O primeiro disco rígido do mundo, o IBM RAMAC 305, lançado em 1956, continha apenas 5 MB de dados, pesava 970 kg e era comparável em tamanho a um refrigerador industrial. Os carros-chefe corporativos modernos podem ostentar uma capacidade de 20 TB. Imaginem: há 64 anos, para registar esta quantidade de informação, seriam necessários mais de 4 milhões de RAMAC 305, e o tamanho do data center necessário para acomodá-los teria ultrapassado os 9 quilómetros quadrados, enquanto hoje uma pequena caixa pesando cerca de 700 gramas! De muitas maneiras, esse incrível aumento na densidade de armazenamento foi alcançado graças a melhorias nos métodos de gravação magnética.
É difícil de acreditar, mas o design fundamental dos discos rígidos não mudou durante quase 40 anos, começando em 1983: foi quando o primeiro disco rígido RO3,5 de 351 polegadas, desenvolvido pela empresa escocesa Rodime, viu a luz do dia. Este bebê tinha dois pratos magnéticos de 10 MB cada, o que significa que era capaz de armazenar o dobro de dados que o ST-412 Seagate atualizado de 5,25 polegadas lançado no mesmo ano para computadores pessoais IBM 5160.
Rodime RO351 - o primeiro disco rígido de 3,5 polegadas do mundo
Apesar de sua inovação e tamanho compacto, na época de seu lançamento o RO351 revelou-se praticamente inútil para qualquer pessoa, e todas as tentativas posteriores da Rodime de se firmar no mercado de discos rígidos falharam, razão pela qual em 1991 a empresa foi forçada cessar as suas atividades, vendendo quase todos os ativos existentes e reduzindo o pessoal ao mínimo. Porém, a Rodime não estava destinada à falência: logo os maiores fabricantes de discos rígidos começaram a contatá-la, desejando adquirir uma licença para usar o formato patenteado pelos escoceses. Atualmente, 3,5 polegadas é o padrão geralmente aceito para a produção de HDDs de consumo e unidades de classe empresarial.
Com o advento das redes neurais, do Deep Learning e da Internet das Coisas (IoT), o volume de dados criados pela humanidade começou a crescer exponencialmente. De acordo com estimativas da agência analítica IDC, em 2025 a quantidade de informação gerada tanto pelas próprias pessoas como pelos dispositivos que nos rodeiam atingirá 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes), e isto apesar de em 2019 ter sido de 45 Zbytes , em 2016 - 16 Zbytes, e em 2006, a quantidade total de dados produzidos ao longo de todo o histórico observável não excedeu 0,16 (!) Zbytes. As tecnologias modernas estão a ajudar a fazer face à explosão da informação, nomeadamente os métodos melhorados de registo de dados.
LMR, PMR, CMR e TDMR: Qual a diferença?
O princípio de funcionamento dos discos rígidos é bastante simples. Finas placas de metal revestidas com uma camada de material ferromagnético (uma substância cristalina que pode permanecer magnetizada mesmo quando não exposta a um campo magnético externo em temperaturas abaixo do ponto Curie) movem-se em relação à unidade da cabeça de gravação em alta velocidade (5400 rotações por minuto ou mais). Quando uma corrente elétrica é aplicada à cabeça de gravação, surge um campo magnético alternado, que altera a direção do vetor de magnetização dos domínios (regiões discretas da matéria) do ferromagneto. A leitura dos dados ocorre tanto pelo fenômeno da indução eletromagnética (o movimento dos domínios em relação ao sensor provoca o aparecimento de uma corrente elétrica alternada neste último), quanto por um efeito magnetorresistivo gigante (sob a influência de um campo magnético o elétrico resistência das mudanças do sensor), como é implementado em drives modernos. Cada domínio codifica um bit de informação, assumindo o valor lógico “0” ou “1” dependendo da direção do vetor de magnetização.
Por muito tempo, os discos rígidos usaram o método de Gravação Magnética Longitudinal (LMR), no qual o vetor de magnetização do domínio ficava no plano da placa magnética. Apesar da relativa simplicidade de implementação, esta tecnologia tinha uma desvantagem significativa: para superar a coercividade (a transição das partículas magnéticas para um estado de domínio único), uma zona tampão impressionante (o chamado espaço de guarda) teve que ser deixada entre As faixas. Como resultado, a densidade máxima de gravação alcançada no final desta tecnologia foi de apenas 150 Gbit/polegada2.
Em 2010, o LMR foi quase completamente substituído pelo PMR (Perpendicular Magnetic Recording). A principal diferença entre esta tecnologia e a gravação magnética longitudinal é que o vetor de direção magnética de cada domínio está localizado em um ângulo de 90° em relação à superfície da placa magnética, o que reduziu significativamente o intervalo entre as trilhas.
Devido a isso, a densidade de gravação de dados foi significativamente aumentada (até 1 Tbit/in2 em dispositivos modernos), sem sacrificar as características de velocidade e confiabilidade dos discos rígidos. Atualmente, a gravação magnética perpendicular domina o mercado, por isso também é chamada de CMR (Gravação Magnética Convencional). Ao mesmo tempo, você precisa entender que não há absolutamente nenhuma diferença entre PMR e CMR – é apenas uma versão diferente do nome.
Ao estudar as características técnicas dos discos rígidos modernos, você também pode encontrar a misteriosa abreviatura TDMR. Em particular, esta tecnologia é usada por unidades de classe empresarial . Do ponto de vista físico, TDMR (que significa Gravação Magnética Bidimensional) não é diferente do PMR usual: como antes, estamos lidando com trilhas sem intersecção, cujos domínios são orientados perpendicularmente ao plano do magnético pratos. A diferença entre as tecnologias está na abordagem de leitura das informações.
No bloco de cabeças magnéticas de discos rígidos criados com a tecnologia TDMR, cada cabeça de gravação possui dois sensores de leitura que leem simultaneamente os dados de cada trilha passada. Essa redundância permite que o controlador HDD filtre efetivamente o ruído eletromagnético, cuja aparência é causada pela interferência entre trilhas (ITI).
Resolver o problema do ITI oferece dois benefícios extremamente importantes:
- a redução do fator de ruído permite aumentar a densidade de gravação reduzindo a distância entre as trilhas, proporcionando um ganho de capacidade total de até 10% em relação ao PMR convencional;
- Combinado com a tecnologia RVS e um microatuador de três posições, o TDMR resiste efetivamente à vibração rotacional causada pelos discos rígidos, ajudando a alcançar níveis consistentes de desempenho mesmo nas condições operacionais mais desafiadoras.
O que é SMR e com o que se come?
O tamanho da cabeça de escrita é aproximadamente 1,7 vezes maior em comparação com o tamanho do sensor de leitura. Uma diferença tão impressionante pode ser explicada de forma bastante simples: se o módulo de gravação for ainda mais miniatura, a força do campo magnético que ele pode gerar não será suficiente para magnetizar os domínios da camada ferromagnética, o que significa que os dados simplesmente irão não ser armazenado. No caso de um sensor de leitura, este problema não surge. Além disso: a sua miniaturização permite reduzir ainda mais a influência do referido ITI no processo de leitura da informação.
Este fato formou a base da Gravação Magnética Shingled (SMR). Vamos descobrir como isso funciona. Ao usar um PMR tradicional, o cabeçote de gravação é deslocado em relação a cada trilha anterior por uma distância igual à sua largura + a largura do espaço de guarda.
Ao usar o método de gravação magnética lado a lado, o cabeçote de gravação avança apenas parte de sua largura, de modo que cada trilha anterior é parcialmente substituída pela próxima: as trilhas magnéticas se sobrepõem umas às outras como telhas. Essa abordagem permite aumentar ainda mais a densidade de gravação, proporcionando um ganho de capacidade de até 10%, sem afetar o processo de leitura. Um exemplo é - as primeiras unidades de 3.5 polegadas e 20 TB do mundo com interface SATA/SAS, cujo surgimento foi possível 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 custos mínimos de atualização da infraestrutura de TI.
Apesar de uma vantagem tão significativa, o SMR também tem uma desvantagem óbvia. Como as trilhas magnéticas se sobrepõem, a atualização dos dados exigirá a reescrita não apenas do fragmento necessário, mas também de todas as trilhas subsequentes dentro do prato magnético, cujo volume pode exceder 2 terabytes, o que pode levar a uma grave queda no desempenho.
Este problema pode ser resolvido combinando um certo número de faixas em grupos separados chamados zonas. Embora esta abordagem para organizar o armazenamento de dados reduza um pouco a capacidade geral do HDD (uma vez que é necessário manter intervalos suficientes entre as zonas para evitar que faixas de grupos adjacentes sejam sobrescritas), ela pode acelerar significativamente o processo de atualização de dados, uma vez que agora apenas um número limitado de faixas está envolvido nele.
A gravação magnética em bloco envolve várias opções de implementação:
- Impulsionar SMR gerenciado
Sua principal vantagem é que não há necessidade de modificar o software e/ou hardware do host, uma vez que o controlador do HDD assume o controle do procedimento de gravação de dados. Essas unidades podem ser conectadas a qualquer sistema que possua a interface necessária (SATA ou SAS), após o que a unidade estará imediatamente pronta para uso.
A desvantagem dessa abordagem é que os níveis de desempenho variam, tornando o Drive Managed SMR inadequado para aplicações empresariais onde o desempenho consistente do sistema é crítico. No entanto, essas unidades funcionam bem em cenários que permitem tempo suficiente para que ocorra a desfragmentação dos dados em segundo plano. Por exemplo, unidades DMSMR , otimizado para uso como parte de um pequeno NAS de 8 compartimentos, será uma excelente escolha para um sistema de arquivamento ou backup que requer armazenamento de backups de longo prazo.
- SMR gerenciado por host
Host Managed SMR é a implementação de gravação lado a lado preferida para uso em um ambiente corporativo. Neste caso, o próprio sistema host é responsável por gerenciar os fluxos de dados e as operações de leitura/gravação, utilizando para esses fins as extensões de interface ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) desenvolvidas pelo INCITS. Comitês T10 e T13.
Ao usar HMSMR, toda a capacidade de armazenamento disponível da unidade é dividida em dois tipos de zonas: Zonas Convencionais, que são usadas para armazenar metadados e gravação aleatória (essencialmente desempenhando o papel de um cache), e Zonas Necessárias de Gravação Sequencial, que ocupam uma grande parte da capacidade total do disco rígido em que os dados são gravados estritamente sequencialmente. Os dados fora de ordem são armazenados em uma área de cache, de onde podem ser transferidos para a área de gravação sequencial apropriada. Isso garante que todos os setores físicos sejam escritos sequencialmente na direção radial e reescritos somente após uma transferência cíclica, resultando em um desempenho estável e previsível do sistema. Ao mesmo tempo, as unidades HMSMR suportam comandos de leitura aleatória da mesma forma que as unidades que usam PMR padrão.
Host Managed SMR é implementado em discos rígidos de classe empresarial .
A linha inclui unidades SATA e SAS de alta capacidade projetadas para uso em data centers de hiperescala. O suporte para Host Managed SMR expande significativamente o escopo de aplicação desses discos rígidos: além de sistemas de backup, eles são perfeitos para armazenamento em nuvem, CDN ou plataformas de streaming. A alta capacidade dos discos rígidos permite aumentar significativamente a densidade de armazenamento (nos mesmos racks) com custos mínimos de atualização e baixo consumo de energia (não mais que 0,29 watts por terabyte de informação armazenada) e dissipação de calor (em média 5 °C menor). do que análogos) - reduz ainda mais os custos operacionais para manutenção do data center.
A única desvantagem do HMSMR é a relativa complexidade de implementação. O fato é que hoje nenhum sistema operacional ou aplicativo pode funcionar imediatamente com essas unidades, e é por isso que são necessárias mudanças sérias na pilha de software para adaptar a infraestrutura de TI. Em primeiro lugar, trata-se, claro, do próprio sistema operacional, que nas condições dos data centers modernos que utilizam servidores multi-core e multi-socket é uma tarefa nada trivial. Você pode aprender mais sobre as opções para implementar o suporte SMR gerenciado por host em um recurso especializado , dedicado a questões de armazenamento zonal de dados. As informações coletadas aqui ajudarão você a avaliar preliminarmente a prontidão da sua infraestrutura de TI para transferência para sistemas de armazenamento de zona.
- SMR com reconhecimento de host (SMR com reconhecimento de host)
Os dispositivos habilitados para Host Aware SMR combinam a conveniência e a flexibilidade do Drive Managed SMR com as altas velocidades de gravação do Host Managed SMR. Essas unidades são compatíveis com versões anteriores de sistemas de armazenamento legados e podem operar sem controle direto do host, mas neste caso, como acontece com as unidades DMSMR, seu desempenho se torna imprevisível.
Assim como o Host Managed SMR, o Host Aware SMR usa dois tipos de zonas: zonas convencionais para gravações aleatórias e zonas preferenciais de gravação sequencial. Estas últimas, em contraste com as zonas obrigatórias de gravação sequencial mencionadas acima, são automaticamente relegadas à categoria de zonas regulares se começarem a registrar dados fora de ordem.
A implementação do SMR com reconhecimento de host fornece mecanismos internos para recuperação de gravações inconsistentes. Os dados fora de ordem são gravados em áreas de cache, de onde o disco pode transferir as informações para a área de gravação sequencial após todos os blocos necessários terem sido recebidos. O disco usa uma tabela indireta para gerenciar gravação fora de ordem e desfragmentação em segundo plano. No entanto, se as aplicações empresariais exigirem um desempenho previsível e otimizado, isso só poderá ser alcançado se o host assumir o controle total de todos os fluxos de dados e zonas de gravação.
Fonte: habr.com