Технологии за магнетно снимање на HDD: едноставно за сложеноста

Првиот хард диск во светот, IBM RAMAC 305, објавен во 1956 година, чуваше само 5 MB податоци, тежеше 970 kg и беше споредлив по големина со индустриски фрижидер. Современите корпоративни предводници можат да се пофалат со капацитет од 20 ТБ. Замислете: пред 64 години, за да се сними оваа количина на информации, би биле потребни над 4 милиони RAMAC 305, а големината на центарот за податоци што е потребна за нивно сместување би надминала 9 квадратни километри, додека денес мала кутија со тежина околу 700 грама! На многу начини, ова неверојатно зголемување на густината на складирање беше постигнато благодарение на подобрувањата во методите за магнетно снимање.
Тешко е да се поверува, но основниот дизајн на хард дисковите не е променет речиси 40 години, почнувајќи од 1983 година: тогаш светлината на денот ја виде првиот 3,5-инчен хард диск RO351, развиен од шкотската компанија Rodime. Ова бебе имаше две магнетни чинии од по 10 MB, што значи дека можеше да содржи двојно повеќе податоци од ажурираниот 412-инчен ST-5,25 Seagate објавен истата година за персоналните компјутери IBM 5160.

Rodime RO351 - првиот 3,5-инчен хард диск во светот

И покрај неговата иновација и компактна големина, во моментот на објавување, RO351 се покажа како практично бескорисен за никого, и сите понатамошни обиди на Rodime да се зацврсти на пазарот на хард дискови пропаднаа, поради што во 1991 година компанијата беше принудена да ги прекине своите активности, продавајќи ги речиси сите постоечки средства и сведувајќи го персоналот на минимум. Сепак, Родим не беше предодреден да банкротира: наскоро најголемите производители на хард дискови почнаа да контактираат со него, сакајќи да купат лиценца за користење на факторот на форма патентиран од Шкотите. Во моментов, 3,5 инчи е општо прифатен стандард за производство и на потрошувачки HDD и на дискови од класата на претпријатието.

Со доаѓањето на невронските мрежи, длабокото учење и Интернетот на нештата (IoT), обемот на податоци создадени од човештвото почна експоненцијално да расте. Според проценките на аналитичката агенција IDC, до 2025 година количината на информации генерирани и од самите луѓе и од уредите околу нас ќе достигне 175 зетабајти (1 Zbyte = 1021 бајти), и тоа и покрај фактот што во 2019 година ова изнесуваше 45 Zbytes , во 2016 година - 16 Zbytes, а назад во 2006 година, вкупната количина на податоци произведени во текот на целата историја на набљудување не надминува 0,16 (!) Zbytes. Современите технологии помагаат да се справиме со експлозијата на информациите, меѓу кои не и најмалку важно се подобрените методи за снимање податоци.

LMR, PMR, CMR и TDMR: Која е разликата?

Принципот на работа на хард дисковите е прилично едноставен. Тенки метални плочи обложени со слој од феромагнетен материјал (кристална супстанција која може да остане магнетизирана дури и кога не е изложена на надворешно магнетно поле на температури под точката Кири) се движат во однос на главната единица за запишување со голема брзина (5400 вртежи во минута или повеќе). Кога се применува електрична струја на главата за запишување, се појавува наизменично магнетно поле, кое ја менува насоката на векторот на магнетизација на домените (дискретни области на материјата) на феромагнетот. Читањето на податоците се јавува или поради феноменот на електромагнетна индукција (движењето на домените во однос на сензорот предизвикува појава на наизменична електрична струја во вториот), или поради џиновски магнеторезистивен ефект (под влијание на магнетно поле електричното отпорот на сензорот се менува), како што е имплементирано во современите погони. Секој домен шифрира еден бит информации, земајќи ја логичката вредност „0“ или „1“ во зависност од насоката на векторот на магнетизација.

Долго време, хард дисковите го користеа методот на надолжно магнетно снимање (LMR), во кој векторот на магнетизација на доменот лежеше во рамнината на магнетната плоча. И покрај релативната едноставност на имплементацијата, оваа технологија имаше значителен недостаток: за да се надмине принудноста (преминот на магнетните честички во состојба на еден домен), требаше да се остави импресивна тампон зона (т.н. заштитен простор) помеѓу патеките. Како резултат на тоа, максималната густина на снимање што беше постигната на крајот на оваа технологија беше само 150 Gbit/инч2.

Во 2010 година, LMR беше речиси целосно заменет со PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Главната разлика помеѓу оваа технологија и надолжното магнетно снимање е тоа што векторот на магнетната насока на секој домен се наоѓа под агол од 90° во однос на површината на магнетната плоча, што значително го намали јазот помеѓу патеките.

Поради ова, густината на снимање на податоците беше значително зголемена (до 1 Tbit/in2 кај современите уреди), без да се жртвуваат брзинските карактеристики и доверливоста на хард дисковите. Во моментов, на пазарот доминира нормално магнетно снимање, поради што често се нарекува и CMR (конвенционално магнетно снимање). Во исто време, треба да разберете дека нема апсолутно никаква разлика помеѓу PMR и CMR - тоа е само различна верзија на името.

Додека ги проучувате техничките карактеристики на современите хард дискови, може да наидете и на мистериозната кратенка TDMR. Особено, оваа технологија се користи од дискови од класата на претпријатие Western Digital Ultrastar 500 серија. Од гледна точка на физиката, TDMR (што значи дводимензионално магнетно снимање) не се разликува од вообичаениот PMR: како и досега, ние се занимаваме со траки кои не се сечат, чии домени се ориентирани нормално на рамнината на магнетното чинии. Разликата меѓу технологиите лежи во пристапот кон читање информации.

Во блокот на магнетни глави на хард дискови создадени со TDMR технологија, секоја глава за пишување има два сензори за читање кои истовремено читаат податоци од секоја помината песна. Овој вишок му овозможува на контролерот на HDD ефикасно да го филтрира електромагнетниот шум, чиј изглед е предизвикан од интерференција на интертрак (ITI).

Решавањето на проблемот со ИТИ обезбедува две исклучително важни придобивки:

1. намалувањето на факторот на бучава ви овозможува да ја зголемите густината на снимање со намалување на растојанието помеѓу патеките, обезбедувајќи засилување во вкупниот капацитет до 10% во споредба со конвенционалните PMR;
2. Во комбинација со RVS технологијата и микроактиватор со три позиции, TDMR ефикасно се спротивставува на ротационите вибрации предизвикани од хард дисковите, помагајќи да се постигнат конзистентни нивоа на перформанси дури и во најпредизвикувачките работни услови.

Што е СМР и со што се јаде?

Големината на главата за пишување е приближно 1,7 пати поголема во споредба со големината на сензорот за читање. Таквата импресивна разлика може да се објасни многу едноставно: ако модулот за снимање е уште поминијатурен, силата на магнетното поле што може да го генерира нема да биде доволна за да ги магнетизира домените на феромагнетниот слој, што значи дека податоците едноставно ќе да не се складира. Во случај на сензор за читање, овој проблем не се појавува. Згора на тоа: нејзината минијатуризација овозможува дополнително да се намали влијанието на горенаведениот ИТИ врз процесот на читање информации.

Овој факт ја формираше основата на магнетното снимање со ќерамиди (SMR). Ајде да дознаеме како функционира. Кога користите традиционален PMR, главата за запишување се поместува во однос на секоја претходна патека за растојание еднакво на нејзината ширина + ширината на заштитниот простор.

Кога се користи методот на магнетно снимање со плочки, главата за запишување се движи напред само дел од нејзината ширина, така што секоја претходна трака е делумно препишана со следната: магнетните траки се преклопуваат една со друга како покривни ќерамиди. Овој пристап ви овозможува дополнително да ја зголемите густината на снимање, обезбедувајќи зголемување на капацитетот до 10%, без да влијае на процесот на читање. Пример е Western Digital Ultrastar DC HC 650 - првите 3.5-инчни 20 TB дискови во светот со SATA/SAS интерфејс, чиј изглед беше овозможен благодарение на новата технологија за магнетно снимање. Така, преминот кон SMR-дискови ви овозможува да ја зголемите густината на складирање на податоци во истите полици со минимални трошоци за надградба на ИТ инфраструктурата.

И покрај таквата значајна предност, SMR има и очигледен недостаток. Бидејќи магнетните траки се преклопуваат една со друга, ажурирањето на податоците ќе бара препишување не само на потребниот фрагмент, туку и на сите последователни траки во магнетната плоча, чиј волумен може да надмине 2 терабајти, што може да доведе до сериозен пад на перформансите.

Овој проблем може да се реши со комбинирање на одреден број на патеки во посебни групи наречени зони. Иако овој пристап за организирање складирање податоци донекаде го намалува вкупниот капацитет на HDD (бидејќи е неопходно да се одржат доволно празнини помеѓу зоните за да се спречи препишувањето на траките од соседните групи), може значително да го забрза процесот на ажурирање на податоците, бидејќи сега само ограничен број на песни се вклучени во него.

Магнетното снимање на плочки вклучува неколку опции за имплементација:

• SMR управуван со Drive

Неговата главна предност е тоа што нема потреба да се менува софтверот и/или хардверот на домаќинот, бидејќи контролерот на HDD ја презема контролата врз процедурата за снимање податоци. Таквите погони може да се поврзат со кој било систем што го има потребниот интерфејс (SATA или SAS), по што уредот веднаш ќе биде подготвен за употреба.

Недостатокот на овој пристап е што нивоата на изведба се разликуваат, што го прави SMR управуван со Drive несоодветен за апликации на претпријатијата каде што постојаните перформанси на системот се од клучно значење. Сепак, таквите дискови работат добро во сценарија што овозможуваат доволно време за да се случи дефрагментација на податоците во заднина. На пример, DMSMR дискови WD Црвено, оптимизиран за употреба како дел од малите NAS со 8 заливи, ќе биде одличен избор за систем за архивирање или резервна копија што бара долгорочно складирање на резервни копии.

• SMR управуван од домаќинот

Host Managed SMR е претпочитаната имплементација на снимање со плочки за употреба во претпријатие. Во овој случај, самиот систем-домаќин е одговорен за управување со тековите на податоци и операциите за читање/запишување, користејќи ги за овие цели наставките на интерфејсот ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) и SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) развиени од INCITS Т10 и Т13 комитети .

Кога се користи HMSMR, целиот расположлив капацитет за складирање на дискот е поделен на два вида зони: конвенционални зони, кои се користат за складирање метаподатоци и случајно снимање (во суштина игра улога на кеш) и Потребни зони за секвенцијално пишување, кои зафаќаат голем дел од вкупниот капацитет на хард дискот во кој податоците се пишуваат строго последователно. Податоците без редослед се складираат во кеш област, од каде потоа може да се пренесат во соодветната секвенцијална област за запишување. Ова осигурува дека сите физички сектори се запишуваат последователно во радијална насока и се препишуваат само по циклично пренесување, што резултира со стабилни и предвидливи перформанси на системот. Во исто време, дисковите HMSMR поддржуваат команди за случајно читање на ист начин како и дисковите што користат стандарден PMR.

Host Managed SMR се имплементира во хард дискови од класата на претпријатието Western Digital Ultrastar HC DC 600 Series.

Линијата вклучува SATA и SAS дискови со висок капацитет дизајнирани за употреба во центри за податоци со хиперскала. Поддршката за Host Managed SMR значително го проширува опсегот на примена на таквите хард дискови: покрај резервните системи, тие се совршени за складирање во облак, CDN или платформи за стриминг. Високиот капацитет на хард дисковите ви овозможува значително да ја зголемите густината на складирање (во истите решетки) со минимални трошоци за надградба и ниска потрошувачка на енергија (не повеќе од 0,29 вати на терабајт зачувани информации) и дисипација на топлина (во просек 5 °C помала отколку аналози) - дополнително ги намалува оперативните трошоци за одржување на центарот за податоци.

Единствениот недостаток на HMSMR е релативната сложеност на имплементацијата. Работата е што денес ниту еден оперативен систем или апликација не може да работи со такви дискови надвор од кутијата, поради што се потребни сериозни промени во стекот на софтверот за да се прилагоди ИТ инфраструктурата. Пред сè, ова се однесува, се разбира, на самиот ОС, кој во услови на модерни центри за податоци што користат сервери со повеќе јадрени и мулти-сокети е прилично нетривијална задача. Можете да дознаете повеќе за опциите за имплементирање на поддршка за SMR управувана од домаќинот на специјализиран ресурс ZonedStorage.io, посветен на прашања за зонско складирање на податоци. Информациите собрани овде ќе ви помогнат прелиминарно да ја процените подготвеноста на вашата ИТ инфраструктура за пренос во системите за складирање зони.

• Host Aware SMR (Host Aware SMR)

Уредите со овозможен SMR свесен за домаќинот ја комбинираат практичноста и флексибилноста на SMR управувана од Drive со високите брзини на пишување на SMR управувани од домаќинот. Овие дискови се компатибилни со старите системи за складирање и можат да работат без директна контрола од домаќинот, но во овој случај, како и кај дисковите DMSMR, нивните перформанси стануваат непредвидливи.

Како и SMR управувана со домаќин, така и SMR со свесен домаќин користи два вида зони: конвенционални зони за случаен запис и секвенцијално претпочитани зони за пишување. Последниве, за разлика од горенаведените задолжителни зони за секвенцијално запишување, автоматски се префрлаат во категоријата редовни доколку почнат да снимаат податоци неправилно.

Имплементацијата на SMR свесна за домаќинот обезбедува внатрешни механизми за закрепнување од неконзистентни пишувања. Податоците без редослед се запишуваат во областите на кешот, од каде што дискот може да ги пренесе информациите во областа за секвенцијално запишување откако ќе се примат сите потребни блокови. Дискот користи индиректна табела за да управува со пишување надвор од редот и дефрагментација на заднина. Меѓутоа, ако претпријатијата апликации бараат предвидливи и оптимизирани перформанси, тоа сепак може да се постигне само ако домаќинот преземе целосна контрола врз сите текови на податоци и зони за снимање.

Извор: www.habr.com