De eerste harde schijf ter wereld, de IBM RAMAC 305, die in 1956 op de markt kwam, had slechts 5 MB aan gegevenscapaciteit, woog 970 kg en was qua afmetingen vergelijkbaar met een industriƫle koelkast. Moderne zakelijke vlaggenschepen kunnen nu al opscheppen met een capaciteit van 20 TB. Stel je voor: 64 jaar geleden zou het meer dan 4 miljoen RAMAC 305's vergen om zoveel informatie op te slaan, en de datacenters die nodig zouden zijn voor hun huisvesting zouden meer dan 9 vierkante kilometer beslaan, terwijl vandaag de dag een kleine doos van ongeveer 700 gram hiervoor al voldoende is! Het is in grote mate te danken aan de verbetering van de methoden van magnetische opslag dat deze ongelooflijke verhoging van de opslagdichtheid is bereikt.
Het is moeilijk te geloven, maar de basisconstructie van harde schijven verandert al bijna 40 jaar niet, sinds 1983: toen kwam de eerste 3,5-inch schijf, de RO351, ontwikkeld door het Schots bedrijf Rodime, op de markt. Deze kleintje kreeg twee magnetische platen van elk 10 MB, wat betekent dat hij het dubbele aan gegevens kon opslaan vergeleken met de verbeterde ST-412 van 5,25 inch, die datzelfde jaar door Seagate voor de IBM 5160-pc's werd uitgebracht.
Rodime RO351 ā de eerste 3,5-inch schijf ter wereld
Ondanks zijn innovativiteit en compacte formaat bleek de RO351 bij zijn lancering praktisch ongewenst te zijn, en alle verdere pogingen van Rodime om zich op de schijvenmarkt te vestigen waren een mislukking, waardoor het bedrijf in 1991 gedwongen werd zijn activiteiten te staken, vrijwel al zijn activa te verkopen en het personeelsbestand tot een minimum te reduceren. Echter, het was Rodime niet gegeven om failliet te gaan: al snel begon men contact op te nemen met de grootste schijfproducenten die een licentie wilden kopen voor het gebruik van het door de Schotten gepatenteerde bouwformaat. Tegenwoordig is 3,5 inch de algemeen aanvaarde standaard voor zowel consumenten-HDD's als zakelijke opslagapparaten.
Met de opkomst van neurale netwerken, Deep Learning en het Internet of Things (IoT) is de hoeveelheid data die door de mensheid wordt gecreƫerd explosief toegenomen. Volgens schattingen van het onderzoeksbureau IDC zal de hoeveelheid informatie die zowel door mensen als door de apparaten om ons heen wordt gegenereerd, tegen 2025 175 zettabytes (1 ZB = 10^21 bytes) bereiken, terwijl dit in 2019 45 ZB was, in 2016 16 ZB en in het verre 2006 de totale hoeveelheid gegevens die in de hele zichtbare geschiedenis was geproduceerd, niet hoger was dan 0,16 (!) ZB. Hedendaagse technologieƫn, waaronder geavanceerde methoden voor gegevensopslag, helpen ons om deze informatie-explosie aan te pakken.
LMR, PMR, CMR en TDMR: wat is het verschil?
De werking van harde schijven is vrij eenvoudig. Dunne metalen platen, bedekt met een laag ferromagnetisch materiaal (een kristallijn stof dat zijn magnetisatie kan behouden, zelfs zonder invloed van een extern magnetisch veld bij temperaturen onder de Curietemperatuur), bewegen met hoge snelheid (5400 toeren per minuut of meer) ten opzichte van de schrijfkoppen. Wanneer er elektrische stroom op de schrijfkop wordt aangelegd, ontstaat er een variabel magnetisch veld dat de richting van de magnetisatievector van de domeinen (discrete gebieden van het materiaal) in het ferromagnetische materiaal verandert. Gegevens worden gelezen ofwel door middel van elektromagnetische inductie (de beweging van de domeinen ten opzichte van de sensor genereert een variabele elektrische stroom) of door het gigantische magnetoresistieve effect (de elektrische weerstand van de sensor verandert onder invloed van het magnetisch veld), zoals dat in moderne opslagdevices wordt gerealiseerd. Elk domein codeert Ć©Ć©n bit informatie, dat de logische waarde '0' of '1' aanneemt, afhankelijk van de richting van de magnetisatievector.
Lange tijd gebruikten harde schijven de methode van langsgemagnetiseerde opname (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), waarbij de magnetisering van domeinen in het vlak van de magnetische schijf lag. Ondanks de relatieve eenvoud van de implementatie had deze technologie een aanzienlijk nadeel: om de coercitiviteit (overgang van magnetische deeltjes naar de eendomein toestand) te overwinnen, moest er een aanzienlijke bufferzone tussen de sporen worden gelaten (de zogenaamde guard space). Daardoor was de maximale opnametechniek die aan het einde van deze technologie kon worden bereikt slechts 150 Gbit/inchĀ².
In 2010 werd LMR vrijwel volledig verdrongen door PMR (Perpendicular Magnetic Recording ā Perpendikulaire Magnetische Opname). Het belangrijkste onderscheid van deze technologie ten opzichte van langsgemagnetiseerde opname is dat de magnetische oriĆ«ntatievector van elk domein onder een hoek van 90Ā° met het oppervlak van de magnetische schijf is geplaatst, wat de ruimte tussen de sporen aanzienlijk heeft verkleind.
Hierdoor is de datadichtheid aanzienlijk verhoogd (tot 1 Tbit/inchĀ² in huidige apparaten), zonder in te boeten op de snelheid en betrouwbaarheid van de harddisks. Tegenwoordig is de perpendiculaire magnetische opname de dominante technologie op de markt, en daarom wordt het ook vaak CMR (Conventional Magnetic Recording ā gewone magnetische opname) genoemd. Daarbij moet worden opgemerkt dat er eigenlijk geen enkel verschil is tussen PMR en CMR ā het is gewoon een andere naam voor dezelfde technologie.
Bij het bestuderen van de technische specificaties van moderne harde schijven kunt u ook de mysterieuze afkorting TDMR tegenkomen. Deze technologie wordt met name gebruikt in opslagmedia voor de zakelijke markt, . Vanuit fysisch perspectief is TDMR (wat staat voor Two Dimensional Magnetic Recording ā tweedimensionale magnetische opname) niet anders dan de bekende PMR: net als voorheen hebben we te maken met niet-onderbroken sporen, waarin de domeinen loodrecht op het oppervlak van de magnetische schijven zijn georiĆ«nteerd. Het verschil tussen de technologieĆ«n ligt in de benadering van het uitlezen van informatie.
In de blokken van magnetische lees- en schrijfkoppen van harde schijven, gemaakt met TDMR-technologie, zijn er voor elke schrijfkop twee lees-sensoren die gelijktijdig gegevens kunnen lezen van elke passerende track. Deze redundantie stelt de HDD-controller in staat om effectief elektromagnetische ruis te filteren, veroorzaakt door inter-track interferentie (Intertrack Interference, ITI).
Het oplossen van het ITI-probleem biedt twee zeer belangrijke voordelen:
- het verlagen van de storing index maakt het mogelijk om de schrijf dichtheid te verhogen door de afstand tussen de tracks te verkleinen, wat leidt tot een capaciteitswinst van maximaal 10% vergeleken met traditionele PMR;
- in combinatie met RVS-technologie en een drie-posities micro-actuator, stelt TDMR in staat om effectief op te treden tegen rotatievibraties die door harde schijven worden veroorzaakt, waardoor een stabiel prestatieniveau zelfs onder de meest uitdagende bedrijfsomstandigheden wordt bereikt.
Wat is SMR en wat kun je ermee?
De afmetingen van de schrijfkop zijn ongeveer 1,7 keer groter dan die van de leessensor. Dit aanzienlijke verschil is vrij eenvoudig te verklaren: als de schrijfmodule nog verder miniaturiseert, zal de elektromagnetische kracht die hij kan genereren onvoldoende zijn om de domeinen van de ferromagnetische laag te magnetiseren, wat betekent dat gegevens eenvoudigweg niet kunnen worden opgeslagen. Dit probleem doet zich niet voor bij de leessensor. Sterker nog, de miniaturisatie ervan verlaagt bovendien de invloed van de eerder genoemde ITI op het informatieleesproces.
Dit feit vormde de basis voor Shingled Magnetic Recording (SMR). Laten we eens kijken hoe het werkt. Bij het gebruik van traditionele PMR verschuift de schrijfkop ten opzichte van elke vorige track met een afstand gelijk aan zijn breedte plus de breedte van de beschermruimte (guard space).
Bij het gebruik van de shingles-methode voor magnetische opslag verschuift de schrijfkop slechts een deel van zijn breedte naar voren, waardoor elke vorige track gedeeltelijk wordt herschreven door de volgende: de magnetische sporen overlappen elkaar als dakpannen. Deze aanpak maakt een extra verhoging van de opslagdichtheid mogelijk, wat een capaciteitswinst van tot 10% oplevert, zonder invloed op het leesproces. Een voorbeeld hiervan is de eerste ter wereld 3,5-inch schijven met een capaciteit van 20 TB met een SATA/SAS-interface, waarvan de ontwikkeling mogelijk werd gemaakt dankzij een nieuwe technologie voor magnetische opslag. De overstap naar SMR-schijven maakt het dus mogelijk om de gegevensopslagdichtheid in dezelfde rekken te verhogen met minimale kosten voor de upgrade van de IT-infrastructuur.
Ondanks dit aanzienlijke voordeel, heeft SMR ook een duidelijk nadeel. Aangezien de magnetische sporen op elkaar liggen, vereist het bijwerken van gegevens niet alleen het herschrijven van het vereiste segment, maar ook van alle daaropvolgende sporen binnen de magnetische schijf, waarvan de capaciteit meer dan 2 terabyte kan bedragen, wat kan leiden tot een aanzienlijke daling van de prestaties.
Deze uitdaging wordt aangepakt door een bepaald aantal sporen te groeperen in afzonderlijke groepen, genaamd zones. Hoewel deze aanpak voor de organisatie van gegevensopslag de totale capaciteit van de HDD enigszins vermindert (omdat er tussen de zones voldoende tussenruimten moeten worden aangehouden om herschrijven van sporen uit aangrenzende groepen te voorkomen), maakt dit het mogelijk om het actualiseringsproces van gegevens aanzienlijk te versnellen, aangezien nu slechts een beperkte hoeveelheid sporen betrokken is.
Shingle magnetische opslag biedt verschillende implementatie-opties:
- Drive Managed SMR (SMR, door de schijf beheerd)
Het belangrijkste voordeel hiervan is dat er geen aanpassing van de software en/of hardware van de host nodig is, omdat de HDD-controller de procedure voor gegevensopslag beheert. Dergelijke schijven kunnen worden aangesloten op elk systeem waar de benodigde interface (SATA of SAS) aanwezig is, waarna de opslag onmiddellijk klaar is voor gebruik.
Het nadeel van deze aanpak is de variabiliteit in prestatie-niveau, waardoor Drive Managed SMR ongeschikt blijkt voor bedrijfstoepassingen waar consistente systeemperformance een cruciale parameter is. Desondanks presteren deze schijven goed in scenario's waarin voldoende tijd voor achtergronddefragmentatie van gegevens beschikbaar is. Bijvoorbeeld, DMSMR-opslagmedia. , geoptimaliseerd voor gebruik in kleine NAS-systemen met 8 sleuven, zijn een uitstekende keuze voor archiverings- of back-upsystemen die langdurige opslag van back-ups vereisen.
- Host Managed SMR (SMR, door de host beheerd)
Host Managed SMR is de meest geschikte implementatie van zonale opslag voor gebruik in een bedrijfsomgeving. In dit geval is de host-systeem verantwoordelijk voor het beheren van datastromen en lees-/schrijfbewerkingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van ATA-interface-uitbreidingen (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) en SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), ontwikkeld door de INCITS-commissies T10 en T13.
Bij het gebruik van HMSMR wordt de beschikbare opslagcapaciteit verdeeld in twee typen zones: Conventional Zones (conventionele zones), die worden gebruikt voor het opslaan van metadata en willekeurige schrijfbewerkingen (die in feite fungeren als cache), en Sequential Write Required Zones (zones voor sequentiƫle schrijfbewerkingen), die het grootste deel van de totale capaciteit van de harde schijf innemen, waarin gegevens strikt sequentieel worden geschreven. Ongeordende gegevens worden opgeslagen in de cache, van waaruit ze vervolgens naar het overeenkomstige sequentiƫle schrijfgebied kunnen worden verplaatst. Hierdoor worden alle fysische sectoren sequentieel in radiale richting geschreven en pas opnieuw geschreven na cyclische overdracht, wat zorgt voor stabiele en voorspelbare systeemprestaties. Bovendien ondersteunen HMSMR-schijven willekeurige leesopdrachten op dezelfde manier als schijven die standaard PMR gebruiken.
Host Managed SMR is geĆÆmplementeerd in enterprise-class harde schijven. .
De serie omvat SATA- en SAS-schijven met hoge capaciteit, gericht op gebruik in hyper-schaal datacenters. Ondersteuning voor Host Managed SMR breidt het toepassingsgebied van dergelijke harde schijven aanzienlijk uit: naast back-upsystemen zijn ze ook uitstekend geschikt voor cloudopslag, CDN of streamingplatforms. De hoge capaciteit van de harde schijven stelt in staat om de opslagdichtheid aanzienlijk te verhogen (in dezelfde rekken) met minimale upgradekosten, en het lage energieverbruik (niet meer dan 0,29 watt per terabyte opgeslagen informatie) en de lagere warmteafgifte (gemiddeld 5 Ā°C lager dan vergelijkbare producten) helpen ook om de operationele kosten voor het onderhoud van het datacenter te verlagen.
De enige nadeel van HMSMR is de relatief complexe implementatie. Dit komt doordat momenteel geen enkel besturingssysteem of applicatie in staat is om deze schijven 'uit de doos' te gebruiken, waardoor er aanzienlijke aanpassingen aan de IT-infrastructuur nodig zijn. Dit betreft in eerste instantie vanzelfsprekend het besturingssysteem, wat in de moderne datacenters, die meerkernige en multiprocessor servers gebruiken, een vrij niet-triviale taak is. Meer informatie over de mogelijkheden voor de implementatie van ondersteuning voor Host Managed SMR kunt u vinden op de gespecialiseerde resource , die zich richt op de vraagstukken rondom zonale dataopslag. De informatie die hier is verzameld kan helpen om een voorlopige beoordeling te maken van de gereedheid van uw IT-infrastructuur voor de overgang naar zonale opslagsystemen.
- Host Aware SMR (SMR, ondersteund door de host)
Host Aware SMR-ondersteunde apparaten combineren het gebruiksgemak en de flexibiliteit van Drive Managed SMR met de hoge schrijfsnelheid van Host Managed SMR. Dergelijke opslagmedia zijn achterwaarts compatibel met verouderde opslagsystemen en kunnen functioneren zonder directe controle van de host, maar in dat geval, net als bij het werken met DMSMR-schijven, wordt hun prestaties onvoorspelbaar.
Net als Host Managed SMR gebruikt Host Aware SMR twee typen zones: Conventional Zones voor willekeurige opslag en Sequential Write Preferred Zones (zones die de voorkeur geven aan sequentiƫle opslag). Laatstgenoemden, in tegenstelling tot de eerder genoemde Sequential Write Required Zones, worden automatisch omgezet naar gewone zones als er ongeordende gegevens in worden opgeslagen.
De implementatie van SMR met hostondersteuning bevat interne mechanismen voor herstel na ongeordende opslag. Ongeordende gegevens worden opgeslagen in cachegebieden, vanwaar de schijf informatie kan overbrengen naar de zone voor sequentiƫle opslag, nadat alle benodigde blokken zijn verkregen. Voor het beheer van ongeordende opslag en achtergronddefragmentatie maakt de schijf gebruik van een indirecte verwijzingstabel. Echter, als zakelijke applicaties een voorspelbare en geoptimaliseerde prestatie vereisen, kan dit nog steeds alleen worden bereikt als de host volledige controle heeft over alle datastromen en opslagzones.
Bron: habr.com
