Pierwszy na świecie dysk twardy, IBM RAMAC 305, który został wprowadzony na rynek w 1956 roku, zawierał tylko 5 MB danych, ważył 970 kg i był wielkością porównywalną do przemysłowej lodówki. Nowoczesne flagowce korporacyjne mogą pochwalić się pojemnością już na poziomie 20 TB. Wyobraź sobie: 64 lata temu, aby zapisać taką ilość informacji, potrzeba było ponad 4 milionów pamięci RAMAC 305, a wielkość centrum danych potrzebnego do ich umieszczenia przekroczyłaby 9 kilometrów kwadratowych, podczas gdy dziś niewielka pudełko o wadze około 700 gramów! Pod wieloma względami ten niewiarygodny wzrost gęstości zapisu został osiągnięty dzięki udoskonaleniu metod zapisu magnetycznego.
Trudno w to uwierzyć, ale zasadniczo konstrukcja dysków twardych nie zmieniła się przez prawie 40 lat, od 1983 roku: wtedy światło dzienne ujrzał pierwszy 3,5-calowy dysk twardy RO351, opracowany przez szkocką firmę Rodime. To dziecko otrzymało dwie płytki magnetyczne po 10 MB każda, czyli było w stanie pomieścić dwa razy więcej danych niż zaktualizowany 412-calowy ST-5,25, wydany przez Seagate w tym samym roku dla komputerów osobistych IBM 5160.
Rodime RO351 - pierwszy na świecie 3,5-calowy dysk twardy
Pomimo innowacyjności i kompaktowych rozmiarów, w momencie premiery RO351 prawie nikt go nie potrzebował, a wszelkie dalsze próby Rodime zdobycia przyczółka na rynku dysków twardych nie powiodły się, przez co firma została zmuszona do zaprzestania działalności w 1991 r., sprzedając prawie wszystkie istniejące aktywa i redukując stan do minimum. Jednak Rodime nie była skazana na bankructwo: wkrótce najwięksi producenci dysków twardych zaczęli się do niej zwracać, chcąc uzyskać licencję na korzystanie z opatentowanej przez Szkotów obudowy. 3,5-calowy to obecnie branżowy standard dysków twardych zarówno dla klientów indywidualnych, jak i firm.
Wraz z pojawieniem się sieci neuronowych, głębokiego uczenia i Internetu rzeczy (IoT) ilość danych tworzonych przez ludzkość zaczęła rosnąć lawinowo. Według szacunków agencji analitycznej IDC do 2025 roku ilość informacji generowanych zarówno przez samych ludzi, jak i otaczające nas urządzenia sięgnie 175 zettabajtów (1 Zbyte = 1021 bajtów), i to pomimo tego, że w 2019 roku było to 45 zettabajtów. Zbytes, w 2016 roku - 16 Zbytes, a jeszcze w 2006 roku sumaryczna ilość danych wyprodukowanych w calej przewidywalnej historii nie przekroczyla 0,16 (!) Zbytes. W radzeniu sobie z eksplozją informacji pomagają nowoczesne technologie, wśród których nie ostatnie są udoskonalone metody zapisu danych.
LMR, PMR, CMR i TDMR: jaka jest różnica?
Zasada działania dysków twardych jest dość prosta. Cienkie płytki metalowe pokryte warstwą materiału ferromagnetycznego (substancji krystalicznej, która może pozostać namagnesowana nawet przy braku zewnętrznego pola magnetycznego w temperaturze poniżej punktu Curie) poruszają się względem bloku głowic rejestrujących z dużą prędkością (5400 obr./min lub więcej). Po przyłożeniu prądu elektrycznego do głowicy piszącej powstaje zmienne pole magnetyczne, które zmienia kierunek wektora magnesowania domen (dyskretnych obszarów materii) ferromagnesu. Odczyt danych następuje albo dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej (ruch domen względem czujnika powoduje pojawienie się w nim zmiennego prądu elektrycznego), albo dzięki gigantycznemu efektowi magnetorezystancyjnemu (opór elektryczny czujnika zmienia się pod wpływem wpływ pola magnetycznego), jak to jest realizowane w nowoczesnych urządzeniach pamięci masowej. Każda domena koduje jeden bit informacji, przyjmując wartość logiczną „0” lub „1” w zależności od kierunku wektora namagnesowania.
Przez długi czas dyski twarde wykorzystywały metodę Longitudinal Magnetic Recording (LMR), w której domenowy wektor magnetyzacji leżał w płaszczyźnie talerza magnetycznego. Pomimo względnej łatwości implementacji technologia ta miała istotną wadę: aby przezwyciężyć koercję (przejście cząstek magnetycznych do stanu jednodomenowego), trzeba było pozostawić imponującą strefę buforową (tzw. utwory. W rezultacie maksymalna gęstość zapisu, jaką osiągnięto pod koniec tej technologii, wynosiła zaledwie 150 Gb/in2.
W 2010 roku LMR został prawie całkowicie zastąpiony przez PMR (Perpendicular Magnetic Recording – prostopadły zapis magnetyczny). Główna różnica między tą technologią a podłużnym zapisem magnetycznym polega na tym, że wektor kierunkowości magnetycznej każdej domeny znajduje się pod kątem 90° do powierzchni płytki magnetycznej, co pozwoliło na znaczne zmniejszenie odstępu między ścieżkami.
Dzięki temu znacznie zwiększono gęstość zapisu danych (do 1 Tbit/cal2 w nowoczesnych urządzeniach), nie rezygnując jednocześnie z charakterystyki szybkościowej i niezawodności dysków twardych. Obecnie na rynku dominuje zapis magnetyczny prostopadły, dlatego często nazywany jest również CMR (Conventional Magnetic Recording – konwencjonalny zapis magnetyczny). Jednocześnie trzeba zrozumieć, że nie ma absolutnie żadnej różnicy między PMR a CMR - to po prostu inna wersja nazwy.
Przeglądając specyfikacje nowoczesnych dysków twardych, można również natknąć się na tajemniczy skrót TDMR. W szczególności technologia ta jest wykorzystywana przez dyski klasy korporacyjnej . Z punktu widzenia fizyki TDMR (co oznacza Two Dimensional Magnetic Recording – dwuwymiarowy zapis magnetyczny) nie różni się niczym od zwykłego PMR: tak jak poprzednio mamy do czynienia z nie przecinającymi się ścieżkami, domenami, w których zorientowane są prostopadle do płaszczyzny płyt magnetycznych. Różnica między technologiami polega na podejściu do odczytywania informacji.
W bloku głowic magnetycznych dysków twardych utworzonych w technologii TDMR każda głowica rejestrująca posiada dwa czujniki odczytu, które jednocześnie odczytują dane z każdej mijanej ścieżki. Ta nadmiarowość umożliwia kontrolerowi HDD skuteczne filtrowanie zakłóceń elektromagnetycznych powodowanych przez zakłócenia międzyścieżkowe (ITI).
Rozwiązanie problemu z ITI daje dwie niezwykle ważne korzyści:
- redukcja współczynnika szumów pozwala zwiększyć gęstość zapisu poprzez zmniejszenie odległości między ścieżkami, zapewniając wzrost całkowitej pojemności do 10% w porównaniu z konwencjonalnym PMR;
- W połączeniu z technologią RVS i trójpozycyjnym mikrosiłownikiem, TDMR skutecznie przeciwdziała wibracjom powodowanym przez dyski twarde, pomagając osiągnąć stały poziom wydajności nawet w najbardziej wymagających środowiskach.
Co to jest SMR i z czym się go spożywa?
Wymiary głowicy piszącej są około 1,7 razy większe od wymiarów czujnika odczytu. Tak imponującą różnicę tłumaczy się w prosty sposób: jeśli moduł rejestrujący zostanie jeszcze bardziej zminiaturyzowany, siła pola magnetycznego, które może on wygenerować, nie wystarczy do namagnesowania domen warstwy ferromagnetycznej, co oznacza, że dane po prostu nie będą być przechowywane. W przypadku czujnika odczytu ten problem nie występuje. Co więcej, jego miniaturyzacja pozwala na dalsze ograniczenie wpływu wspomnianego wyżej ITI na proces odczytywania informacji.
Fakt ten stał się podstawą kafelkowego zapisu magnetycznego (Shingled Magnetic Recording, SMR). Zrozummy, jak to działa. Podczas korzystania z tradycyjnego PMR głowica pisząca przesuwa się względem każdej poprzedniej ścieżki o odległość równą jej szerokości + szerokość przestrzeni ochronnej (przestrzeń ochronna).
W przypadku metody kafelkowej zapisu magnetycznego głowica rejestrująca przesuwa się do przodu tylko o część swojej szerokości, więc każda poprzednia ścieżka jest częściowo nadpisywana przez następną: ścieżki magnetyczne nakładają się na siebie jak dachówki. Takie podejście umożliwia dalsze zwiększenie gęstości zapisu, zapewniając przyrost pojemności nawet o 10%, bez wpływu na proces odczytu. Przykładem jest — pierwsze na świecie 3.5-calowe dyski 20 TB z interfejsem SATA/SAS, których pojawienie się było możliwe dzięki nowej technologii zapisu magnetycznego. Tym samym przejście na dyski SMR pozwala na zwiększenie gęstości przechowywania danych w tych samych szafach przy minimalnych kosztach modernizacji infrastruktury IT.
Pomimo tak znaczącej przewagi, SMR ma oczywistą wadę. Ponieważ ścieżki magnetyczne nakładają się na siebie, podczas aktualizacji danych konieczne będzie przepisanie nie tylko wymaganego fragmentu, ale także wszystkich kolejnych ścieżek w obrębie talerza magnetycznego, którego objętość może przekroczyć 2 terabajty, co jest obarczone poważnym spadkiem w wydajności.
Łączenie określonej liczby torów w osobne grupy zwane strefami pomaga rozwiązać ten problem. Chociaż takie podejście do przechowywania danych nieco zmniejsza ogólną pojemność dysku twardego (ponieważ należy zachować wystarczające odstępy między strefami, aby zapobiec nadpisaniu utworów z sąsiednich grup), może to znacznie przyspieszyć proces aktualizacji danych, ponieważ obecnie tylko ograniczona liczba utworów w nim uczestniczyć.
Kafelkowy zapis magnetyczny obejmuje kilka opcji implementacji:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Jego główną zaletą jest to, że nie ma potrzeby modyfikowania oprogramowania i/lub sprzętu hosta, ponieważ kontroler HDD przejmuje kontrolę nad procedurą zapisu danych. Takie dyski można podłączyć do dowolnego systemu, który posiada wymagany interfejs (SATA lub SAS), po czym dysk będzie od razu gotowy do użycia.
Wadą tego podejścia jest zmienność wydajności, co sprawia, że Drive Managed SMR nie nadaje się do zastosowań korporacyjnych, w których spójność wydajności systemu ma kluczowe znaczenie. Jednak takie dyski działają dobrze w scenariuszach, które zapewniają wystarczającą ilość czasu na ukończenie defragmentacji danych w tle. Na przykład dyski DMSMR Zoptymalizowany do użytku w małych 8-kieszeniowych serwerach NAS, jest doskonałym wyborem dla systemu archiwizacji lub tworzenia kopii zapasowych, który wymaga długoterminowego przechowywania kopii zapasowych.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
Host Managed SMR to najbardziej preferowana implementacja kafelków do użytku korporacyjnego. W tym przypadku sam system hosta odpowiada za zarządzanie przepływami danych i operacjami odczytu/zapisu, wykorzystując do tych celów rozszerzenia interfejsów ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) i SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) opracowane przez komitety INCITS T10 i T13.
Podczas korzystania z HMSMR cała dostępna pojemność pamięci masowej jest dzielona na dwa rodzaje stref: konwencjonalne strefy (regular zones), które służą do przechowywania metadanych i dowolnego zapisu (w rzeczywistości pełnią rolę pamięci podręcznej) oraz Sequential Write Required Zones (strefy zapisu sekwencyjnego), które zajmują dużą część całkowitej pojemności dysku twardego, w których dane są zapisywane ściśle sekwencyjnie. Nieuporządkowane dane są przechowywane w obszarze pamięci podręcznej, skąd można je następnie przenieść do odpowiedniej strefy zapisu sekwencyjnego. Dzięki temu wszystkie sektory fizyczne są zapisywane sekwencyjnie w kierunku promieniowym i nadpisywane dopiero po zawinięciu, co pozwala osiągnąć stabilną i przewidywalną wydajność systemu. Jednocześnie dyski HMSMR obsługują losowe polecenia odczytu, podobnie jak dyski korzystające ze standardowego PMR.
Host Managed SMR zaimplementowany w dyskach twardych klasy korporacyjnej .
Linia obejmuje dyski SATA i SAS o dużej pojemności przeznaczone do użytku w hiperskalowych centrach danych. Wsparcie dla Host Managed SMR znacznie rozszerza zakres takich dysków twardych: oprócz systemów tworzenia kopii zapasowych, doskonale nadają się do przechowywania w chmurze, CDN czy platform streamingowych. Duża pojemność dysków twardych pozwala znacznie zwiększyć gęstość przechowywania (w tych samych szafach) przy minimalnych kosztach modernizacji, a także niskim zużyciu energii (poniżej 0,29 wata na terabajt przechowywanych informacji) i rozpraszaniu ciepła (średnio o 5°C mniej niż analogi) — dalsze obniżenie kosztów eksploatacji centrum danych.
Jedyną wadą HMSMR jest względna złożoność implementacji. Rzecz w tym, że dziś żaden system operacyjny ani aplikacja nie może współpracować z takimi dyskami od razu po wyjęciu z pudełka, dlatego konieczne są duże zmiany w stosie oprogramowania, aby dostosować infrastrukturę IT. Przede wszystkim dotyczy to oczywiście samego systemu operacyjnego, co w warunkach nowoczesnych centrów danych korzystających z serwerów wielordzeniowych i wielogniazdowych jest zadaniem raczej nietrywialnym. Możesz dowiedzieć się więcej o opcjach implementacji wsparcia dla Host Managed SMR w specjalistycznym zasobie. poświęcony zagadnieniom strefowego przechowywania danych. Zebrane tutaj informacje pomogą Ci wstępnie ocenić gotowość Twojej infrastruktury IT do przejścia na strefowe systemy pamięci masowej.
- Host Aware SMR (SMR obsługiwany przez hosta)
Urządzenia obsługujące Host Aware SMR łączą wygodę i elastyczność Drive Managed SMR z dużą szybkością nagrywania Host Managed SMR. Takie dyski są wstecznie kompatybilne ze starszymi systemami pamięci masowej i mogą działać bez bezpośredniej kontroli z hosta, ale w tym przypadku, podobnie jak w przypadku dysków DMSMR, ich wydajność staje się nieprzewidywalna.
Podobnie jak Host Managed SMR, Host Aware SMR wykorzystuje dwa typy stref: konwencjonalne strefy dla losowych zapisów i sekwencyjne preferowane strefy zapisu (strefy preferowane do sekwencyjnego zapisu). Te ostatnie, w przeciwieństwie do wspomnianych wcześniej Sequential Write Required Zones, automatycznie przechodzą do kategorii zwykłych, jeśli zaczną zapisywać dane w sposób nieuporządkowany.
Implementacja SMR uwzględniająca hosta zapewnia wewnętrzne mechanizmy odzyskiwania po niespójnych zapisach. Losowe dane są zapisywane w obszarze pamięci podręcznej, skąd dysk może przesyłać informacje do strefy zapisu sekwencyjnego po odebraniu wszystkich niezbędnych bloków. Dysk wykorzystuje tablicę pośrednią do zarządzania zapisami w kolejności i defragmentacją w tle. Jeśli jednak wymagana jest przewidywalna i zoptymalizowana wydajność aplikacji korporacyjnych, można to osiągnąć tylko wtedy, gdy host przejmie pełną kontrolę nad wszystkimi przepływami danych i strefami zapisu.
Źródło: www.habr.com