Pierwszy na świecie twardy dysk, IBM RAMAC 305, który ujrzał światło dzienne w 1956 roku, mieścił zaledwie 5 MB danych, ważąc przy tym 970 kg i mając rozmiary porównywalne z przemysłową lodówką. Nowoczesne flagowce korporacyjne mogą pochwalić się już pojemnością 20 TB. Tylko wyobraźcie sobie: 64 lata temu, aby zapisać taką ilość informacji, potrzeba by było ponad 4 miliony RAMAC 305, a powierzchnia centrum danych potrzebnego do ich umiejscowienia przekroczyłaby 9 kilometrów kwadratowych, podczas gdy dzisiaj wystarczy mała skrzynka ważąca około 700 gramów! W dużej mierze osiągnięcie tak niesamowitego wzrostu gęstości przechowywania było możliwe dzięki udoskonaleniu metod zapisu magnetycznego.
Trudno w to uwierzyć, ale zasadniczo konstrukcja twardych dysków nie zmienia się od prawie 40 lat, zaczynając od 1983 roku: to właśnie wtedy światło dzienne ujrzał pierwszy dysk twardy 3,5 cala RO351, opracowany przez szkocką firmę Rodime. Ten maluch miał dwie płyty magnetyczne o pojemności 10 MB każda, co oznacza, że był w stanie pomieścić dwukrotnie więcej danych niż zaktualizowany ST-412 o rozmiarze 5,25 cala, wydany przez Seagate w tym samym roku dla komputerów osobistych IBM 5160.
Rodime RO351 — pierwszy na świecie dysk twardy 3,5 cala
Mimo innowacyjności i kompaktowych rozmiarów, w momencie wydania RO351 okazał się praktycznie nikomu niepotrzebny, a wszystkie dalsze próby Rodime na rynku dysków twardych zakończyły się fiaskiem, przez co w 1991 roku firma była zmuszona zakończyć swoją działalność, sprzedając niemal wszystkie posiadane aktywa i redukując zatrudnienie do minimum. Jednak Rodime nie miało być przeznaczone na bankructwo: wkrótce zaczęli się do niej zgłaszać najwięksi producenci dysków twardych, chcący nabyć licencję na używanie opatentowanego przez Szkotów formatu. Obecnie 3,5 cala jest powszechnie stosowanym standardem produkcji zarówno dysków twardych dla konsumentów, jak i nośników klasy korporacyjnej.
Wraz z pojawieniem się sieci neuronowych, Deep Learning i internetu rzeczy (IoT) objętość danych tworzonych przez ludzkość zaczęła lawinowo rosnąć. Według prognoz agencji analitycznej IDC, do 2025 roku liczba informacji generowanych zarówno przez ludzi, jak i otaczające nas urządzenia, osiągnie 175 zettabajtów (1 ZB = 1021 bajtów), podczas gdy w 2019 roku wynosiła ona 45 ZB, w 2016 roku — 16 ZB, a w odległym 2006 roku całkowita objętość danych w całej historii nie przekroczyła 0,16 (!) ZB. W radzeniu sobie z eksplozją informacji pomagają nowoczesne technologie, wśród których istotne miejsce zajmują udoskonalone metody zapisu danych.
LMR, PMR, CMR i TDMR: jaka jest różnica?
Zasada działania dysków twardych jest dosyć prosta. Cienkie metalowe talerze pokryte warstwą materiału ferromagnetycznego (substancji krystalicznej, zdolnej do utrzymywania namagnesowania nawet w braku wpływu zewnętrznego pola magnetycznego w temperaturze poniżej punktu Curie) poruszają się względem bloku głowic zapisujących z dużą prędkością (5400 obrotów na minutę lub więcej). Przy podaniu prądu elektrycznego na głowicę zapisującą powstaje zmienne pole magnetyczne, które zmienia kierunek wektora namagnesowania domen (dyskretnych obszarów substancji) ferromagnetyku. Odczyt danych dokonuje się albo dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej (ruch domen względem czujnika wywołuje w nim powstanie zmiennego prądu elektrycznego), albo dzięki olbrzymiemu efektowi magnetorezystancyjnemu (pod wpływem pola magnetycznego zmienia się opór elektryczny sensora), tak jak to jest realizowane w nowoczesnych nośnikach. Każda domena koduje jeden bit informacji, przyjmując logiczną wartość „0” lub „1” w zależności od kierunku wektora namagnesowania.
Przez długi czas dyski twarde korzystały z metody zapisów magnetycznych wzdłużnych (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), w której wektor namagnesowania domen znajdował się w płaszczyźnie płyty magnetycznej. Pomimo stosunkowo prostej realizacji, technologia ta posiadała znaczną wadę: aby pokonać koercję (przejście cząstek magnetycznych w stan jednodomenowy), między torami trzeba było pozostawić znaczną strefę buforową (tzw. guard space — przestrzeń ochronna). W konsekwencji maksymalna gęstość zapisu, jaką udało się osiągnąć pod koniec tej technologii, wynosiła zaledwie 150 Gbit/dm².
W 2010 roku LMR została praktycznie w całości wyparta przez PMR (Perpendicular Magnetic Recording — prostopadły zapis magnetyczny). Główna różnica tej technologii od wzdłużnego zapisu magnetycznego polega na tym, że wektor kierunkowości magnetycznej każdej domeny znajduje się pod kątem 90° do powierzchni płyty magnetycznej, co pozwoliło znacznie skrócić odległość między torami.
Dzięki temu gęstość zapisu danych udało się znacznie zwiększyć (do 1 Tbit/dm² w nowoczesnych urządzeniach), nie rezygnując przy tym z wydajności i niezawodności dysków twardych. W obecnych czasach prostopadły zapis magnetyczny jest dominujący na rynku, dlatego często nazywa się go również CMR (Conventional Magnetic Recording — konwencjonalny zapis magnetyczny). Należy przy tym zrozumieć, że między PMR a CMR nie ma dosłownie żadnej różnicy — to po prostu inna nazwa.
Analizując specyfikacje techniczne nowoczesnych dysków twardych, możesz również natknąć się na tajemniczy skrót TDMR. W szczególności technologia ta jest wykorzystywana w dyskach klasy korporacyjnej . Z perspektywy fizyki TDMR (co oznacza Two Dimensional Magnetic Recording — dwuwymiarowy zapis magnetyczny) nie różni się od znanej nam PMR: jak wcześniej, mamy do czynienia z torami, które się nie krzyżują, a domeny w nich są orientowane prostopadle do płaszczyzny płytek magnetycznych. Różnica między technologiami polega na podejściu do odczytu informacji.
W bloku głowic magnetycznych dysków twardych, stworzonych w technologii TDMR, na każdą głowicę zapisującą przypadają dwa czujniki odczytu, które jednocześnie odczytują dane z każdego przechodzonego toru. Taka nadmiarowość pozwala kontrolerowi HDD skutecznie filtrować szumy elektromagnetyczne, których pojawienie się jest spowodowane interferencją międzytorową (Intertrack Interference, ITI).
Rozwiązanie problemu ITI zapewnia dwa niezwykle ważne korzyści:
- zmniejszenie współczynnika zakłóceń zwiększa gęstość zapisu dzięki zmniejszeniu odległości między torami, co pozwala na zwiększenie całkowitej pojemności o nawet 10% w porównaniu do tradycyjnych PMR;
- w połączeniu z technologią RVS i trójpozycyjnym mikroaktuatorze, TDMR skutecznie przeciwdziała wibracjom rotacyjnym spowodowanym pracą dysków twardych, co pomaga osiągnąć stabilny poziom wydajności nawet w najtrudniejszych warunkach eksploatacji.
Czym jest SMR i jak to działa?
Rozmiary głowicy zapisującej są około 1,7 raza większe w porównaniu do rozmiarów czujnika odczytu. Tak znacząca różnica tłumaczy się dość prosto: jeśli moduł zapisujący byłby jeszcze mniejszy, siły pola magnetycznego, które mógłby generować, byłyby niewystarczające do namagnesowania domen warstwy ferromagnetycznej, co oznaczałoby, że dane po prostu nie byłyby zapisywane. W przypadku czujnika odczytu taki problem nie występuje. Co więcej: jego miniaturyzacja pozwala dodatkowo zmniejszyć wpływ wspomnianej wcześniej ITI na proces odczytu informacji.
Fakt ten stał się podstawą nakładkowego zapisu magnetycznego (Shingled Magnetic Recording, SMR). Sprawdźmy, jak to działa. Przy użyciu tradycyjnego PMR głowica zapisująca przesuwa się względem każdego poprzedniego toru na odległość równą jej szerokości + szerokość przestrzeni ochronnej (guard space).
Przy użyciu metody nagrywania magnetycznego za pomocą układów płytkowych, głowica zapisująca przesuwa się do przodu tylko o część swojej szerokości, przez co każdy poprzedni ślad zostaje częściowo nadpisany przez następny: ścieżki magnetyczne nakładają się na siebie jak dachówki. Takie podejście pozwala dodatkowo zwiększyć gęstość zapisu, oferując zysk pojemności do 10%, nie wpływając przy tym na proces odczytu. Jako przykład można podać — pierwsze na świecie dyski 3,5-calowe o pojemności 20 TB z interfejsem SATA/SAS, których pojawienie się było możliwe dzięki nowej technologii nagrywania magnetycznego. W ten sposób przejście na dyski SMR pozwala zwiększyć gęstość przechowywania danych w tych samych szafkach przy minimalnych kosztach modernizacji infrastruktury IT.
Pomimo tak znaczącej zalety, SMR ma również oczywistą wadę. Ponieważ ścieżki magnetyczne nakładają się na siebie, przy aktualizacji danych konieczne będzie ponowne zapisanie nie tylko wymaganego fragmentu, ale także wszystkich kolejnych śladów w obrębie płyty magnetycznej, której pojemność może przekraczać 2 terabajty, co może prowadzić do poważnego spadku wydajności.
Rozwiązaniem tego problemu jest połączenie określonej liczby śladów w odrębne grupy, zwane strefami. Chociaż takie podejście do organizacji przechowywania danych nieco zmniejsza ogólną pojemność HDD (ponieważ między strefami należy zachować odpowiednie odstępy, zapobiegające nadpisywaniu śladów z sąsiednich grup), pozwala to znacząco przyspieszyć proces aktualizacji danych, ponieważ teraz bierze w nim udział jedynie ograniczona liczba ścieżek.
Nagrywanie magnetyczne za pomocą dachówek przewiduje kilka wariantów realizacji:
- Drive Managed SMR (SMR zarządzany przez dysk)
Jego główną zaletą jest brak konieczności modyfikacji oprogramowania i/lub sprzętu hosta, ponieważ kontroler HDD przejmuje na siebie zarządzanie procedurą zapisu danych. Takie dyski mogą być podłączane do dowolnego systemu, w którym obecny jest wymagany interfejs (SATA lub SAS), po czym nośnik będzie od razu gotowy do pracy.
Wadą tego podejścia jest zmienność poziomu wydajności, przez co Drive Managed SMR okazuje się nieodpowiedni do aplikacji korporacyjnych, w których stałość wydajności systemu jest krytycznym parametrem. Niemniej jednak takie dyski dobrze sprawdzają się w scenariuszach, które zapewniają wystarczająco dużo czasu na wykonanie defragmentacji danych w tle. Tak więc, na przykład, DMSMR-krążki , zoptymalizowane do użytku w małych NAS z 8 zatokami, będą doskonałym wyborem do systemu archiwizacji lub tworzenia kopii zapasowych, zakładającego długoterminowe przechowywanie kopii zapasowych.
- Host Managed SMR (SMR zarządzane przez hosta)
Host Managed SMR to najbardziej preferowana opcja wdrożenia zapisów strefowych do użycia w środowisku korporacyjnym. W tym przypadku zarządzanie przepływem danych i operacjami odczytu/zapisu leży w gestii samego systemu hosta, który wykorzystuje w tym celu rozszerzenia interfejsów ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) oraz SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), opracowane przez komitety INCITS T10 i T13.
Podczas używania HMSMR cała dostępna przestrzeń na dysku jest dzielona na strefy dwóch typów: Conventional Zones (strefy konwencjonalne), które są używane do przechowywania metadanych i losowego zapisu (w zasadzie pełnią rolę pamięci podręcznej), oraz Sequential Write Required Zones (strefy wymaganego zapisu sekwencyjnego), zajmujące większość całkowitej pojemności dysku twardego, w których dane są zapisywane ściśle sekwencyjnie. Nieułożone dane są przechowywane w obszarze pamięci podręcznej, skąd mogą być przenoszone do odpowiedniej strefy zapisu sekwencyjnego. Dzięki temu wszystkie fizyczne sektory są zapisywane sekwencyjnie w kierunku promieniowym i nadpisywane tylko po cyklicznym transferze, co pozwala uzyskać stabilną i przewidywalną wydajność systemu. Jednocześnie dyski HMSMR obsługują polecenia losowego odczytu podobnie jak nośniki korzystające z standardowego PMR.
Host Managed SMR została wdrożona w dyskach twardych klasy enterprise .
Linia produktów obejmuje wysok容量 dyski SATA i SAS, przeznaczone do zastosowań w hipermasywnych centrach danych. Wsparcie dla Host Managed SMR znacznie rozszerza zastosowanie takich dysków twardych: oprócz systemów tworzenia kopii zapasowych, doskonale nadają się do chmur obliczeniowych, CDN lub platform streamingowych. Wysoka pojemność dysków twardych pozwala znacząco zwiększyć gęstość przechowywania (w tych samych szafach) przy minimalnych kosztach aktualizacji, a niskie zużycie energii (nie więcej niż 0,29 W na każdy terabajt przechowywanych informacji) oraz wydzielanie ciepła (średnio o 5 °C niższe niż u odpowiedników) dodatkowo redukuje wydatki operacyjne na utrzymanie centrum danych.
Jedyną wadą HMSMR jest stosunkowo skomplikowana implementacja. Chodzi o to, że jak dotąd żadna z systemów operacyjnych ani aplikacji nie potrafi działać z takimi dyskami „prosto z pudełka”, co wymaga poważnych zmian w stosie oprogramowania IT, aby dostosować IT-infrastrukturę. W pierwszej kolejności dotyczy to oczywiście samego systemu operacyjnego, co w warunkach nowoczesnych centrów danych, wykorzystujących wielordzeniowe i wielogniazdowe serwery, jest dość nietrywialnym zadaniem. Więcej informacji na temat możliwości realizacji wsparcia Host Managed SMR można znaleźć na specjalistycznym zasobie , poświęconym kwestiom zdalnego przechowywania danych. Zebrane tutaj informacje pomogą wstępnie ocenić gotowość twojej infrastruktury IT do przejścia na systemy przechowywania zdalnego.
- Host Aware SMR (SMR, wspierany przez hosta)
Urządzenia wspierające Host Aware SMR łączą w sobie wygodę i elastyczność Drive Managed SMR oraz wysoką prędkość zapisów Host Managed SMR. Takie dyski są wstecznie kompatybilne ze starszymi systemami przechowywania i mogą działać bez bezpośredniego nadzoru ze strony hosta, jednak w tym przypadku ich wydajność, podobnie jak w przypadku dysków DMSMR, staje się nieprzewidywalna.
Podobnie jak Host Managed SMR, Host Aware SMR wykorzystuje dwa typy stref: Conventional Zones służące do losowego zapisu oraz Sequential Write Preferred Zones (strefy preferowane do zapisu sekwencyjnego). Te ostatnie, w przeciwieństwie do wspomnianych wyżej Sequential Write Required Zones, automatycznie przekształcają się w strefy standardowe, gdy zaczyna się w nich prowadzić nieuporządkowany zapis danych.
Implementacja SMR z obsługą hosta przewiduje wewnętrzne mechanizmy odzyskiwania po nieuporządkowanym zapisie. Nieuprządkowane dane są zapisywane w obszarach buforowania, skąd dysk może przenieść informacje do strefy zapisu sekwencyjnego, po tym jak wszystkie potrzebne bloki zostaną odebrane. Do zarządzania nieuporządkowanym zapisem oraz defragmentacją w tle dysk wykorzystuje tabelę adresowania pośredniego. Jeśli jednak aplikacjom korporacyjnym potrzebna jest przewidywalna i zoptymalizowana wydajność, można to osiągnąć tylko wtedy, gdy host przejmie pełną kontrolę nad wszystkimi strumieniami danych i strefami zapisu.
Źródło: habr.com
