Verdens første harddisk, IBM RAMAC 305, som ble utgitt i 1956, inneholdt kun 5 MB data, og veide 970 kg og var sammenlignbar i størrelse med et industrikjøleskap. Moderne bedriftsflaggskip kan skilte med en kapasitet på allerede 20 TB. Tenk deg: For 64 år siden, for å registrere denne informasjonsmengden, ville det ha tatt mer enn 4 millioner RAMAC 305, og størrelsen på datasenteret som trengs for å romme dem, ville ha overskredet 9 kvadratkilometer, mens det i dag er en liten boks som veier ca 700 gram! På mange måter har denne utrolige økningen i lagringstetthet blitt oppnådd takket være forbedringen av magnetiske registreringsmetoder.
Det er vanskelig å tro, men i bunn og grunn har ikke designet til harddisker endret seg på nesten 40 år, siden 1983: Det var da den første 3,5-tommers harddisken RO351, utviklet av det skotske selskapet Rodime, så lyset. Denne babyen mottok to magnetiske plater på 10 MB hver, det vil si at den var i stand til å holde dobbelt så mye data som den oppdaterte 412-tommers ST-5,25, utgitt av Seagate samme år for IBM 5160 personlige datamaskiner.
Rodime RO351 - verdens første 3,5-tommers harddisk
Til tross for innovativiteten og den kompakte størrelsen, på tidspunktet for utgivelsen av RO351, trengte nesten ingen den, og alle ytterligere forsøk fra Rodime på å få fotfeste på harddiskmarkedet mislyktes, og det er grunnen til at selskapet ble tvunget til å avslutte driften i 1991, etter å ha solgt nesten alle eksisterende eiendeler og redusert staten til et minimum. Rodime var imidlertid ikke bestemt til å gå konkurs: snart begynte de største harddiskprodusentene å henvende seg til henne, og ønsket å skaffe seg en lisens for å bruke formfaktoren patentert av skottene. 3,5" er nå industristandarden for både forbruker- og bedrifts-harddisker.
Med fremveksten av nevrale nettverk, Deep Learning og Internet of Things (IoT), har mengden av data skapt av menneskeheten begynt å vokse som et snøskred. I følge anslagene fra analysebyrået IDC vil mengden informasjon generert av både menneskene selv og enhetene rundt oss innen 2025 nå 175 zettabyte (1 Zbyte = 1021 byte), og dette til tross for at det i 2019 var 45 Zbyte, i 2016 - 16 Zbyte, og tilbake i 2006, oversteg ikke den totale mengden data produsert i hele den forutsigbare historien 0,16 (!) Zbyte. Moderne teknologier hjelper til med å takle informasjonseksplosjonen, blant annet forbedrede dataregistreringsmetoder er ikke de siste.
LMR, PMR, CMR og TDMR: hva er forskjellen?
Prinsippet for drift av harddisker er ganske enkelt. Tynne metallplater belagt med et lag av ferromagnetisk materiale (et krystallinsk stoff som kan forbli magnetisert selv i fravær av et eksternt magnetfelt ved en temperatur under Curie-punktet) beveger seg i forhold til blokken av opptakshoder ved høy hastighet (5400 rpm eller mer). Når en elektrisk strøm tilføres skrivehodet, oppstår et vekslende magnetfelt, som endrer retningen til magnetiseringsvektoren til domenene (diskrete områder av materie) til ferromagneten. Dataavlesning skjer enten på grunn av fenomenet elektromagnetisk induksjon (bevegelsen av domener i forhold til sensoren forårsaker forekomsten av en elektrisk vekselstrøm i sistnevnte), eller på grunn av den gigantiske magnetoresistive effekten (den elektriske motstanden til sensoren endres under påvirkning av et magnetfelt), slik det er implementert i moderne lagringsenheter. Hvert domene koder for én bit informasjon, og tar den logiske verdien "0" eller "1" avhengig av retningen til magnetiseringsvektoren.
I lang tid brukte harddisker metoden Longitudinal Magnetic Recording (LMR), der domenemagnetiseringsvektoren lå i planet til den magnetiske tallerkenen. Til tross for den relative enkle implementeringen, hadde denne teknologien en betydelig ulempe: for å overvinne koercivitet (overgangen av magnetiske partikler til en enkeltdomenetilstand), måtte en imponerende buffersone (det såkalte vaktrommet) stå mellom spor. Som et resultat var den maksimale opptakstettheten som ble oppnådd på slutten av denne teknologien bare 150 Gb/in2.
I 2010 ble LMR nesten fullstendig erstattet av PMR (Perpendicular Magnetic Recording – perpendicular magnetic recording). Hovedforskjellen mellom denne teknologien og langsgående magnetisk opptak er at den magnetiske retningsvektoren til hvert domene er plassert i en vinkel på 90° til overflaten av den magnetiske platen, noe som gjorde det mulig å redusere gapet mellom sporene betydelig.
På grunn av dette har dataregistreringstettheten blitt betydelig økt (opptil 1 Tbit / tomme2 i moderne enheter), uten at det går på bekostning av hastighetsegenskapene og påliteligheten til harddisker. Perpendicular magnetic recording er for tiden dominerende i markedet, derfor kalles det også ofte CMR (Conventional Magnetic Recording – konvensjonell magnetisk opptak). Samtidig må man forstå at det absolutt ikke er noen forskjell mellom PMR og CMR - dette er bare en annen versjon av navnet.
Når du ser på spesifikasjonene til moderne harddisker, kan du også komme over den kryptiske forkortelsen TDMR. Spesielt brukes denne teknologien av stasjoner i bedriftsklassen . Fra et fysikksynspunkt er TDMR (som står for Two Dimensional Magnetic Recording - todimensjonal magnetisk opptak) ikke forskjellig fra den vanlige PMR: som før har vi å gjøre med ikke-skjærende spor, domener som er orientert vinkelrett til planet til de magnetiske platene. Forskjellen mellom teknologier ligger i tilnærmingen til å lese informasjon.
I blokken med magnethoder på harddisker laget ved hjelp av TDMR-teknologi, har hvert opptakshode to lesesensorer som samtidig leser data fra hvert spor som passeres. Denne redundansen lar HDD-kontrolleren effektivt filtrere elektromagnetisk støy forårsaket av Intertrack Interference (ITI).
Å løse problemet med ITI gir to ekstremt viktige fordeler:
- reduksjon av støyfaktoren gjør det mulig å øke opptakstettheten ved å redusere avstanden mellom sporene, noe som gir en gevinst i total kapasitet på opptil 10 % sammenlignet med konvensjonell PMR;
- Kombinert med RVS-teknologi og en tre-posisjons mikroaktuator, motstår TDMR effektivt rotasjonsvibrasjoner forårsaket av harddisker, og bidrar til å oppnå konsistente ytelsesnivåer selv i de mest krevende miljøer.
Hva er SMR og hva spises det med?
Dimensjonene til skrivehodet er omtrent 1,7 ganger større enn dimensjonene til lesesensoren. En så imponerende forskjell forklares ganske enkelt: hvis opptaksmodulen gjøres enda mer miniatyr, vil styrken til magnetfeltet den kan generere ikke være nok til å magnetisere domenene til det ferromagnetiske laget, noe som betyr at dataene rett og slett ikke vil lagres. Når det gjelder en lesesensor, oppstår ikke dette problemet. Dessuten gjør miniatyriseringen det mulig å ytterligere redusere innflytelsen fra ITI nevnt ovenfor på prosessen med å lese informasjon.
Dette faktum dannet grunnlaget for flislagt magnetisk opptak (Shingled Magnetic Recording, SMR). La oss forstå hvordan det fungerer. Når du bruker tradisjonell PMR, beveger skrivehodet seg i forhold til hvert forrige spor med en avstand lik bredden + bredden på beskyttelsesrommet (vaktrom).
Når du bruker den flislagte metoden for magnetisk opptak, beveger opptakshodet seg bare en del av bredden, slik at hvert forrige spor blir delvis overskrevet av det neste: de magnetiske sporene overlapper hverandre som takstein. Denne tilnærmingen gjør det mulig å øke opptakstettheten ytterligere, og gir en kapasitetsøkning på opptil 10 %, uten at det påvirker leseprosessen. Et eksempel er — verdens første 3.5-tommers 20 TB-stasjoner med SATA/SAS-grensesnitt, hvis utseende ble muliggjort takket være den nye magnetiske opptaksteknologien. Dermed lar overgangen til SMR-disker deg øke tettheten av datalagring i de samme rackene til minimale kostnader for å oppgradere IT-infrastrukturen.
Til tross for en så betydelig fordel, har SMR en åpenbar ulempe. Siden de magnetiske sporene overlapper hverandre, vil det ved oppdatering av data være nødvendig å omskrive ikke bare det nødvendige fragmentet, men også alle påfølgende spor i den magnetiske tallerkenen, hvis volum kan overstige 2 terabyte, som er full av et alvorlig fall. i ytelse.
Å kombinere et visst antall spor i separate grupper kalt soner bidrar til å løse dette problemet. Selv om denne tilnærmingen til datalagring reduserer den totale kapasiteten til HDD-en noe (siden det må opprettholdes tilstrekkelig mellomrom mellom sonene for å forhindre overskrivning av spor fra nabogrupper), kan dette øke hastigheten på dataoppdateringsprosessen betydelig, siden det nå kun er et begrenset antall spor delta i det.
Flislagt magnetisk opptak innebærer flere implementeringsalternativer:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Dens største fordel er at det ikke er behov for å modifisere programvaren og/eller maskinvaren til verten, siden HDD-kontrolleren overtar kontrollen av dataregistreringsprosedyren. Slike stasjoner kan kobles til ethvert system som har det nødvendige grensesnittet (SATA eller SAS), hvoretter stasjonen vil være umiddelbart klar til bruk.
Ulempen med denne tilnærmingen er ytelsesvariabilitet, noe som gjør Drive Managed SMR uegnet for bedriftsapplikasjoner der systemytelseskonsistens er kritisk. Imidlertid fungerer slike disker godt i scenarier som gir tilstrekkelig tid til å fullføre defragmentering av bakgrunnsdata. Så for eksempel DMSMR-stasjoner Optimalisert for bruk i liten 8-bay NAS, er det et utmerket valg for et arkiverings- eller backupsystem som krever langsiktig backuplagring.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
Host Managed SMR er den mest foretrukne flisimplementeringen for bedriftsbruk. I dette tilfellet er vertssystemet selv ansvarlig for å administrere dataflyter og lese-/skriveoperasjoner, og bruker for disse formål utvidelsene til ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) og SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) grensesnitt utviklet av INCITS T10- og T13-komiteene.
Når du bruker HMSMR, deles hele den tilgjengelige lagringskapasiteten inn i to typer soner: Konvensjonelle soner (vanlige soner), som brukes til å lagre metadata og vilkårlig opptak (faktisk spiller rollen som en cache), og Sequential Write Required Zones (sekvensielle skrivesoner), som opptar en stor del av den totale kapasiteten på harddisken, der data blir tatt opp strengt sekvensielt. Uordnede data lagres i cache-området, hvorfra de deretter kan overføres til den tilsvarende sekvensielle skrivesonen. På grunn av dette skrives alle fysiske sektorer sekvensielt i radiell retning og overskrives først etter en omvikling, noe som lar deg oppnå stabil og forutsigbar systemytelse. Samtidig støtter HMSMR-stasjoner tilfeldige lesekommandoer som ligner på stasjoner som bruker standard PMR.
Host Managed SMR implementert på harddisker i bedriftsklassen .
Linjen inkluderer SATA- og SAS-stasjoner med høy kapasitet designet for bruk i hyperskala datasentre. Støtte for Host Managed SMR utvider omfanget av slike harddisker betydelig: i tillegg til sikkerhetskopieringssystemer er de perfekte for skylagring, CDN eller streamingplattformer. Den høye kapasiteten til harddisker lar deg øke lagringstettheten betydelig (i samme stativer) med minimale oppgraderingskostnader, og lavt strømforbruk (mindre enn 0,29 watt per terabyte med lagret informasjon) og varmespredning (i gjennomsnitt 5 ° C lavere enn analoger) — redusere driftskostnadene ved vedlikehold av datasenteret ytterligere.
Den eneste ulempen med HMSMR er den komparative kompleksiteten ved implementering. Saken er at i dag kan ikke et eneste operativsystem eller applikasjon fungere med slike stasjoner ut av esken, derfor kreves det store endringer i programvarestabelen for å tilpasse IT-infrastrukturen. Først av alt, dette gjelder selvfølgelig selve operativsystemet, som i forholdene til moderne datasentre som bruker multi-core og multi-socket servere er en ganske ikke-triviell oppgave. Du kan lære mer om alternativer for implementering av støtte for Host Managed SMR på en spesialisert ressurs. dedikert til problemene med sonal datalagring. Informasjonen som samles inn her vil hjelpe deg med å foreløpig vurdere beredskapen til IT-infrastrukturen din for overgang til sonede lagringssystemer.
- Host Aware SMR (SMR støttet av verten)
Host Aware SMR-aktiverte enheter kombinerer bekvemmeligheten og fleksibiliteten til Drive Managed SMR med den raske opptakshastigheten til Host Managed SMR. Slike stasjoner er bakoverkompatible med eldre lagringssystemer og kan fungere uten direkte kontroll fra verten, men i dette tilfellet, som med DMSMR-stasjoner, blir ytelsen uforutsigbar.
I likhet med Host Managed SMR bruker Host Aware SMR to typer soner: Konvensjonelle soner for tilfeldig skriving og Sequential Write Preferred Zones (soner foretrukket for sekvensielt opptak). Sistnevnte, i motsetning til de Sequential Write Required Zones nevnt ovenfor, overføres automatisk til kategorien ordinære hvis de begynner å skrive data på en uordnet måte.
Den vertsbevisste implementeringen av SMR gir interne mekanismer for å gjenopprette fra inkonsekvente skrivinger. Tilfeldige data skrives til cache-området, hvorfra disken kan overføre informasjon til den sekvensielle skrivesonen etter at alle nødvendige blokker er mottatt. Stasjonen bruker en indirektionstabell for å administrere ordreskriving og bakgrunnsdefragmentering. Men hvis forutsigbar og optimalisert ytelse kreves for bedriftsapplikasjoner, kan dette fortsatt bare oppnås når verten tar full kontroll over alle dataflyter og skrivesoner.
Kilde: www.habr.com