{"id":97879,"date":"2020-10-22T20:43:09","date_gmt":"2020-10-22T18:43:09","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/administrirovanie\/tehnologii-magnitnoj-zapisi-hdd-prosto-o-slozhnom"},"modified":"2020-10-22T20:43:09","modified_gmt":"2020-10-22T18:43:09","slug":"tehnologii-magnitnoj-zapisi-hdd-prosto-o-slozhnom","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/pl\/blog\/administrirovanie\/tehnologii-magnitnoj-zapisi-hdd-prosto-o-slozhnom","title":{"rendered":"Technologie zapisu magnetycznego HDD: prosto o skomplikowanych","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Technologie
\nPierwszy na \u015bwiecie twardy dysk, IBM RAMAC 305, kt\u00f3ry ujrza\u0142 \u015bwiat\u0142o dzienne w 1956 roku, mie\u015bci\u0142 zaledwie 5 MB danych, wa\u017c\u0105c przy tym 970 kg i maj\u0105c rozmiary por\u00f3wnywalne z przemys\u0142ow\u0105 lod\u00f3wk\u0105. Nowoczesne flagowce korporacyjne mog\u0105 pochwali\u0107 si\u0119 ju\u017c pojemno\u015bci\u0105 20 TB. Tylko wyobra\u017acie sobie: 64 lata temu, aby zapisa\u0107 tak\u0105 ilo\u015b\u0107 informacji, potrzeba by by\u0142o ponad 4 miliony RAMAC 305, a powierzchnia centrum danych potrzebnego do ich umiejscowienia przekroczy\u0142aby 9 kilometr\u00f3w kwadratowych, podczas gdy dzisiaj wystarczy ma\u0142a skrzynka wa\u017c\u0105ca oko\u0142o 700 gram\u00f3w! W du\u017cej mierze osi\u0105gni\u0119cie tak niesamowitego wzrostu g\u0119sto\u015bci przechowywania by\u0142o mo\u017cliwe dzi\u0119ki udoskonaleniu metod zapisu magnetycznego.<\/a><\/noindex>
\nTrudno w to uwierzy\u0107, ale zasadniczo konstrukcja twardych dysk\u00f3w nie zmienia si\u0119 od prawie 40 lat, zaczynaj\u0105c od 1983 roku: to w\u0142a\u015bnie wtedy \u015bwiat\u0142o dzienne ujrza\u0142 pierwszy dysk twardy 3,5 cala RO351, opracowany przez szkock\u0105 firm\u0119 Rodime. Ten maluch mia\u0142 dwie p\u0142yty magnetyczne o pojemno\u015bci 10 MB ka\u017cda, co oznacza, \u017ce by\u0142 w stanie pomie\u015bci\u0107 dwukrotnie wi\u0119cej danych ni\u017c zaktualizowany ST-412 o rozmiarze 5,25 cala, wydany przez Seagate w tym samym roku dla komputer\u00f3w osobistych IBM 5160.<\/p>\n

\"Technologie
\nRodime RO351 \u2014 pierwszy na \u015bwiecie dysk twardy 3,5 cala<\/i><\/p>\n

Mimo innowacyjno\u015bci i kompaktowych rozmiar\u00f3w, w momencie wydania RO351 okaza\u0142 si\u0119 praktycznie nikomu niepotrzebny, a wszystkie dalsze pr\u00f3by Rodime na rynku dysk\u00f3w twardych zako\u0144czy\u0142y si\u0119 fiaskiem, przez co w 1991 roku firma by\u0142a zmuszona zako\u0144czy\u0107 swoj\u0105 dzia\u0142alno\u015b\u0107, sprzedaj\u0105c niemal wszystkie posiadane aktywa i redukuj\u0105c zatrudnienie do minimum. Jednak Rodime nie mia\u0142o by\u0107 przeznaczone na bankructwo: wkr\u00f3tce zacz\u0119li si\u0119 do niej zg\u0142asza\u0107 najwi\u0119ksi producenci dysk\u00f3w twardych, chc\u0105cy naby\u0107 licencj\u0119 na u\u017cywanie opatentowanego przez Szkot\u00f3w formatu. Obecnie 3,5 cala jest powszechnie stosowanym standardem produkcji zar\u00f3wno dysk\u00f3w twardych dla konsument\u00f3w, jak i no\u015bnik\u00f3w klasy korporacyjnej.<\/p>\n

Wraz z pojawieniem si\u0119 sieci neuronowych, Deep Learning i internetu rzeczy (IoT) obj\u0119to\u015b\u0107 danych tworzonych przez ludzko\u015b\u0107 zacz\u0119\u0142a lawinowo rosn\u0105\u0107. Wed\u0142ug prognoz agencji analitycznej IDC, do 2025 roku liczba informacji generowanych zar\u00f3wno przez ludzi, jak i otaczaj\u0105ce nas urz\u0105dzenia, osi\u0105gnie 175 zettabajt\u00f3w (1 ZB = 1021 bajt\u00f3w), podczas gdy w 2019 roku wynosi\u0142a ona 45 ZB, w 2016 roku \u2014 16 ZB, a w odleg\u0142ym 2006 roku ca\u0142kowita obj\u0119to\u015b\u0107 danych w ca\u0142ej historii nie przekroczy\u0142a 0,16 (!) ZB. W radzeniu sobie z eksplozj\u0105 informacji pomagaj\u0105 nowoczesne technologie, w\u015br\u00f3d kt\u00f3rych istotne miejsce zajmuj\u0105 udoskonalone metody zapisu danych.<\/p>\n

LMR, PMR, CMR i TDMR: jaka jest r\u00f3\u017cnica?<\/h2>\n

\nZasada dzia\u0142ania dysk\u00f3w twardych jest dosy\u0107 prosta. Cienkie metalowe talerze pokryte warstw\u0105 materia\u0142u ferromagnetycznego (substancji krystalicznej, zdolnej do utrzymywania namagnesowania nawet w braku wp\u0142ywu zewn\u0119trznego pola magnetycznego w temperaturze poni\u017cej punktu Curie) poruszaj\u0105 si\u0119 wzgl\u0119dem bloku g\u0142owic zapisuj\u0105cych z du\u017c\u0105 pr\u0119dko\u015bci\u0105 (5400 obrot\u00f3w na minut\u0119 lub wi\u0119cej). Przy podaniu pr\u0105du elektrycznego na g\u0142owic\u0119 zapisuj\u0105c\u0105 powstaje zmienne pole magnetyczne, kt\u00f3re zmienia kierunek wektora namagnesowania domen (dyskretnych obszar\u00f3w substancji) ferromagnetyku. Odczyt danych dokonuje si\u0119 albo dzi\u0119ki zjawisku indukcji elektromagnetycznej (ruch domen wzgl\u0119dem czujnika wywo\u0142uje w nim powstanie zmiennego pr\u0105du elektrycznego), albo dzi\u0119ki olbrzymiemu efektowi magnetorezystancyjnemu (pod wp\u0142ywem pola magnetycznego zmienia si\u0119 op\u00f3r elektryczny sensora), tak jak to jest realizowane w nowoczesnych no\u015bnikach. Ka\u017cda domena koduje jeden bit informacji, przyjmuj\u0105c logiczn\u0105 warto\u015b\u0107 \u201e0\u201d lub \u201e1\u201d w zale\u017cno\u015bci od kierunku wektora namagnesowania.<\/p>\n

Przez d\u0142ugi czas dyski twarde korzysta\u0142y z metody zapis\u00f3w magnetycznych wzd\u0142u\u017cnych (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), w kt\u00f3rej wektor namagnesowania domen znajdowa\u0142 si\u0119 w p\u0142aszczy\u017anie p\u0142yty magnetycznej. Pomimo stosunkowo prostej realizacji, technologia ta posiada\u0142a znaczn\u0105 wad\u0119: aby pokona\u0107 koercj\u0119 (przej\u015bcie cz\u0105stek magnetycznych w stan jednodomenowy), mi\u0119dzy torami trzeba by\u0142o pozostawi\u0107 znaczn\u0105 stref\u0119 buforow\u0105 (tzw. guard space \u2014 przestrze\u0144 ochronna). W konsekwencji maksymalna g\u0119sto\u015b\u0107 zapisu, jak\u0105 uda\u0142o si\u0119 osi\u0105gn\u0105\u0107 pod koniec tej technologii, wynosi\u0142a zaledwie 150 Gbit\/dm\u00b2.<\/p>\n

\"Technologie
\nW 2010 roku LMR zosta\u0142a praktycznie w ca\u0142o\u015bci wyparta przez PMR (Perpendicular Magnetic Recording \u2014 prostopad\u0142y zapis magnetyczny). G\u0142\u00f3wna r\u00f3\u017cnica tej technologii od wzd\u0142u\u017cnego zapisu magnetycznego polega na tym, \u017ce wektor kierunkowo\u015bci magnetycznej ka\u017cdej domeny znajduje si\u0119 pod k\u0105tem 90\u00b0 do powierzchni p\u0142yty magnetycznej, co pozwoli\u0142o znacznie skr\u00f3ci\u0107 odleg\u0142o\u015b\u0107 mi\u0119dzy torami. <\/p>\n

Dzi\u0119ki temu g\u0119sto\u015b\u0107 zapisu danych uda\u0142o si\u0119 znacznie zwi\u0119kszy\u0107 (do 1 Tbit\/dm\u00b2 w nowoczesnych urz\u0105dzeniach), nie rezygnuj\u0105c przy tym z wydajno\u015bci i niezawodno\u015bci dysk\u00f3w twardych. W obecnych czasach prostopad\u0142y zapis magnetyczny jest dominuj\u0105cy na rynku, dlatego cz\u0119sto nazywa si\u0119 go r\u00f3wnie\u017c CMR (Conventional Magnetic Recording \u2014 konwencjonalny zapis magnetyczny). Nale\u017cy przy tym zrozumie\u0107, \u017ce mi\u0119dzy PMR a CMR nie ma dos\u0142ownie \u017cadnej r\u00f3\u017cnicy \u2014 to po prostu inna nazwa.<\/p>\n

\"Technologie
\nAnalizuj\u0105c specyfikacje techniczne nowoczesnych dysk\u00f3w twardych, mo\u017cesz r\u00f3wnie\u017c natkn\u0105\u0107 si\u0119 na tajemniczy skr\u00f3t TDMR. W szczeg\u00f3lno\u015bci technologia ta jest wykorzystywana w dyskach klasy korporacyjnej Western Digital Ultrastar serii 500<\/a><\/noindex>. Z perspektywy fizyki TDMR (co oznacza Two Dimensional Magnetic Recording \u2014 dwuwymiarowy zapis magnetyczny) nie r\u00f3\u017cni si\u0119 od znanej nam PMR: jak wcze\u015bniej, mamy do czynienia z torami, kt\u00f3re si\u0119 nie krzy\u017cuj\u0105, a domeny w nich s\u0105 orientowane prostopadle do p\u0142aszczyzny p\u0142ytek magnetycznych. R\u00f3\u017cnica mi\u0119dzy technologiami polega na podej\u015bciu do odczytu informacji.<\/p>\n

W bloku g\u0142owic magnetycznych dysk\u00f3w twardych, stworzonych w technologii TDMR, na ka\u017cd\u0105 g\u0142owic\u0119 zapisuj\u0105c\u0105 przypadaj\u0105 dwa czujniki odczytu, kt\u00f3re jednocze\u015bnie odczytuj\u0105 dane z ka\u017cdego przechodzonego toru. Taka nadmiarowo\u015b\u0107 pozwala kontrolerowi HDD skutecznie filtrowa\u0107 szumy elektromagnetyczne, kt\u00f3rych pojawienie si\u0119 jest spowodowane interferencj\u0105 mi\u0119dzytorow\u0105 (Intertrack Interference, ITI).<\/p>\n

\"Technologie
\nRozwi\u0105zanie problemu ITI zapewnia dwa niezwykle wa\u017cne korzy\u015bci:<\/p>\n

    \n
  1. zmniejszenie wsp\u00f3\u0142czynnika zak\u0142\u00f3ce\u0144 zwi\u0119ksza g\u0119sto\u015b\u0107 zapisu dzi\u0119ki zmniejszeniu odleg\u0142o\u015bci mi\u0119dzy torami, co pozwala na zwi\u0119kszenie ca\u0142kowitej pojemno\u015bci o nawet 10% w por\u00f3wnaniu do tradycyjnych PMR;<\/li>\n
  2. w po\u0142\u0105czeniu z technologi\u0105 RVS i tr\u00f3jpozycyjnym mikroaktuatorze, TDMR skutecznie przeciwdzia\u0142a wibracjom rotacyjnym spowodowanym prac\u0105 dysk\u00f3w twardych, co pomaga osi\u0105gn\u0105\u0107 stabilny poziom wydajno\u015bci nawet w najtrudniejszych warunkach eksploatacji.<\/li>\n<\/ol>\n

    <\/p>\n

    Czym jest SMR i jak to dzia\u0142a?<\/h2>\n

    \nRozmiary g\u0142owicy zapisuj\u0105cej s\u0105 oko\u0142o 1,7 raza wi\u0119ksze w por\u00f3wnaniu do rozmiar\u00f3w czujnika odczytu. Tak znacz\u0105ca r\u00f3\u017cnica t\u0142umaczy si\u0119 do\u015b\u0107 prosto: je\u015bli modu\u0142 zapisuj\u0105cy by\u0142by jeszcze mniejszy, si\u0142y pola magnetycznego, kt\u00f3re m\u00f3g\u0142by generowa\u0107, by\u0142yby niewystarczaj\u0105ce do namagnesowania domen warstwy ferromagnetycznej, co oznacza\u0142oby, \u017ce dane po prostu nie by\u0142yby zapisywane. W przypadku czujnika odczytu taki problem nie wyst\u0119puje. Co wi\u0119cej: jego miniaturyzacja pozwala dodatkowo zmniejszy\u0107 wp\u0142yw wspomnianej wcze\u015bniej ITI na proces odczytu informacji.<\/p>\n

    Fakt ten sta\u0142 si\u0119 podstaw\u0105 nak\u0142adkowego zapisu magnetycznego (Shingled Magnetic Recording, SMR). Sprawd\u017amy, jak to dzia\u0142a. Przy u\u017cyciu tradycyjnego PMR g\u0142owica zapisuj\u0105ca przesuwa si\u0119 wzgl\u0119dem ka\u017cdego poprzedniego toru na odleg\u0142o\u015b\u0107 r\u00f3wn\u0105 jej szeroko\u015bci + szeroko\u015b\u0107 przestrzeni ochronnej (guard space).<\/p>\n

    \"Technologie
    \nPrzy u\u017cyciu metody nagrywania magnetycznego za pomoc\u0105 uk\u0142ad\u00f3w p\u0142ytkowych, g\u0142owica zapisuj\u0105ca przesuwa si\u0119 do przodu tylko o cz\u0119\u015b\u0107 swojej szeroko\u015bci, przez co ka\u017cdy poprzedni \u015blad zostaje cz\u0119\u015bciowo nadpisany przez nast\u0119pny: \u015bcie\u017cki magnetyczne nak\u0142adaj\u0105 si\u0119 na siebie jak dach\u00f3wki. Takie podej\u015bcie pozwala dodatkowo zwi\u0119kszy\u0107 g\u0119sto\u015b\u0107 zapisu, oferuj\u0105c zysk pojemno\u015bci do 10%, nie wp\u0142ywaj\u0105c przy tym na proces odczytu. Jako przyk\u0142ad mo\u017cna poda\u0107     Western Digital Ultrastar DC HC 650<\/a><\/noindex> \u2014 pierwsze na \u015bwiecie dyski 3,5-calowe o pojemno\u015bci 20 TB z interfejsem SATA\/SAS, kt\u00f3rych pojawienie si\u0119 by\u0142o mo\u017cliwe dzi\u0119ki nowej technologii nagrywania magnetycznego. W ten spos\u00f3b przej\u015bcie na dyski SMR pozwala zwi\u0119kszy\u0107 g\u0119sto\u015b\u0107 przechowywania danych w tych samych szafkach przy minimalnych kosztach modernizacji infrastruktury IT.<\/p>\n

    \"Technologie
    \nPomimo tak znacz\u0105cej zalety, SMR ma r\u00f3wnie\u017c oczywist\u0105 wad\u0119. Poniewa\u017c \u015bcie\u017cki magnetyczne nak\u0142adaj\u0105 si\u0119 na siebie, przy aktualizacji danych konieczne b\u0119dzie ponowne zapisanie nie tylko wymaganego fragmentu, ale tak\u017ce wszystkich kolejnych \u015blad\u00f3w w obr\u0119bie p\u0142yty magnetycznej, kt\u00f3rej pojemno\u015b\u0107 mo\u017ce przekracza\u0107 2 terabajty, co mo\u017ce prowadzi\u0107 do powa\u017cnego spadku wydajno\u015bci.<\/p>\n

    Rozwi\u0105zaniem tego problemu jest po\u0142\u0105czenie okre\u015blonej liczby \u015blad\u00f3w w odr\u0119bne grupy, zwane strefami. Chocia\u017c takie podej\u015bcie do organizacji przechowywania danych nieco zmniejsza og\u00f3ln\u0105 pojemno\u015b\u0107 HDD (poniewa\u017c mi\u0119dzy strefami nale\u017cy zachowa\u0107 odpowiednie odst\u0119py, zapobiegaj\u0105ce nadpisywaniu \u015blad\u00f3w z s\u0105siednich grup), pozwala to znacz\u0105co przyspieszy\u0107 proces aktualizacji danych, poniewa\u017c teraz bierze w nim udzia\u0142 jedynie ograniczona liczba \u015bcie\u017cek.<\/p>\n

    \"Technologie
    \nNagrywanie magnetyczne za pomoc\u0105 dach\u00f3wek przewiduje kilka wariant\u00f3w realizacji:<\/p>\n