Primul hard disk din lume, IBM RAMAC 305, lansat în 1956, avea o capacitate de doar 5 MB de date, cântărea 970 kg și avea dimensiuni comparabile cu un frigider industrial. Modelele moderne de vârf pentru companii se pot lăuda cu capacități de până la 20 TB. Imaginează-ți: acum 64 de ani, pentru a stoca o asemenea cantitate de informații, ar fi fost necesare peste 4 milioane de RAMAC 305, iar dimensiunile centrului de date necesar pentru a le găzdui ar fi depășit 9 kilometri pătrați, pe când astăzi ar fi suficientă o cutie mică de aproximativ 700 de grame! O mare parte din această creștere incredibilă a densității de stocare se datorează perfecționării metodelor de înregistrare magnetică.
E greu de crezut, dar designul hard disk-urilor nu s-a schimbat fundamental timp de aproape 40 de ani, începând cu anul 1983: exact atunci a fost lansat primul hard disk de 3,5 inci, RO351, dezvoltat de compania scoțiană Rodime. Acest micuț avea două platane magnetice de câte 10 MB fiecare, ceea ce însemna că putea stoca de două ori mai multe date decât ST-412, actualizat de Seagate, de 5,25 inci, lansat în același an pentru computerele personale IBM 5160.
Rodime RO351 — primul hard disk din lume de 3,5 inci
În ciuda inovației și dimensiunilor sale compacte, când a fost lansat, RO351 s-a dovedit a fi practic inutil, iar toate încercările ulterioare ale Rodime de a se impune pe piața hard disk-urilor au eșuat, motiv pentru care, în 1991, compania a fost nevoită să-și închidă activitatea, vânzând aproape toate activele și reducând personalul la minimum. Totuși, Rodime nu a fost sortită falimentului: în scurt timp, cei mai mari producători de hard disk-uri au început să se intereseze de o licență pentru utilizarea factorului de formă brevetat de scoțieni. În prezent, dimensiunea de 3,5 inci este standardul acceptat la producția atât pentru HDD-urile de consum, cât și pentru stocatoarele de nivel enterprise.
Odată cu apariția rețelelor neurale, a învățării profunde și a internetului obiectelor (IoT), volumul datelor create de umanitate a început să crească exponential. Conform estimărilor agenției de analiză IDC, până în 2025, cantitatea de informații generate atât de oameni, cât și de dispozitivele din jurul nostru va atinge 175 zettabyte (1 ZB = 10^21 byte), în condițiile în care în 2019 această valoare era de 45 ZB, în 2016 de 16 ZB, iar în 2006 volumul total de date generate de-a lungul întreagăi istorii nu depășea 0,16 (!) ZB. Pentru a face față exploziei informaționale ajută tehnologiile moderne, printre care metodele avansate de stocare a datelor ocupă un loc important.
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 ferromagnetic (o substanță cristalină capabilă să își păstreze magnetizarea chiar și în absența unui câmp magnetic extern, la temperaturi sub punctul Curie) se mișcă relativ la blocul capetelor de scriere cu o viteză mare (5400 de rotații pe minut sau mai mult). Când se aplică un curent electric pe capul de scriere, se generează un câmp magnetic alternativ care schimbă direcția vectorului de magnetizare al domeniilor (zone discrete ale substanței) ferromagnetice. Citirea datelor se realizează fie prin fenomenul de inducție electromagnetică (mișcarea domeniilor în raport cu senzorul generează un curent electric alternativ), fie prin efectul gigant magnetic de rezistență (sub acțiunea câmpului magnetic, se modifică rezistența electrică a senzorului), așa cum este implementat în unitățile de stocare moderne. Fiecare domeniu codifică un bit de informație, având o valoare logică „0” sau „1” în funcție de direcția vectorului de magnetizare.
O lungă perioadă de timp, hard disk-urile au utilizat metoda înregistrării magnetice longitudinale (Longitudinal Magnetic Recording - LMR), în care vectorul de magnetizare al domeniilor era situat în planul plăcii magnetice. Cu toate acestea, în ciuda simplității relative a implementării, această tehnologie avea un dezavantaj semnificativ: pentru a depăși coerciția (trecerea particulelor magnetice în starea de domeniu unic), era necesar să se lase o zonă tampon considerabilă între piste (așa-numita zonă de protecție). Din această cauză, densitatea maximă de înregistrare atinsă la sfârșitul acestei tehnologii a fost de doar 150 Gbit/dm2.
În 2010, LMR a fost practic complet înlocuită de PMR (Perpendicular Magnetic Recording - înregistrare magnetică perpendiculară). Principala diferență între această tehnologie și înregistrarea magnetică longitudinală este că vectorul orientării magnetice a fiecărui domeniu este situat la un unghi de 90° față de suprafața plăcii magnetice, ceea ce a permis reducerea semnificativă a intervalului dintre piste.
Datorită acestui lucru, densitatea de înregistrare a datelor a reușit să crească semnificativ (până la 1 Tbit/dm2 în dispozitivele moderne), fără a sacrifica caracteristicile de viteză și fiabilitatea hard disk-urilor. În prezent, înregistrarea magnetică perpendiculară este dominantă pe piață, motiv pentru care este adesea numită și CMR (Conventional Magnetic Recording - înregistrare magnetică obișnuită). Este important de înțeles că între PMR și CMR nu există nici o diferență reală - sunt doar alte denumiri pentru aceeași tehnologie.
Studiind caracteristicile tehnice ale hard disk-urilor moderne, s-ar putea să întâlniți și acronimul misterios TDMR. În special, această tehnologie este utilizată de unitățile de stocare de clasă enterprise Din punct de vedere fizic, TDMR (care se traduce prin Two Dimensional Magnetic Recording - înregistrare magnetică bidimensională) nu se deosebește în niciun fel de PMR: la fel ca înainte, avem de-a face cu piste care nu se intersectează, domeniile în care sunt orientate perpendicular pe planul plăcilor magnetice. Diferența între tehnologii constă în abordarea citirii informației.
În blocul capetelor magnetice al hard disk-urilor, create utilizând tehnologia TDMR, fiecare cap de scriere are câte două senzori de citire, care efectuează citirea simultană a datelor de pe fiecare pistă parcursă. Această redundanță permite controlerului HDD să filtreze eficient zgomotele electromagnetice, a căror apariție este cauzată de interferența inter-pistă (Intertrack Interference, ITI).
Rezolvarea problemei ITI oferă două avantaje extrem de importante:
- reducerea coeficientului de interferență permite creșterea densității de scriere prin diminuarea distanței între piste, asigurând câștig în capacitatea totală de până la 10% față de PMR-ul obișnuit;
- în combinație cu tehnologia RVS și microactuatorul pe trei poziții, TDMR permite contracararea eficientă a vibrației de rotație cauzate de funcționarea hard disk-urilor, ajutând la obținerea unui nivel stabil de performanță chiar și în cele mai dificile condiții de exploatare.
Ce este SMR și cum se utilizează?
Dimensiunile capului de scriere sunt de aproximativ 1,7 ori mai mari comparativ cu dimensiunile senzorului de citire. Această diferență semnificativă se explică destul de simplu: dacă modulul de scriere este făcut și mai mic, forțele câmpului magnetic pe care le poate genera nu vor fi suficiente pentru a magnetiza domeniile stratului ferromagnetic, ceea ce înseamnă că datele pur și simplu nu vor fi stocate. În cazul senzorului de citire, această problemă nu apare. Mai mult: miniaturizarea sa permite, de asemenea, reducerea influenței ITI menționate anterior asupra procesului de citire a informațiilor.
Acest fapt stă la baza înregistrării magnetice tip țiglă (Shingled Magnetic Recording, SMR). Haideți să înțelegem cum funcționează. Când utilizăm PMR tradițional, capul de scriere se deplasează în raport cu fiecare pistă anterioară la o distanță egală cu lățimea sa + lățimea spațiului de protecție (guard space).
Atunci când se utilizează metoda de înregistrare magnetică în țiglă, capul de scriere se mișcă înainte doar pe o parte din lățimea sa, astfel încât fiecare urme anterior este parțial rescris de următorul: benzile magnetice se suprapun asemănător țiglelor de acoperiș. Această abordare permite creșterea densității de înregistrare, oferind un câștig de capacitate de până la 10%, fără a afecta procesul de citire. Ca exemplu, se poate menționa — primele unități de 3,5 inci din lume cu o capacitate de 20 TB și interfață SATA/SAS, a căror apariție a fost posibilă datorită unei noi tehnologii de înregistrare magnetică. Astfel, trecerea la discurile SMR permite creșterea densității de stocare a datelor în aceleași rack-uri cu costuri minime de actualizare a infrastructurii IT.
În ciuda acestui avantaj semnificativ, SMR are și o dezavantaj evident. Deoarece benzile magnetice se suprapun, la actualizarea datelor va fi nevoie de rescrierea nu doar a fragmentului necesar, ci și a tuturor urmărilor ulterioare din limita plăcii magnetice, a cărei capacitate poate depăși 2 terabytes, ceea ce poate duce la o scădere semnificativă a performanței.
Rezolvarea acestei probleme este facilitată prin gruparea unui anumit număr de bande în grupuri separate, numite zone. Deși această abordare de organizare a stocării datelor reduce puțin capacitatea totală a HDD-ului (deoarece este necesar să se mențină suficiente intervale între zone pentru a preveni rescrierea benzilor din grupurile vecine), aceasta permite accelerarea semnificativă a procesului de actualizare a datelor, deoarece acum participă doar un număr limitat de benzi.
Întregistrarea magnetică în țiglă presupune mai multe variante de implementare:
- Drive Managed SMR (SMR, gestionat de unitate)
Principalul său avantaj este lipsa necesității de a modifica software-ul și/sau hardware-ul gazdei, deoarece controlerul HDD preia gestionarea procesului de scriere a datelor. Aceste discuri pot fi conectate la orice sistem care dispune de interfața necesară (SATA sau SAS), după care unitatea va fi imediat gata de utilizare.
Dezavantajul acestei abordări constă în variabilitatea nivelului de performanță, ceea ce face ca Drive Managed SMR să nu fie potrivit pentru aplicații de întreprindere, unde constanța performanței sistemului este un parametru critic. Cu toate acestea, aceste discuri funcționează bine în scenarii care oferă suficient timp pentru a efectua defragmentarea de fond a datelor. De exemplu, DMSMR-disco , optimizate pentru utilizarea în NAS-uri mici cu 8 unități, vor fi o alegere excelentă pentru un sistem de arhivare sau backup, care presupune stocarea pe termen lung a copiilor de rezervă.
- Host Managed SMR (SMR, gestionată de gazdă)
Host Managed SMR este cea mai preferată variantă de implementare a scrierii zonate pentru utilizare în medii de afaceri. În acest caz, gestionarea fluxurilor de date și a operațiunilor de citire/scriere este responsabilitatea sistemului gazdă, care utilizează pentru aceste scopuri extensii ale interfețelor ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) și SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), elaborate de comitetele INCITS T10 și T13.
În utilizarea HMSMR, tot volumul disponibil al unității este împărțit în zone de două tipuri: Conventional Zones (zone convenționale), care sunt folosite pentru stocarea metadatelor și a scrierii aleatoare (în esență, acționează ca un cache), și Sequential Write Required Zones (zonele ce necesită scriere secvențială), care ocupă cea mai mare parte din capacitatea totală a discului, în care datele sunt scrise strict secvențial. Datele nesortate sunt stocate în zona de caching, de unde pot fi ulterior transferate în zona corespunzătoare de scriere secvențială. Datorită acestui lucru, toate sectoarele fizice sunt scrise secvențial în direcția radială și sunt rescrise doar după transferul ciclic, ceea ce permite obținerea unei performanțe constante și previzibile a sistemului. În acest context, discurile HMSMR acceptă comenzi de citire aleatorie, similar cu unitățile care folosesc standardul PMR.
Host Managed SMR este implementată în discurile de clasă enterprise .
Gama include unități de stocare SATA și SAS de capacitate mare, concepute pentru utilizare în centre de date hipermasive. Suportul pentru Host Managed SMR extinde semnificativ domeniul de aplicare al acestor hard disk-uri: pe lângă sistemele de backup, acestea sunt ideale pentru stocarea în cloud, CDN sau platforme de streaming. Capacitatea mare a hard disk-urilor permite să se crească semnificativ densitatea de stocare (în aceleași rack-uri) cu costuri minime de upgrade, iar consumul redus de energie (maximum 0,29 wați pentru fiecare terabyte de informație stocată) și căldura emisă (în medie cu 5 °C mai puțin decât omologii) contribuie suplimentar la reducerea cheltuielilor operaționale pentru întreținerea centrului de date.
Singurul dezavantaj al HMSMR este complexitatea relativă a implementării. Ceea ce este important este că, în prezent, niciun sistem de operare sau aplicație nu poate lucra cu astfel de unități de stocare "din cutie", ceea ce necesită modificări semnificative ale stivei software pentru a adapta infrastructura IT. Acest lucru se aplică în principal sistemului de operare, ceea ce în condițiile actuale ale centrelor de date, care utilizează servere multi-core și multi-socket, prezintă o sarcină destul de complexă. Puteți afla mai multe despre opțiunile de implementare a suportului pentru Host Managed SMR pe o resursă specializată , dedicată problemelor de stocare zonală a datelor. Informațiile adunate aici vă vor ajuta să evaluați anticipat gradul de pregătire al infrastructurii IT pentru migrarea către sisteme de stocare zonală.
- Host Aware SMR (SMR, conștientă de gazdă)
Dispozitivele cu suport pentru Host Aware SMR combină conveniența și flexibilitatea Drive Managed SMR cu viteza ridicată de scriere a Host Managed SMR. Aceste unități sunt compatibile cu sistemele de stocare mai vechi și pot funcționa fără un control direct din partea gazdelor, însă în acest caz, la fel ca în cazul funcționării cu discuri DMSMR, performanța lor devine imprevizibilă.
Asemenea Host Managed SMR, Host Aware SMR utilizează două tipuri de zone: Conventional Zones pentru scrierea aleatorie și Sequential Write Preferred Zones (zone preferate pentru scrierea secvențială). Ultimele, spre deosebire de zonele Sequential Write Required menționate anterior, se transformă automat în zone obișnuite în cazul în care încep să fie scrise date neordonate.
Implementarea SMR cu suport de gazdă prevede mecanisme interne de recuperare după scrierea neordonată. Datele neordonate sunt scrise în zonele de cache, din care discul poate transfera informația în zona de scriere secvențială, după ce toate blocurile necesare au fost primite. Pentru a gestiona scrierea neordonată și defragmentarea în fundal, discul folosește o tabelă de adresare indirectă. Cu toate acestea, dacă aplicațiile de corporație necesită o performanță previzibilă și optimizată, acest lucru se poate realiza doar atunci când gazda își asumă controlul total asupra tuturor fluxurilor de date și zonelor de scriere.
Sursa: habr.com
