De eerste harde schijf ter wereld, de IBM RAMAC 305, die in 1956 werd uitgebracht, bevatte slechts 5 MB aan gegevens, woog 970 kg en was qua grootte vergelijkbaar met een industriële koelkast. Moderne vlaggenschepen van bedrijven kunnen bogen op een capaciteit van al 20 TB. Stel je eens voor: 64 jaar geleden zou er meer dan 4 miljoen RAMAC 305 nodig zijn geweest om deze hoeveelheid informatie vast te leggen, en de omvang van het datacenter dat nodig was om deze informatie te huisvesten zou meer dan 9 vierkante kilometer zijn geweest, terwijl vandaag de dag een kleine doos met een gewicht van ongeveer 700 gram! In veel opzichten is deze ongelooflijke toename in opslagdichtheid bereikt dankzij de verbetering van magnetische opnamemethoden.
Het is moeilijk te geloven, maar fundamenteel is het ontwerp van harde schijven al bijna 40 jaar, sinds 1983, niet veranderd: het was toen dat de eerste 3,5-inch harde schijf RO351, ontwikkeld door het Schotse bedrijf Rodime, het levenslicht zag. Deze baby ontving twee magnetische platen van elk 10 MB, dat wil zeggen dat hij twee keer zoveel gegevens kon bevatten als de bijgewerkte 412-inch ST-5,25, die Seagate in hetzelfde jaar uitbracht voor de IBM 5160 personal computers.
Rodime RO351 - 's werelds eerste 3,5-inch harde schijf
Ondanks het innovatieve karakter en het compacte formaat had bijna niemand er ten tijde van de release van de RO351 behoefte aan, en alle verdere pogingen van Rodime om voet aan de grond te krijgen op de markt voor harde schijven mislukten, wat de reden is dat het bedrijf gedwongen werd zijn activiteiten stop te zetten. in 1991, nadat hij bijna alle bestaande bezittingen had verkocht en de staat tot een minimum had teruggebracht. Rodime was echter niet voorbestemd om failliet te gaan: al snel begonnen de grootste fabrikanten van harde schijven zich tot haar te wenden en wilden ze een licentie verkrijgen om de door de Schotten gepatenteerde vormfactor te gebruiken. 3,5" is nu de industriestandaard voor zowel consumenten- als zakelijke HDD's.
Met de komst van neurale netwerken, Deep Learning en het Internet of Things (IoT) is de hoeveelheid door de mensheid gecreëerde data als een lawine gaan groeien. Volgens schattingen van het analytische bureau IDC zal de hoeveelheid informatie die zowel door de mensen zelf als door de apparaten om ons heen wordt gegenereerd in 2025 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes) bereiken, en dit ondanks het feit dat dit in 2019 45 was. Zbytes, in 2016 - 16 Zbytes, en in 2006, bedroeg de totale hoeveelheid geproduceerde gegevens in de gehele voorzienbare geschiedenis niet meer dan 0,16 (!) Zbytes. Moderne technologieën helpen de informatie-explosie het hoofd te bieden, en verbeterde methoden voor gegevensregistratie zijn niet de laatste.
LMR, PMR, CMR en TDMR: wat is het verschil?
Het werkingsprincipe van harde schijven is vrij eenvoudig. Dunne metalen platen bedekt met een laag ferromagnetisch materiaal (een kristallijne substantie die zelfs bij afwezigheid van een extern magnetisch veld gemagnetiseerd kan blijven bij een temperatuur onder het Curiepunt) bewegen ten opzichte van het blok opnamekoppen met hoge snelheid (5400 rpm of meer). Wanneer een elektrische stroom op de schrijfkop wordt aangelegd, ontstaat er een magnetisch wisselveld, dat de richting van de magnetisatievector van de domeinen (discrete materiegebieden) van de ferromagneet verandert. Het lezen van gegevens vindt plaats vanwege het fenomeen van elektromagnetische inductie (de beweging van domeinen ten opzichte van de sensor veroorzaakt het optreden van een elektrische wisselstroom in de laatste), of vanwege het gigantische magnetoresistieve effect (de elektrische weerstand van de sensor verandert onder invloed van de sensor). invloed van een magnetisch veld), zoals geïmplementeerd in moderne opslagapparaten. Elk domein codeert één bit aan informatie en neemt de logische waarde "0" of "1" aan, afhankelijk van de richting van de magnetisatievector.
Lange tijd maakten harde schijven gebruik van de Longitudinal Magnetic Recording (LMR)-methode, waarbij de domeinmagnetisatievector in het vlak van de magnetische schotel lag. Ondanks het relatieve implementatiegemak had deze technologie een belangrijk nadeel: om de coërciviteit (de overgang van magnetische deeltjes naar een toestand van één domein) te overwinnen, moest er een indrukwekkende bufferzone (de zogenaamde bewakingsruimte) worden gelaten tussen sporen. Als gevolg hiervan bedroeg de maximale opnamedichtheid die aan het einde van deze technologie werd bereikt slechts 150 Gb/in2.
In 2010 werd LMR vrijwel volledig vervangen door PMR (Perpendicular Magnetic Recording - loodrechte magnetische opname). Het belangrijkste verschil tussen deze technologie en longitudinale magnetische registratie is dat de magnetische richtingsvector van elk domein zich onder een hoek van 90° ten opzichte van het oppervlak van de magnetische plaat bevindt, waardoor het mogelijk werd de opening tussen de sporen aanzienlijk te verkleinen.
Hierdoor is de gegevensregistratiedichtheid aanzienlijk verhoogd (tot 1 Tbit / inch2 in moderne apparaten), zonder dat dit ten koste gaat van de snelheidskenmerken en betrouwbaarheid van harde schijven. Momenteel is loodrechte magnetische opname dominant op de markt, daarom wordt het ook vaak CMR (Conventional Magnetic Recording - conventionele magnetische opname) genoemd. Tegelijkertijd moet je begrijpen dat er absoluut geen verschil is tussen PMR en CMR - dit is slechts een andere versie van de naam.
Als je naar de specificaties van moderne harde schijven kijkt, kom je misschien ook de cryptische afkorting TDMR tegen. Deze technologie wordt met name gebruikt door schijven van ondernemingsklasse . Vanuit natuurkundig oogpunt verschilt TDMR (wat staat voor Two Dimensional Magnetic Recording - tweedimensionale magnetische opname) niet van de gebruikelijke PMR: net als voorheen hebben we te maken met niet-kruisende sporen, domeinen waarin loodrecht georiënteerd is naar het vlak van de magnetische platen. Het verschil tussen technologieën ligt in de benadering van het lezen van informatie.
In het blok magnetische koppen van harde schijven dat is gemaakt met behulp van TDMR-technologie, heeft elke opnamekop twee leessensoren die tegelijkertijd gegevens van elk passerende nummer lezen. Dankzij deze redundantie kan de HDD-controller effectief elektromagnetische ruis filteren die wordt veroorzaakt door Intertrack Interference (ITI).
Het oplossen van het probleem met ITI biedt twee uiterst belangrijke voordelen:
- vermindering van de ruisfactor maakt het mogelijk de opnamedichtheid te vergroten door de afstand tussen de sporen te verkleinen, wat een winst in de totale capaciteit tot 10% oplevert in vergelijking met conventionele PMR;
- Gecombineerd met RVS-technologie en een micro-actuator met drie standen, weerstaat TDMR effectief de rotatietrillingen veroorzaakt door harde schijven, waardoor consistente prestatieniveaus worden bereikt, zelfs in de meest veeleisende omgevingen.
Wat is SMR en waarmee wordt het gegeten?
De afmetingen van de schrijfkop zijn ongeveer 1,7 keer groter dan de afmetingen van de leessensor. Een dergelijk indrukwekkend verschil wordt heel eenvoudig uitgelegd: als de opnamemodule nog miniatuurer wordt gemaakt, zal de sterkte van het magnetische veld dat deze kan genereren niet voldoende zijn om de domeinen van de ferromagnetische laag te magnetiseren, wat betekent dat de gegevens eenvoudigweg niet meer kunnen worden gegenereerd. worden opgeslagen. Bij een leessensor doet dit probleem zich niet voor. Bovendien maakt de miniaturisering het mogelijk om de invloed van de hierboven genoemde ITI op het proces van het lezen van informatie verder te verminderen.
Dit feit vormde de basis van betegelde magnetische opname (Shingled Magnetic Recording, SMR). Laten we begrijpen hoe het werkt. Bij gebruik van traditionele PMR wordt de schrijfkop ten opzichte van elk vorig spoor verschoven over een afstand gelijk aan de breedte + de breedte van de beschermende ruimte (bewakingsruimte).
Bij gebruik van de tegelmethode voor magnetische opname beweegt de opnamekop slechts een deel van zijn breedte naar voren, zodat elk vorig nummer gedeeltelijk wordt overschreven door het volgende: de magnetische nummers overlappen elkaar als dakpannen. Deze aanpak maakt het mogelijk om de opnamedichtheid verder te verhogen, wat een capaciteitswinst tot 10% oplevert, zonder dat dit invloed heeft op het leesproces. Een voorbeeld is — 's werelds eerste 3.5-inch 20 TB-schijven met SATA/SAS-interface, waarvan het uiterlijk mogelijk werd gemaakt dankzij de nieuwe magnetische opnametechnologie. Door de overstap naar SMR-schijven kunt u dus de dichtheid van de gegevensopslag in dezelfde racks vergroten tegen minimale kosten voor het upgraden van de IT-infrastructuur.
Ondanks zo'n aanzienlijk voordeel heeft SMR een duidelijk nadeel. Omdat de magnetische sporen elkaar overlappen, zal het bij het bijwerken van gegevens nodig zijn om niet alleen het vereiste fragment te herschrijven, maar ook alle volgende nummers binnen de magnetische schotel, waarvan het volume groter kan zijn dan 2 terabytes, wat gepaard gaat met een ernstige daling qua prestaties.
Het combineren van een bepaald aantal tracks in afzonderlijke groepen, zones genoemd, helpt dit probleem op te lossen. Hoewel deze benadering van gegevensopslag de totale capaciteit van de HDD enigszins vermindert (aangezien er voldoende ruimte tussen de zones moet worden aangehouden om te voorkomen dat nummers van aangrenzende groepen worden overschreven), kan dit het gegevensupdateproces aanzienlijk versnellen, aangezien er nu slechts een beperkt aantal nummers beschikbaar is. eraan deelnemen.
Betegelde magnetische opname omvat verschillende implementatieopties:
- Drive-beheerde SMR (Drive-beheerde SMR)
Het belangrijkste voordeel is dat het niet nodig is om de software en/of hardware van de host te wijzigen, aangezien de HDD-controller de controle over de gegevensopnameprocedure overneemt. Dergelijke schijven kunnen worden aangesloten op ieder systeem dat over de benodigde interface (SATA of SAS) beschikt, waarna de schijf direct klaar is voor gebruik.
Het nadeel van deze aanpak is de variabiliteit in de prestaties, waardoor Drive Managed SMR ongeschikt is voor bedrijfstoepassingen waarbij consistentie van systeemprestaties van cruciaal belang is. Dergelijke schijven presteren echter goed in scenario's waarin er voldoende tijd is om de defragmentatie van achtergrondgegevens te voltooien. Dus bijvoorbeeld DMSMR-schijven Geoptimaliseerd voor gebruik in kleine NAS-systemen met 8 sleuven, is het een uitstekende keuze voor een archiverings- of back-upsysteem dat langdurige back-upopslag vereist.
- Door de host beheerde SMR (door de host beheerde SMR)
Host Managed SMR is de meest geprefereerde tegelimplementatie voor zakelijk gebruik. In dit geval is het hostsysteem zelf verantwoordelijk voor het beheer van gegevensstromen en lees-/schrijfbewerkingen, waarbij voor deze doeleinden gebruik wordt gemaakt van de uitbreidingen van de ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) en SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) interfaces ontwikkeld door de INCITS T10- en T13-commissies.
Bij gebruik van HMSMR wordt de volledige beschikbare opslagcapaciteit verdeeld in twee soorten zones: conventionele zones (reguliere zones), die worden gebruikt voor het opslaan van metagegevens en willekeurige opnames (in feite de rol van cache spelen), en sequentiële schrijfvereiste zones. (sequentiële schrijfzones), die een groot deel van de totale capaciteit van de harde schijf in beslag nemen, waarin gegevens strikt opeenvolgend worden opgenomen. Ongeordende gegevens worden opgeslagen in het cachegebied, vanwaar ze vervolgens kunnen worden overgedragen naar de overeenkomstige sequentiële schrijfzone. Hierdoor worden alle fysieke sectoren opeenvolgend in radiale richting geschreven en pas na een wraparound overschreven, waardoor u stabiele en voorspelbare systeemprestaties kunt bereiken. Tegelijkertijd ondersteunen HMSMR-schijven willekeurige leesopdrachten, vergelijkbaar met schijven die standaard PMR gebruiken.
Host Managed SMR geïmplementeerd op harde schijven van ondernemingsklasse .
De lijn omvat SATA- en SAS-schijven met hoge capaciteit, ontworpen voor gebruik in hyperscale datacenters. Ondersteuning voor Host Managed SMR breidt de reikwijdte van dergelijke harde schijven aanzienlijk uit: naast back-upsystemen zijn ze perfect voor cloudopslag, CDN of streamingplatforms. Dankzij de hoge capaciteit van harde schijven kunt u de opslagdichtheid (in dezelfde racks) aanzienlijk verhogen met minimale upgradekosten en een laag stroomverbruik (minder dan 0,29 watt per terabyte aan opgeslagen informatie) en warmteafvoer (gemiddeld 5 ° C lager dan analogen) — verlaag de bedrijfskosten voor het onderhoud van het datacenter verder.
Het enige nadeel van HMSMR is de relatieve complexiteit van de implementatie. Het punt is dat vandaag de dag geen enkel besturingssysteem of applicatie kant-en-klaar met dergelijke schijven kan werken. Daarom zijn er grote veranderingen in de softwarestack nodig om de IT-infrastructuur aan te passen. Allereerst betreft dit natuurlijk het besturingssysteem zelf, wat in de omstandigheden van moderne datacenters die multi-core en multi-socket servers gebruiken een nogal niet-triviale taak is. U kunt meer informatie vinden over opties voor het implementeren van ondersteuning voor Host Managed SMR op een gespecialiseerde bron. gewijd aan de kwesties van zonale gegevensopslag. De hier verzamelde informatie helpt u bij het voorlopig beoordelen van de gereedheid van uw IT-infrastructuur voor de transitie naar gezoneerde opslagsystemen.
- Host Aware SMR (SMR ondersteund door de host)
Apparaten met Host Aware SMR combineren het gemak en de flexibiliteit van Drive Managed SMR met de hoge opnamesnelheid van Host Managed SMR. Dergelijke schijven zijn achterwaarts compatibel met oudere opslagsystemen en kunnen functioneren zonder directe controle van de host, maar in dit geval worden hun prestaties, net als bij DMSMR-schijven, onvoorspelbaar.
Net als Host Managed SMR gebruikt Host Aware SMR twee soorten zones: Conventionele zones voor willekeurige schrijfbewerkingen en Sequential Write Preferred Zones (zones die de voorkeur hebben voor sequentiële opnames). Deze laatste worden, in tegenstelling tot de hierboven genoemde Sequential Write Required Zones, automatisch overgebracht naar de categorie gewone zones als ze op een ongeordende manier gegevens beginnen te schrijven.
De hostbewuste implementatie van SMR biedt interne mechanismen om te herstellen van inconsistente schrijfbewerkingen. Willekeurige gegevens worden naar het cachegebied geschreven, vanwaar de schijf informatie naar de sequentiële schrijfzone kan overbrengen nadat alle benodigde blokken zijn ontvangen. De schijf gebruikt een indirectietabel om schrijfbewerkingen en defragmentatie op de achtergrond te beheren. Als voorspelbare en geoptimaliseerde prestaties echter vereist zijn voor bedrijfsapplicaties, kan dit nog steeds alleen worden bereikt als de host de volledige controle over alle gegevensstromen en schrijfzones overneemt.
Bron: www.habr.com