O primeiro disco rígido do mundo, o IBM RAMAC 305, lançado em 1956, tinha apenas 5 MB de dados, pesando 970 kg e com dimensões comparáveis a um refrigerador industrial. Os líderes corporativos modernos podem se orgulhar de capacidades de até 20 TB. Imagine só: há 64 anos, para gravar essa quantidade de informação, seriam necessárias mais de 4 milhões de RAMAC 305, e as dimensões do Data Center necessário para armazená-los ultrapassariam 9 quilômetros quadrados, enquanto hoje bastaria uma pequena caixa pesando cerca de 700 gramas! Muito desse aumento incrível na densidade de armazenamento foi alcançado graças ao aprimoramento dos métodos de gravação magnética.
É difícil acreditar, mas a estrutura dos discos rígidos não muda há quase 40 anos, desde 1983: foi quando o primeiro disco de 3,5 polegadas, o RO351, desenvolvido pela empresa escocesa Rodime, foi lançado. Esse pequeno dispositivo tinha duas placas magnéticas de 10 MB cada, ou seja, era capaz de armazenar o dobro de dados do ST-412 de 5,25 polegadas, lançado pela Seagate no mesmo ano para os computadores pessoais IBM 5160.
Rodime RO351 — o primeiro disco rígido de 3,5 polegadas do mundo
Apesar da inovação e do tamanho compacto, na época do lançamento, o RO351 acabou sendo praticamente desnecessário, e todas as tentativas subsequentes da Rodime de se firmar no mercado de discos rígidos fracassaram, levando a empresa a encerrar suas atividades em 1991, vendendo praticamente todos os ativos e reduzindo sua equipe ao mínimo. No entanto, o destino da Rodime não era a falência: em pouco tempo, os maiores fabricantes de discos rígidos começaram a procurá-la para adquirir a licença de uso do formato patenteado pelos escoceses. Atualmente, 3,5 polegadas é o padrão amplamente aceito tanto para HDDs de consumo quanto para unidades de classe corporativa.
Com o surgimento das redes neurais, do Deep Learning e da Internet das Coisas (IoT), a quantidade de dados gerados pela humanidade aumentou de forma avassaladora. Segundo a agência de análises IDC, até 2025, a quantidade de informações geradas tanto por pessoas quanto pelos dispositivos ao nosso redor atingirá 175 zettabytes (1 ZB = 10²¹ bytes), enquanto em 2019, esse número era de 45 ZB, em 2016 era de 16 ZB, e em 2006, o total de dados produzidos na história não ultrapassava 0,16 (!) ZB. As tecnologias modernas, entre as quais se destacam os métodos aprimorados de gravação de dados, auxiliam a lidar com essa explosão de informações.
LMR, PMR, CMR e TDMR: qual é a diferença?
O princípio de funcionamento dos discos rígidos é bastante simples. Finas placas metálicas, cobertas por uma camada de material ferromagnético (uma substância cristalina capaz de manter a magnetização mesmo na ausência de um campo magnético externo quando a temperatura fica abaixo do ponto de Curie), se movem rapidamente em relação ao conjunto das cabeças de gravação (5400 rotações por minuto ou mais). Quando uma corrente elétrica é aplicada à cabeça de gravação, um campo magnético alternado se forma, alterando a direção do vetor de magnetização dos domínios (áreas discretas da substância) do ferromagnético. A leitura de dados ocorre por meio do fenômeno da indução eletromagnética (a movimentação dos domínios em relação ao sensor gera uma corrente elétrica alternada) ou através do efeito giantomagnético, onde a resistência elétrica do sensor é alterada sob a ação de um campo magnético, como é implementado nos dispositivos de armazenamento modernos. Cada domínio codifica um bit de informação, assumindo o valor lógico "0" ou "1" dependendo da direção do vetor de magnetização.
Durante muito tempo, os discos rígidos usaram o método de Gravação Magnética Longitudinal (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), no qual o vetor de magnetização dos domínios ficava na superfície do disco magnético. Apesar da relativa simplicidade de implementação, essa tecnologia tinha um defeito significativo: para superar a coercividade (a transição das partículas magnéticas para um estado de domínio único), era necessário deixar uma considerável zona de buffer entre as trilhas (o chamado guard space). Em consequência disso, a densidade máxima de gravação alcançada no final dessa tecnologia era de apenas 150 Gbit/dm².
Em 2010, a LMR foi praticamente totalmente substituída pela Gravação Magnética Perpendicular (Perpendicular Magnetic Recording, PMR). A principal diferença dessa tecnologia em relação à gravação magnética longitudinal é que o vetor de magnetização de cada domínio está posicionado a um ângulo de 90° em relação à superfície do disco magnético, o que permitiu uma redução significativa do espaço entre as trilhas.
Graças a isso, a densidade de gravação de dados aumentou consideravelmente (até 1 Tbit/dm² em dispositivos modernos), sem comprometer as características de velocidade e a confiabilidade dos discos rígidos. Atualmente, a gravação magnética perpendicular é predominante no mercado, razão pela qual também é frequentemente chamada de CMR (Gravação Magnética Convencional — Conventional Magnetic Recording). Deve-se entender que não há diferença alguma entre PMR e CMR — é apenas uma variante diferente do nome.
Ao estudar as especificações técnicas dos discos rígidos modernos, você pode também se deparar com a enigmática abreviatura TDMR. Em particular, essa tecnologia é utilizada em unidades de classe corporativa . Do ponto de vista da física, TDMR (que significa Gravação Magnética Bidimensional — Two Dimensional Magnetic Recording) não é diferente da conhecida PMR: como antes, tratamos de trilhas que não se cruzam, cujos domínios estão orientados perpendicularmente à superfície dos discos magnéticos. A diferença entre as tecnologias reside na abordagem de leitura das informações.
No bloco de cabeçotes magnéticos dos discos rígidos, desenvolvidos com a tecnologia TDMR, cada cabeçote de gravação é acompanhado por dois sensores de leitura, permitindo a leitura simultânea de dados de cada trilha percorrida. Essa redundância permite que o controlador do HDD filtre efetivamente os ruídos eletromagnéticos, cuja presença é causada pela interferência entre trilhas (Intertrack Interference, ITI).
A solução para o problema do ITI oferece duas vantagens extremamente importantes:
- a redução do índice de interferência permite aumentar a densidade de gravação, reduzindo a distância entre as trilhas, resultando em um ganho de capacidade total de até 10% em comparação com o PMR convencional;
- junto com a tecnologia RVS e um microatuador de três posições, o TDMR permite uma resistência eficaz à vibração rotacional, causada pela operação dos discos rígidos, ajudando a alcançar um nível estável de desempenho mesmo nas condições mais desafiadoras.
O que é SMR e como funciona?
As dimensões do cabeçote de gravação são aproximadamente 1,7 vezes maiores em comparação às dimensões do sensor de leitura. Essa diferença considerável pode ser facilmente explicada: se o módulo gravador fosse ainda mais miniaturizado, a força do campo magnético que poderia gerar não seria suficiente para magnetizar os domínios da camada ferromagnética, e, portanto, os dados simplesmente não seriam armazenados. No caso do sensor de leitura, esse problema não ocorre. Além disso, sua miniaturização permite ainda reduzir o impacto mencionado acima do ITI no processo de leitura das informações.
Esse fato fundamenta a gravação magnética em sobreposição (Shingled Magnetic Recording, SMR). Vamos entender como isso funciona. Ao utilizar o tradicional PMR, o cabeçote de gravação se desloca em relação a cada trilha anterior a uma distância igual à sua largura + a largura do espaço de proteção (guard space).
No método de gravação magnética em telhas, a cabeça de gravação se move para frente apenas parte da sua largura, portanto, cada trilha anterior é parcialmente sobrescrita pela seguinte: as trilhas magnéticas se sobrepõem como telhas de um telhado. Essa abordagem permite aumentar ainda mais a densidade de gravação, proporcionando um ganho de capacidade de até 10%, sem afetar o processo de leitura. Como exemplo, podemos citar — os primeiros discos rígidos de 3,5 polegadas do mundo com 20 TB de capacidade e interface SATA/SAS, cuja existência foi possibilitada precisamente graças à nova tecnologia de gravação magnética. Assim, a transição para discos SMR permite aumentar a densidade de armazenamento de dados nos mesmos racks com mínimos custos de modernização da infraestrutura de TI.
Apesar de sua vantagem significativa, o SMR também tem uma desvantagem óbvia. Uma vez que as trilhas magnéticas se sobrepõem, ao atualizar dados, será necessário reescrever não apenas o fragmento requerido, mas também todas as trilhas subsequentes dentro do disco magnético, cuja capacidade pode exceder 2 terabytes, o que pode resultar em uma queda sério de desempenho.
Resolver esse problema é facilitado pela combinação de um número específico de trilhas em grupos distintos, chamados zonas. Embora essa abordagem de organização de armazenamento de dados reduza um pouco a capacidade total do HDD (uma vez que é necessário manter intervalos suficientes entre as zonas para evitar a sobrescrita de trilhas de grupos vizinhos), isso acelera significativamente o processo de atualização de dados, pois agora apenas um número limitado de trilhas está envolvido.
A gravação magnética em telhas prevê várias opções de implementação:
- Drive Managed SMR (SMR, gerenciada pelo disco)
Sua principal vantagem é a ausência de necessidade de modificar o software e/ou hardware do host, uma vez que o controlador HDD assume o gerenciamento do procedimento de gravação de dados. Esses discos podem ser conectados a qualquer sistema que tenha a interface necessária (SATA ou SAS), após o que o dispositivo estará imediatamente pronto para uso.
A desvantagem dessa abordagem é a variabilidade no nível de desempenho, tornando o Drive Managed SMR inadequado para aplicações corporativas onde a consistência do desempenho do sistema é um parâmetro crítico. No entanto, esses discos se saem bem em cenários que permitem tempo suficiente para a desfragmentação de dados em segundo plano. Por exemplo, os drives DMSMR , otimizados para uso em pequenas NAS com 8 baias, serão uma excelente escolha para um sistema de arquivamento ou backup que предполага armazenamento de backups a longo prazo.
- Host Managed SMR (SMR gerenciado pelo host)
O Host Managed SMR é a opção preferida para a implementação de gravação em nível de bloco em ambientes corporativos. Neste caso, a própria sistema host gerencia os fluxos de dados e as operações de leitura/escrita, utilizando extensões das interfaces ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), desenvolvidas pelos comitês INCITS T10 e T13.
Ao usar HMSMR, todo o espaço disponível no drive é dividido em zonas de dois tipos: Conventional Zones (zonas convencionais), que são usadas para armazenar metadados e gravações aleatórias (essencialmente atuando como um cache), e Sequential Write Required Zones (zonas de gravação sequencial), que ocupam a maior parte da capacidade total do disco rígido, onde os dados são gravados estritamente em sequência. Dados não organizados são armazenados na área de cache, de onde podem ser posteriormente transferidos para a zona de gravação sequencial apropriada. Isso garante que todos os setores físicos sejam gravados sequencialmente em direção radial e sejam reescritos apenas após um ciclo de transferência, tendo como resultado um desempenho do sistema estável e previsível. Desse modo, os discos HMSMR suportam comandos de leitura aleatória de maneira similar aos drives que utilizam o padrão PMR.
O Host Managed SMR é implementado em discos rígidos de classe enterprise .
A linha inclui unidades SATA e SAS de alta capacidade, voltadas para uso em centros de dados hiperescaláveis. O suporte a SMR gerenciado por host expande significativamente o escopo dessas unidades: além de sistemas de backup, são ideais para armazenamento em nuvem, CDN ou plataformas de streaming. A alta capacidade dos discos rígidos permite aumentar a densidade de armazenamento (nos mesmos racks) com custos mínimos de upgrade, enquanto o baixo consumo de energia (não mais que 0,29 watts por terabyte de informação armazenada) e a dissipação de calor (em média 5 °C inferior em comparação com alternativas) também reduzem significativamente os custos operacionais de manutenção do data center.
A única desvantagem do HMSMR é a complexidade relativamente alta de implementação. O fato é que, atualmente, nenhum sistema operacional ou aplicativo consegue trabalhar com essas unidades "pronto para uso", o que exige mudanças substanciais no stack de software para adaptar a infraestrutura de TI. Isso diz respeito, principalmente, ao próprio sistema operacional, o que, nas condições dos modernos data centers, que utilizam servidores multicore e multiprocessador, é uma tarefa bastante não trivial. Você pode aprender mais sobre as opções de implementação do suporte a Host Managed SMR em um recurso especializado , focado em questões de armazenamento de dados zonais. As informações reunidas aqui ajudarão a avaliar preliminarmente o grau de prontidão da sua infraestrutura de TI para a transição para sistemas de armazenamento zonal.
- Host Aware SMR (SMR gerenciada por host)
Os dispositivos com suporte a Host Aware SMR combinam a conveniência e flexibilidade do SMR gerenciado por driver com a alta velocidade de gravação do SMR gerenciado por host. Essas unidades são retrocompatíveis com sistemas de armazenamento mais antigos e podem funcionar sem o controle direto do host, mas, nesse caso, assim como com discos DMSMR, seu desempenho se torna imprevisível.
Assim como o Host Managed SMR, o Host Aware SMR utiliza dois tipos de zonas: Conventional Zones para gravação aleatória e Sequential Write Preferred Zones (zonas preferenciais para gravação sequencial). As últimas, ao contrário das mencionadas Sequential Write Required Zones, são automaticamente convertidas em zonas normais caso comece a ocorrer gravação de dados não ordenada nelas.
A implementação do SMR com suporte ao host prevê mecanismos internos de recuperação após gravação não sequencial. Dados não ordenados são gravados em áreas de cache, de onde o disco pode transferir informações para a zona de gravação sequencial, após a obtenção de todos os blocos necessários. Para gerenciar gravação não ordenada e desfragmentação em segundo plano, o disco utiliza uma tabela de endereçamento indireto. No entanto, se aplicativos corporativos exigem desempenho previsível e otimizado, isso ainda pode ser alcançado apenas quando o host assume total controle sobre todos os fluxos de dados e zonas de gravação.
Fonte: habr.com
