Primul hard disk din lume, IBM RAMAC 305, lansat în 1956, deținea doar 5 MB de date, cântărea 970 kg și era comparabil ca dimensiune cu un frigider industrial. Navele emblematice corporative moderne se pot lăuda cu o capacitate de 20 TB. Imaginați-vă: acum 64 de ani, pentru a înregistra această cantitate de informații, ar fi fost necesare peste 4 milioane de RAMAC 305, iar dimensiunea centrului de date necesar pentru a le găzdui ar fi depășit 9 kilometri pătrați, în timp ce astăzi o cutie mică cântărind cam 700 de grame! În multe privințe, această creștere incredibilă a densității de stocare a fost obținută datorită îmbunătățirilor aduse metodelor de înregistrare magnetică.
Este greu de crezut, dar designul fundamental al hard disk-urilor nu s-a schimbat de aproape 40 de ani, începând cu 1983: atunci a văzut lumina primului hard disk de 3,5 inchi RO351, dezvoltat de compania scoțiană Rodime. Acest copil avea două platouri magnetice de 10 MB fiecare, ceea ce înseamnă că era capabil să dețină de două ori mai multe date decât ST-412 Seagate actualizat de 5,25 inchi, lansat în același an pentru computerele personale IBM 5160.
Rodime RO351 - primul hard disk de 3,5 inchi din lume
În ciuda inovației și dimensiunilor sale compacte, la momentul lansării, RO351 s-a dovedit a fi practic inutil pentru oricine, iar toate încercările ulterioare ale Rodime de a obține un loc pe piața hard disk-urilor au eșuat, motiv pentru care în 1991 compania a fost forțată. să își înceteze activitățile, vânzând aproape toate activele existente și reducând personalul la minimum. Cu toate acestea, Rodime nu era destinat să intre în faliment: în curând cei mai mari producători de hard disk au început să-l contacteze, dorind să achiziționeze o licență de utilizare a factorului de formă brevetat de scoțieni. În prezent, 3,5 inchi este standardul general acceptat pentru producția atât de HDD-uri de consum, cât și de unități de clasă enterprise.
Odată cu apariția rețelelor neuronale, a învățării profunde și a Internetului lucrurilor (IoT), volumul de date creat de umanitate a început să crească exponențial. Potrivit estimărilor agenției de analiză IDC, până în 2025 cantitatea de informații generate atât de oamenii înșiși, cât și de dispozitivele din jurul nostru va ajunge la 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes), și asta în ciuda faptului că în 2019 aceasta se ridica la 45 Zbytes. , în 2016 - 16 Zbytes, iar în 2006, cantitatea totală de date produse de-a lungul întregului istoric observabil nu a depășit 0,16 (!) Zbytes. Tehnologiile moderne ajută să facă față exploziei informaționale, dintre care nu în ultimul rând sunt metode îmbunătățite de înregistrare a datelor.
LMR, PMR, CMR și TDMR: Care este diferența?
Principiul de funcționare al hard disk-urilor este destul de simplu. Plăcile metalice subțiri acoperite cu un strat de material feromagnetic (o substanță cristalină care poate rămâne magnetizată chiar și atunci când nu sunt expuse la un câmp magnetic extern la temperaturi sub punctul Curie) se deplasează în raport cu unitatea capului de scriere la viteză mare (5400 de rotații pe minut sau Mai mult). Când un curent electric este aplicat capului de scriere, apare un câmp magnetic alternativ, care schimbă direcția vectorului de magnetizare a domeniilor (regiuni discrete de materie) ale feromagnetului. Citirea datelor are loc fie din cauza fenomenului de inducție electromagnetică (mișcarea domeniilor în raport cu senzorul determină apariția unui curent electric alternativ în acesta din urmă), fie datorită unui efect magnetorezistiv gigant (sub influența unui câmp magnetic, rezistența senzorului se modifică), așa cum este implementat în acționările moderne. Fiecare domeniu codifică un bit de informație, luând valoarea logică „0” sau „1” în funcție de direcția vectorului de magnetizare.
Pentru o lungă perioadă de timp, hard disk-urile au folosit metoda Longitudinal Magnetic Recording (LMR), în care vectorul de magnetizare a domeniului se afla în planul plăcii magnetice. În ciuda simplității relative a implementării, această tehnologie a avut un dezavantaj semnificativ: pentru a depăși coercitatea (tranziția particulelor magnetice într-o stare cu un singur domeniu), a trebuit lăsată o zonă tampon impresionantă (așa-numitul spațiu de gardă) între urmele. Drept urmare, densitatea maximă de înregistrare care a fost atinsă la sfârșitul acestei tehnologii a fost de doar 150 Gbit/inch2.
În 2010, LMR a fost aproape complet înlocuit de PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Principala diferență dintre această tehnologie și înregistrarea magnetică longitudinală este că vectorul de direcție magnetică al fiecărui domeniu este situat la un unghi de 90° față de suprafața plăcii magnetice, ceea ce a redus semnificativ decalajul dintre piste.
Datorită acestui fapt, densitatea de înregistrare a datelor a fost crescută semnificativ (până la 1 Tbit/in2 în dispozitivele moderne), fără a sacrifica caracteristicile de viteză și fiabilitatea hard disk-urilor. În prezent, înregistrarea magnetică perpendiculară domină piața, motiv pentru care este adesea numită și CMR (Conventional Magnetic Recording). În același timp, trebuie să înțelegeți că nu există absolut nicio diferență între PMR și CMR - este doar o versiune diferită a numelui.
În timp ce studiați caracteristicile tehnice ale hard disk-urilor moderne, este posibil să întâlniți și misterioasa abreviere TDMR. În special, această tehnologie este utilizată de unitățile de clasă enterprise . Din punct de vedere fizic, TDMR (care înseamnă Two Dimensional Magnetic Recording) nu este diferit de PMR obișnuit: ca și înainte, avem de-a face cu piste neintersectate, ale căror domenii sunt orientate perpendicular pe planul magneticului. farfurii. Diferența dintre tehnologii constă în abordarea citirii informațiilor.
În blocul de capete magnetice ale hard disk-urilor create folosind tehnologia TDMR, fiecare cap de scris are doi senzori de citire care citesc simultan datele de pe fiecare pistă trecută. Această redundanță permite controlerului HDD să filtreze eficient zgomotul electromagnetic, al cărui aspect este cauzat de interferența între piste (ITI).
Rezolvarea problemei ITI oferă două beneficii extrem de importante:
- reducerea factorului de zgomot vă permite să creșteți densitatea de înregistrare prin reducerea distanței dintre piste, oferind un câștig în capacitatea totală de până la 10% față de PMR convențional;
- Combinat cu tehnologia RVS și un microactuator cu trei poziții, TDMR rezistă eficient la vibrațiile de rotație cauzate de hard disk, ajutând la atingerea unor niveluri consistente de performanță chiar și în cele mai dificile condiții de operare.
Ce este SMR și cu ce se mănâncă?
Dimensiunea capului de scris este de aproximativ 1,7 ori mai mare în comparație cu dimensiunea senzorului de citire. O astfel de diferență impresionantă poate fi explicată destul de simplu: dacă modulul de înregistrare este realizat și mai miniatural, puterea câmpului magnetic pe care îl poate genera nu va fi suficientă pentru a magnetiza domeniile stratului feromagnetic, ceea ce înseamnă că datele pur și simplu vor să nu fie depozitate. În cazul unui senzor de citire, această problemă nu apare. Mai mult: miniaturizarea sa face posibilă reducerea în continuare a influenței ITI menționate mai sus asupra procesului de citire a informațiilor.
Acest fapt a stat la baza înregistrării magnetice cu șindrilă (SMR). Să ne dăm seama cum funcționează. Când se utilizează un PMR tradițional, capul de scriere este deplasat față de fiecare pistă anterioară cu o distanță egală cu lățimea sa + lățimea spațiului de gardă.
Când se folosește metoda de înregistrare magnetică cu gresie, capul de scriere se deplasează înainte doar o parte din lățimea sa, astfel încât fiecare pistă anterioară este parțial suprascrisă de următoarea: pistele magnetice se suprapun una pe cealaltă precum țiglele de acoperiș. Această abordare vă permite să creșteți și mai mult densitatea de înregistrare, oferind un câștig în capacitate de până la 10%, fără a afecta procesul de citire. Un exemplu este - primele unități de 3.5 inci de 20 TB din lume cu interfață SATA/SAS, a căror apariție a fost posibilă datorită noii tehnologii de înregistrare magnetică. Astfel, trecerea la discuri SMR vă permite să creșteți densitatea stocării datelor în aceleași rack-uri cu costuri minime pentru modernizarea infrastructurii IT.
În ciuda unui avantaj atât de semnificativ, SMR are și un dezavantaj evident. Deoarece pistele magnetice se suprapun unele pe altele, actualizarea datelor va necesita rescrierea nu numai a fragmentului necesar, ci și a tuturor pistelor ulterioare din platoul magnetic, al căror volum poate depăși 2 teraocteți, ceea ce poate duce la o scădere serioasă a performanței.
Această problemă poate fi rezolvată prin combinarea unui anumit număr de piese în grupuri separate numite zone. Deși această abordare a organizării stocării datelor reduce oarecum capacitatea totală a HDD-ului (deoarece este necesar să se mențină suficiente decalaje între zone pentru a preveni suprascrierea pistelor din grupurile adiacente), poate accelera semnificativ procesul de actualizare a datelor, deoarece acum doar un număr limitat de piese sunt implicate în acesta.
Înregistrarea magnetică cu plăci implică mai multe opțiuni de implementare:
- Drive Managed SMR
Principalul său avantaj este că nu este necesară modificarea software-ului și/sau hardware-ului gazdă, deoarece controlerul HDD preia controlul asupra procedurii de înregistrare a datelor. Astfel de unități pot fi conectate la orice sistem care are interfața necesară (SATA sau SAS), după care unitatea va fi imediat gata de utilizare.
Dezavantajul acestei abordări este că nivelurile de performanță variază, ceea ce face ca Drive Managed SMR să nu fie potrivit pentru aplicațiile de întreprindere în care performanța constantă a sistemului este esențială. Cu toate acestea, astfel de unități funcționează bine în scenarii care permit timp suficient pentru a avea loc defragmentarea datelor de fundal. De exemplu, unitățile DMSMR , optimizat pentru a fi utilizat ca parte a unui NAS mic cu 8 locații, va fi o alegere excelentă pentru un sistem de arhivare sau de backup care necesită stocare pe termen lung a backup-urilor.
- SMR gestionat de gazdă
Host Managed SMR este implementarea preferată a înregistrării în teracotă pentru utilizare într-un mediu de întreprindere. În acest caz, sistemul gazdă însuși este responsabil pentru gestionarea fluxurilor de date și a operațiunilor de citire/scriere, utilizând în aceste scopuri extensiile de interfață ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) și SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) dezvoltate de INCITS. Comitetele T10 și T13 .
Când utilizați HMSMR, întreaga capacitate de stocare disponibilă a unității este împărțită în două tipuri de zone: Zone convenționale, care sunt utilizate pentru a stoca metadate și înregistrări aleatorii (în esență, joacă rolul unui cache) și Zonele necesare pentru scrierea secvențială, care ocupă o mare parte din capacitatea totală a hard diskului în care datele sunt scrise strict secvenţial. Datele necomandate sunt stocate într-o zonă cache, de unde pot fi apoi transferate în zona de scriere secvențială corespunzătoare. Acest lucru asigură că toate sectoarele fizice sunt scrise secvențial în direcția radială și sunt rescrise numai după un transfer ciclic, rezultând o performanță stabilă și previzibilă a sistemului. În același timp, unitățile HMSMR acceptă comenzi de citire aleatorie în același mod ca și unitățile care utilizează PMR standard.
Host Managed SMR este implementat în hard disk-uri de clasă enterprise .
Linia include unități SATA și SAS de mare capacitate concepute pentru utilizare în centre de date hiperscale. Suportul pentru Host Managed SMR extinde semnificativ domeniul de aplicare al unor astfel de hard disk-uri: pe lângă sistemele de backup, acestea sunt perfecte pentru stocarea în cloud, CDN sau platformele de streaming. Capacitatea mare a hard disk-urilor vă permite să creșteți semnificativ densitatea de stocare (în aceleași rafturi) cu costuri minime de upgrade și cu un consum redus de energie (nu mai mult de 0,29 wați pe terabyte de informații stocate) și cu disiparea căldurii (în medie cu 5 °C mai mică). decât analogii) - reduc și mai mult costurile de operare pentru întreținerea centrului de date.
Singurul dezavantaj al HMSMR este complexitatea relativă a implementării. Chestia este că astăzi niciun sistem de operare sau aplicație nu poate funcționa cu astfel de unități din cutie, motiv pentru care sunt necesare modificări serioase ale stivei de software pentru a adapta infrastructura IT. În primul rând, aceasta se referă, desigur, la sistemul de operare însuși, care în condițiile centrelor de date moderne care utilizează servere multi-core și multi-socket este o sarcină destul de netrivială. Puteți afla mai multe despre opțiunile de implementare a suportului SMR gestionat de gazdă pe o resursă specializată , dedicat problemelor de stocare a datelor zonale. Informațiile colectate aici vă vor ajuta să evaluați preliminar gradul de pregătire a infrastructurii dumneavoastră IT pentru transferul către sistemele de stocare de zonă.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Dispozitivele compatibile Host Aware SMR combină confortul și flexibilitatea Drive Managed SMR cu vitezele mari de scriere ale Host Managed SMR. Aceste unități sunt compatibile cu sistemele de stocare vechi și pot funcționa fără control direct de la gazdă, dar în acest caz, ca și în cazul unităților DMSMR, performanța lor devine imprevizibilă.
La fel ca Host Managed SMR, Host Aware SMR utilizează două tipuri de zone: zone convenționale pentru scrieri aleatorii și zone preferate de scriere secvențială. Acestea din urmă, spre deosebire de zonele obligatorii de scriere secvențială menționate mai sus, sunt retrogradate automat în categoria celor obișnuite dacă încep să înregistreze date neîntrerupte.
Implementarea SMR conștient de gazdă oferă mecanisme interne de recuperare din scrieri inconsecvente. Datele necomandate sunt scrise în zonele cache, de unde discul poate transfera informațiile în zona de scriere secvențială după ce au fost primite toate blocurile necesare. Discul folosește un tabel de indirecte pentru a gestiona scrierea neregulată și defragmentarea de fundal. Cu toate acestea, dacă aplicațiile de întreprindere necesită performanțe previzibile și optimizate, acest lucru poate fi realizat doar dacă gazda preia controlul deplin asupra tuturor fluxurilor de date și zonelor de înregistrare.
Sursa: www.habr.com