bÅ«tÄ«bā cieto disku dizains nav mainÄ«jies gandrÄ«z 40 gadus, kopÅ” 1983. gada: tieÅ”i tad gaismu ieraudzÄ«ja pirmais 3,5 collu cietais disks RO351, ko izstrādāja skotu kompānija Rodime. Å is mazulis saņēma divas magnētiskās plāksnes pa 10 MB katra, tas ir, tajā varēja ievietot divreiz vairāk datu nekā atjauninātajā 412 collu ST-5,25, ko Seagate tajā paŔā gadā izlaida IBM 5160 personālajiem datoriem.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
Rodime RO351 - pasaulē pirmais 3,5 collu cietais disks

Neskatoties uz novatoriskumu un kompakto izmēru, RO351 izlaiÅ”anas laikā tas gandrÄ«z nevienam nebija vajadzÄ«gs, un visi turpmākie Rodime mēģinājumi nostiprināties cieto disku tirgÅ« cieta neveiksmi, tāpēc uzņēmums bija spiests pārtraukt darbÄ«bu. 1991. gadā, pārdodot gandrÄ«z visus esoÅ”os aktÄ«vus un samazinot stāvokli lÄ«dz minimumam. Tomēr Rodimei nebija lemts bankrotēt: drÄ«z pie viņas sāka vērsties lielākie cieto disku ražotāji, vēloties iegÅ«t licenci skotu patentētā formas faktora izmantoÅ”anai. 3,5" tagad ir nozares standarts gan patērētāju, gan uzņēmumu HDD.

LÄ«dz ar neironu tÄ«klu, dziļās mācÄ«Å”anās un lietu interneta (IoT) parādÄ«Å”anos cilvēces radÄ«to datu apjoms ir sācis augt kā lavÄ«na. Pēc analÄ«tiskās aÄ£entÅ«ras IDC aplēsēm, lÄ«dz 2025. gadam gan paÅ”u cilvēku, gan apkārtējo ierīču Ä£enerētās informācijas apjoms sasniegs 175 zetabaitus (1 Zbaits = 1021 baits), un tas neskatoties uz to, ka 2019. gadā tas bija 45 Zbaiti, 2016. gadā - 16 Zbaiti, un vēl 2006. gadā kopējais saražoto datu apjoms visā paredzamajā vēsturē nepārsniedza 0,16 (!) Zbaitus. MÅ«sdienu tehnoloÄ£ijas palÄ«dz tikt galā ar informācijas sprādzienu, starp kurām uzlabotās datu ierakstÄ«Å”anas metodes nav pēdējās.

LMR, PMR, CMR un TDMR: kāda ir atŔķirība?

Cieto disku darbÄ«bas princips ir diezgan vienkārÅ”s. Plānas metāla plāksnes, kas pārklātas ar feromagnētiska materiāla slāni (kristāliska viela, kas var palikt magnetizēta pat tad, ja nav ārēja magnētiskā lauka temperatÅ«rā, kas zemāka par KirÄ« punktu), pārvietojas attiecÄ«bā pret ierakstÄ«Å”anas galviņu bloku lielā ātrumā (5400 apgr./min. vairāk). Kad rakstÄ«Å”anas galviņai tiek pievadÄ«ta elektriskā strāva, rodas mainÄ«gs magnētiskais lauks, kas maina feromagnēta domēnu (matērijas diskrēto reÄ£ionu) magnetizācijas vektora virzienu. Datu nolasÄ«Å”ana notiek vai nu elektromagnētiskās indukcijas fenomena dēļ (domēnu kustÄ«ba attiecÄ«bā pret sensoru izraisa tajā mainÄ«gas elektriskās strāvas raÅ”anos), vai arÄ« milzu magnetorezistÄ«vā efekta dēļ (sensora elektriskā pretestÄ«ba mainās zem sensora). magnētiskā lauka ietekme), kā tas ir ieviests mÅ«sdienu datu glabāŔanas ierÄ«cēs. Katrs domēns kodē vienu informācijas bitu, ņemot loÄ£isko vērtÄ«bu "0" vai "1" atkarÄ«bā no magnetizācijas vektora virziena.

Ilgu laiku cietie diski izmantoja garenvirziena magnētiskās ierakstÄ«Å”anas (LMR) metodi, kurā domēna magnetizācijas vektors atradās magnētiskās plāksnes plaknē. Neraugoties uz relatÄ«vo ievieÅ”anas vieglumu, Å”ai tehnoloÄ£ijai bija bÅ«tisks trÅ«kums: lai pārvarētu koercivitāti (magnētisko daļiņu pāreju uz viena domēna stāvokli), starp tām bija jāatstāj iespaidÄ«ga buferzona (tā sauktā aizsargtelpa). dziesmas. Rezultātā maksimālais ierakstÄ«Å”anas blÄ«vums, kas tika sasniegts Ŕīs tehnoloÄ£ijas beigās, bija tikai 150 Gb/in2.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
2010. gadā LMR gandrÄ«z pilnÄ«bā nomainÄ«ja PMR (Perpendicular Magnetic Recording ā€“ perpendicular Magnetic Recording). Galvenā atŔķirÄ«ba starp Å”o tehnoloÄ£iju un garenisko magnētisko ierakstu ir tāda, ka katra domēna magnētiskās virzÄ«bas vektors atrodas 90Ā° leņķī pret magnētiskās plāksnes virsmu, kas ļāva bÅ«tiski samazināt atstarpi starp sliežu ceļiem.

Pateicoties tam, ir ievērojami palielināts datu ierakstÄ«Å”anas blÄ«vums (lÄ«dz 1 Tbit / collas2 mÅ«sdienu ierÄ«cēs), vienlaikus nezaudējot cieto disku ātruma Ä«paŔības un uzticamÄ«bu. Å obrÄ«d tirgÅ« dominē perpendikulārais magnētiskais ieraksts, tāpēc to mēdz dēvēt arÄ« par CMR (Conventional Magnetic Recording ā€“ konvencionālais magnētiskais ieraksts). Tajā paŔā laikā ir jāsaprot, ka starp PMR un CMR nav absolÅ«ti nekādas atŔķirÄ«bas - Ŕī ir tikai cita nosaukuma versija.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
AplÅ«kojot mÅ«sdienu cieto disku specifikācijas, jÅ«s varat saskarties arÄ« ar noslēpumainu saÄ«sinājumu TDMR. Jo Ä«paÅ”i Å”o tehnoloÄ£iju izmanto uzņēmuma klases diskdziņi Western Digital Ultrastar 500 sērija. No fizikas viedokļa TDMR (kas apzÄ«mē divu dimensiju magnētisko ierakstu - divdimensiju magnētisko ierakstu) neatŔķiras no parastā PMR: tāpat kā iepriekÅ”, mums ir darÄ«Å”ana ar nekrustojas trasēm, kuru domēni ir orientēti perpendikulāri. lÄ«dz magnētisko plākŔņu plaknei. AtŔķirÄ«ba starp tehnoloÄ£ijām slēpjas pieejā informācijas lasÄ«Å”anai.

Cieto disku magnētisko galviņu blokā, kas izveidots, izmantojot TDMR tehnoloÄ£iju, katrai ierakstÄ«Å”anas galviņai ir divi nolasÄ«Å”anas sensori, kas vienlaikus nolasa datus no katra garām celiņa. Å Ä« dublÄ“Å”ana ļauj HDD kontrollerim efektÄ«vi filtrēt elektromagnētiskos trokŔņus, ko izraisa Intertrack Interference (ITI).

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
Problēmas risināŔana ar ITI sniedz divas ārkārtÄ«gi svarÄ«gas priekÅ”rocÄ«bas:

  1. trokŔņu faktora samazināŔana ļauj palielināt ieraksta blÄ«vumu, samazinot attālumu starp celiņiem, nodroÅ”inot kopējās kapacitātes pieaugumu lÄ«dz 10% salÄ«dzinājumā ar parasto PMR;
  2. Apvienojumā ar RVS tehnoloģiju un trīs pozīciju mikro izpildmehānismu, TDMR efektīvi pretojas rotācijas vibrācijām, ko rada cietie diski, palīdzot sasniegt nemainīgu veiktspējas līmeni pat visprasīgākajā vidē.

Kas ir SMR un ar ko to ēd?

RakstÄ«Å”anas galviņas izmēri ir aptuveni 1,7 reizes lielāki par lasÄ«Å”anas sensora izmēriem. Šāda iespaidÄ«ga atŔķirÄ«ba ir izskaidrojama pavisam vienkārÅ”i: ja ierakstÄ«Å”anas modulis tiks padarÄ«ts vēl miniatÅ«rāks, tā radÄ«tā magnētiskā lauka stiprums nebÅ«s pietiekams, lai magnetizētu feromagnētiskā slāņa domēnus, kas nozÄ«mē, ka dati vienkārÅ”i netiks. jāuzglabā. LasÄ«Å”anas sensora gadÄ«jumā Ŕī problēma nerodas. Turklāt tā miniaturizācija ļauj vēl vairāk samazināt iepriekÅ” minētā ITI ietekmi uz informācijas lasÄ«Å”anas procesu.

Å is fakts veidoja flīžu magnētiskā ieraksta (Shingled Magnetic Recording, SMR) pamatu. SapratÄ«sim, kā tas darbojas. Izmantojot tradicionālo PMR, rakstÄ«Å”anas galviņa tiek nobÄ«dÄ«ta attiecÄ«bā pret katru iepriekŔējo celiņu par attālumu, kas vienāds ar tās platumu + aizsargtelpas (aizsardzÄ«bas telpas) platumu.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
Izmantojot magnētiskā ieraksta dakstiņu metodi, ierakstÄ«Å”anas galviņa virzās uz priekÅ”u tikai daļu no tās platuma, tāpēc katrs iepriekŔējais celiņŔ tiek daļēji pārrakstÄ«ts ar nākamo: magnētiskie celiņi pārklājas viens ar otru kā jumta dakstiņi. Å Ä« pieeja ļauj vēl vairāk palielināt ierakstÄ«Å”anas blÄ«vumu, nodroÅ”inot jaudas pieaugumu lÄ«dz 10%, vienlaikus neietekmējot nolasÄ«Å”anas procesu. Piemērs ir Western Digital Ultrastar DC HC 650 ā€” pasaulē pirmie 3.5 collu 20 TB diskdziņi ar SATA/SAS interfeisu, kuru izskats bija iespējams, pateicoties jaunajai magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijai. Tādējādi pāreja uz SMR diskiem ļauj palielināt datu uzglabāŔanas blÄ«vumu tajos paÅ”os plauktos ar minimālām izmaksām IT infrastruktÅ«ras jaunināŔanai.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
Neskatoties uz tik ievērojamu priekÅ”rocÄ«bu, SMR ir acÄ«mredzams trÅ«kums. Tā kā magnētiskie celiņi pārklājas viens ar otru, atjauninot datus, magnētiskajā ŔķīvÄ« bÅ«s jāpārraksta ne tikai nepiecieÅ”amais fragments, bet arÄ« visi nākamie celiņi, kuru apjoms var pārsniegt 2 terabaitus, kas ir pilns ar nopietnu kritumu. izpildÄ«jumā.

Noteikta skaita celiņu apvienoÅ”ana atseviŔķās grupās, ko sauc par zonām, palÄ«dz atrisināt Å”o problēmu. Lai gan Ŕāda pieeja datu glabāŔanai nedaudz samazina kopējo HDD ietilpÄ«bu (jo ir jāsaglabā pietiekami daudz atstarpes starp zonām, lai novērstu blakus grupu ierakstu pārrakstÄ«Å”anu), tas var ievērojami paātrināt datu atjaunināŔanas procesu, jo tagad tikai ierobežots celiņu skaits tajā piedalÄ«ties.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
Flīžu magnētiskā ierakstÄ«Å”ana ietver vairākas ievieÅ”anas iespējas:

  • Diska pārvaldÄ«ts SMR (Drive Managed SMR)

Tās galvenā priekÅ”rocÄ«ba ir tā, ka nav nepiecieÅ”ams modificēt resursdatora programmatÅ«ru un/vai aparatÅ«ru, jo HDD kontrolleris pārņem datu ierakstÄ«Å”anas procedÅ«ras kontroli. Šādus diskus var pieslēgt jebkurai sistēmai, kurai ir nepiecieÅ”amais interfeiss (SATA vai SAS), pēc kura disks bÅ«s uzreiz gatavs lietoÅ”anai.

Å Ä«s pieejas trÅ«kums ir veiktspējas mainÄ«gums, kas padara Drive Managed SMR nepiemērotu uzņēmuma lietojumprogrammām, kur sistēmas veiktspējas konsekvence ir kritiska. Tomēr Ŕādi diski darbojas labi scenārijos, kas nodroÅ”ina pietiekamu laiku fona datu defragmentÄ“Å”anas pabeigÅ”anai. Tā, piemēram, DMSMR diskdziņi WD RedOptimizēta lietoÅ”anai mazā 8 nodalÄ«jumu NAS, tā ir lieliska izvēle arhivÄ“Å”anas vai dublÄ“Å”anas sistēmai, kurai nepiecieÅ”ama ilgstoÅ”a dublējuma glabāŔana.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i

  • Host Managed SMR (Host Managed SMR)

Host Managed SMR ir vispiemērotākā flÄ«zes ievieÅ”ana uzņēmuma lietoÅ”anai. Å ajā gadÄ«jumā resursdatora sistēma pati ir atbildÄ«ga par datu plÅ«smu pārvaldÄ«bu un lasÄ«Å”anas/rakstÄ«Å”anas operācijām, Å”im nolÅ«kam izmantojot ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) un SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) saskarņu paplaÅ”inājumus, ko izstrādājusi kompānija. INCITS T10 un T13 komitejas.

Izmantojot HMSMR, visa pieejamā krātuves ietilpÄ«ba tiek sadalÄ«ta divu veidu zonās: parastās zonas (parastās zonas), kuras tiek izmantotas metadatu un patvaļīgas ierakstÄ«Å”anas glabāŔanai (patiesÄ«bā tās spēlē keÅ”atmiņas lomu), un secÄ«gās rakstÄ«Å”anas zonas. (secÄ«gās rakstÄ«Å”anas zonas), kas aizņem lielu daļu no kopējās cietā diska ietilpÄ«bas, kurās dati tiek ierakstÄ«ti stingri secÄ«gi. Nesakārtoti dati tiek glabāti keÅ”atmiņas apgabalā, no kurienes tos pēc tam var pārsÅ«tÄ«t uz atbilstoÅ”o secÄ«gās rakstÄ«Å”anas zonu. Sakarā ar to visi fiziskie sektori tiek rakstÄ«ti secÄ«gi radiālā virzienā un tiek pārrakstÄ«ti tikai pēc aptÄ«Å”anas, kas ļauj sasniegt stabilu un paredzamu sistēmas darbÄ«bu. Tajā paŔā laikā HMSMR diskdziņi atbalsta nejauÅ”as lasÄ«Å”anas komandas, kas ir lÄ«dzÄ«gas diskdziņiem, kas izmanto standarta PMR.

Host Managed SMR, kas ieviests uzņēmuma klases cietajos diskos Western Digital Ultrastar HC DC 600 sērija.

HDD magnētiskās ierakstÄ«Å”anas tehnoloÄ£ijas: sarežģīti vienkārÅ”i
LÄ«nijā ir iekļauti lielas ietilpÄ«bas SATA un SAS diskdziņi, kas paredzēti izmantoÅ”anai hipermēroga datu centros. Host Managed SMR atbalsts ievērojami paplaÅ”ina Ŕādu cieto disku darbÄ«bas jomu: papildus rezerves sistēmām tie ir lieliski piemēroti mākoņkrātuvei, CDN vai straumÄ“Å”anas platformām. Cieto disku lielā ietilpÄ«ba ļauj ievērojami palielināt uzglabāŔanas blÄ«vumu (vienos paÅ”os plauktos) ar minimālām jaunināŔanas izmaksām un zemu enerÄ£ijas patēriņu (mazāk nekā 0,29 vati uz terabaitu saglabātās informācijas) un siltuma izkliedi (vidēji par 5 Ā° C zemāks nekā analogi) ā€” vēl vairāk samazina datu centra uzturÄ“Å”anas izmaksas.

VienÄ«gais HMSMR trÅ«kums ir salÄ«dzinoŔā ievieÅ”anas sarežģītÄ«ba. Lieta tāda, ka mÅ«sdienās ar Ŕādiem diskdziņiem no kastes nevar strādāt neviena operētājsistēma vai lietojumprogramma, tāpēc IT infrastruktÅ«ras pielāgoÅ”anai nepiecieÅ”amas lielas izmaiņas programmatÅ«ras stekā. Pirmkārt, tas, protams, attiecas uz paÅ”u OS, kas mÅ«sdienu datu centru apstākļos, kuros izmanto daudzkodolu un daudzligzdu serverus, ir diezgan nenozÄ«mÄ«gs uzdevums. Varat uzzināt vairāk par resursdatora pārvaldÄ«tā SMR atbalsta ievieÅ”anas iespējām specializētā resursā. ZonedStorage.ioveltÄ«ta zonālās datu uzglabāŔanas jautājumiem. Å eit apkopotā informācija palÄ«dzēs Jums provizoriski novērtēt JÅ«su IT infrastruktÅ«ras gatavÄ«bu pārejai uz zonētām uzglabāŔanas sistēmām.

  • Host Aware SMR (SMR atbalsta saimniekdators)

Host Aware SMR iespējotās ierÄ«ces apvieno Drive Managed SMR ērtÄ«bas un elastÄ«bu ar Host Managed SMR ātro ierakstÄ«Å”anas ātrumu. Šādi diskdziņi ir atpakaļsaderÄ«gi ar mantotajām uzglabāŔanas sistēmām un var darboties bez tieÅ”as vadÄ«bas no resursdatora, taču Å”ajā gadÄ«jumā, tāpat kā ar DMSMR diskdziņiem, to veiktspēja kļūst neparedzama.

Tāpat kā Host Managed SMR, Host Aware SMR izmanto divu veidu zonas: parastās zonas nejauÅ”ai rakstÄ«Å”anai un Sequential Write Preferred Zones (zonas, kas ieteicamas secÄ«gai ierakstÄ«Å”anai). Pēdējās, atŔķirÄ«bā no iepriekÅ” minētajām secÄ«gās rakstÄ«Å”anas obligātajām zonām, tiek automātiski pārceltas uz parasto kategoriju, ja tās sāk rakstÄ«t datus nesakārtotā veidā.

SMR resursdatora ievieÅ”ana nodroÅ”ina iekŔējos mehānismus, lai atgÅ«tu no nekonsekventiem rakstiem. NejauÅ”i dati tiek ierakstÄ«ti keÅ”atmiņas zonā, no kuras disks var pārsÅ«tÄ«t informāciju uz secÄ«gās rakstÄ«Å”anas zonu pēc visu nepiecieÅ”amo bloku saņemÅ”anas. Disks izmanto netieÅ”o tabulu, lai pārvaldÄ«tu secÄ«bas rakstÄ«Å”anu un fona defragmentÄ“Å”anu. Tomēr, ja uzņēmuma lietojumprogrammām ir nepiecieÅ”ama paredzama un optimizēta veiktspēja, to joprojām var sasniegt tikai tad, ja resursdators pilnÄ«bā pārņem visas datu plÅ«smas un rakstÄ«Å”anas zonas.

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru