Prvý na svete pevným diskom, IBM RAMAC 305, ktorý bol predstavený v roku 1956, mal kapacitu iba 5 MB dát a vážil 970 kg, pričom jeho rozmery sa podobali priemyselnému chladiču. Moderné podnikové vlajkové lode sa môžu pochváliť kapacitou už 20 TB. Predstavte si: pred 64 rokmi by na zaznamenanie takého množstva informácií bolo potrebných viac ako 4 milióny RAMAC 305, pričom plocha potrebná na ich uskladnenie by prevyšovala 9 štvorcových kilometrov, zatiaľ čo dnes stačí malá krabička s hmotnosťou približne 700 gramov! V mnohom sa takúto neuveriteľnú hustotu ukladania podarilo dosiahnuť vďaka vylepšeniu metód magnetického záznamu.
Ťažko tomu uveriť, no konštrukcia pevných diskov sa podstatne nezmenila už takmer 40 rokov, počnúc rokom 1983: práve vtedy bol uvedený prvý 3,5-palcový disk RO351, ktorý vyvinula škótska spoločnosť Rodime. Tento malý disk mal dve magnetické platne po 10 MB každá, teda bol schopný pojať dvakrát viac dát ako aktualizovaný ST-412 s rozmerom 5,25 palca, ktorý bol vydaný spoločnosťou Seagate v tom istom roku pre osobné počítače IBM 5160.
Rodime RO351 — prvý na svete 3,5-palcový disk
Napriek inovatívnosti a kompaktným rozmerom sa RO351 pri svojom uvedení na trh ukázal ako prakticky nepotrebný, a všetky ďalšie pokusy Rodime usadiť sa na trhu diskov zlyhali, čo viedlo v roku 1991 k ukončeniu činnosti spoločnosti, ktorá sa musela zbaviť prakticky všetkých svojich aktív a znížiť počet zamestnancov na minimum. Avšak Rodime nebolo súdené skrachovať: čoskoro sa na ňu začali obracať najväčší výrobcovia diskov, ktorí mali záujem o licenciu na použitie patentovaného formátu vyvinutého škótmi. V súčasnosti je 3,5 palca bežným štandardom výroby ako pre spotrebiteľské HDD, tak aj pre podnikové úložiská.
S príchodom neurónových sietí, Deep Learningu a internetu vecí (IoT) objem vytváraných dát ľuďmi vzrástol explosívne. Podľa odhadov analytickej agentúry IDC dosiahne do roku 2025 množstvo informácií generovaných ako samotnými ľuďmi, tak aj okolitými zariadeniami 175 zettabajtov (1 ZB = 10^21 bajtov), a to aj napriek tomu, že v roku 2019 to predstavovalo 45 ZB, v roku 2016 - 16 ZB a v roku 2006 celkový objem dát vyprodukovaných od začiatku všeobecnej histórie nepresiahol 0,16 (!) ZB. S informačným výbuchom pomáhajú moderné technológie, medzi ktorými majú vylepšené metódy zápisu dát významné miesto.
LMR, PMR, CMR a TDMR: aký je rozdiel?
Princíp fungovania pevných diskov je pomerne jednoduchý. Tenšie kovové dosky pokryté vrstvou ferromagnetického materiálu (kryštalická látka schopná udržiavať magnetizáciu aj bez vonkajšieho magnetického poľa pri teplote pod Curieho bodom) sa pohybujú voči blokom zapisovacích hláv vysokou rýchlosťou (5400 otáčok za minútu alebo viac). Pri dodaní elektrického prúdu na zapisovaciu hlavu vzniká striedavé magnetické pole, ktoré mení smer vektora magnetizácie domén (diskrétnych oblastí látky) ferromagnetika. Čítanie dát sa uskutočňuje buď prostredníctvom javu elektromagnetickej indukcie (pohyb domén voči snímaču spôsobuje vznik striedavého elektrického prúdu), alebo prostredníctvom obrovského magnetorezistívneho efektu (pod vplyvom magnetického poľa sa mení elektrický odpor snímača), ako je realizované v moderných úložiskách. Každá doména kóduje jeden bit informácie, pričom prijíma logickú hodnotu „0“ alebo „1“ v závislosti od smeru vektora magnetizácie.
Dlho sa na pevné disky používala metóda pozdlžného magnetického záznamu (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), pri ktorej vektor magnetizácie dominoval v rovine magnetickej platne. Napriek relatívnej jednoduchosti realizácie mala táto technológia významnú nevýhodu: aby sa prekonala koercitivita (prechod magnetických častíc do jednodoménového stavu), musela sa medzi dráhami nechať značná bufferová zóna (tzv. guard space — ochranný priestor). V dôsledku toho maximálna hustota záznamu, ktorú sa podarilo dosiahnuť na sklonku tejto technológie, dosahovala len 150 Gbit/dal.
V roku 2010 bola LMR prakticky úplne vytlačená PMR (Perpendicular Magnetic Recording — kolmá magnetická zaznamenávanie). Hlavný rozdiel tejto technológie od pozdlžného magnetického záznamu spočíva v tom, že vektor magnetickej orientácie každého domina leží pod uhlom 90° na povrchu magnetickej platne, čo umožnilo podstatne skrátiť vzdialenosť medzi dráhami.
Vďaka tomu sa podarilo výrazne zvýšiť hustotu záznamu údajov (až do 1 Tbit/dal v súčasných zariadeniach), pričom neboli obetované rýchlostné charakteristiky a spoľahlivosť pevných diskov. V súčasnosti je kolmá magnetická zaznamenávanie dominantná na trhu, a preto sa často nazýva aj CMR (Conventional Magnetic Recording — bežný magnetický záznam). Treba však chápať, že medzi PMR a CMR nie je žiadny rozdiel — je to len iný variant názvu.
Pri skúmaní technických parametrov moderných pevných diskov sa môžete tiež stretnúť s tajomnou skratkou TDMR. Najmä túto technológiu používajú úložiská podnikovej triedy . Z fyzikálneho hľadiska TDMR (čo sa rozširuje ako Two Dimensional Magnetic Recording — dvojdimenzionálny magnetický záznam) sa nijako nelíši od známej PMR: ako vždy, máme čo do činenia s neprekrývajúcimi sa dráhami, pričom domény sú orientované kolmo na rovinu magnetických platní. Rozdiel medzi technológiami spočíva v prístupe k čítaniu informácií.
V bloku magnetických hláv pevných diskov, vytvorených pomocou technológie TDMR, pripadá na každú zapisovaciu hlavu dva čítajúce senzory, ktoré vykonávajú súčasné čítanie údajov z každého prechádzajúceho traktu. Takáto redundantnosť umožňuje HDD kontrolóru efektívne filtrovať elektromagnetický šum, ktorého vznik spôsobuje medzi trakovú interferenciu (Intertrack Interference, ITI).
Riešenie problému s ITI zabezpečuje dve mimoriadne dôležité výhody:
- znižovanie koeficientu rušenia umožňuje zvýšiť hustotu zápisu zmenšením vzdialenosti medzi traktami, čím sa dosiahne nárast celkovej kapacity až o 10 % v porovnaní s bežným PMR;
- v kombinácii s technológiou RVS a trojpozicionálnym mikroaktuatorom, TDMR efektívne odoláva rotačnej vibrácii spôsobenej prevádzkou pevných diskov, čo napomáha dosiahnuť stabilnú úroveň výkonu aj v najnáročnejších podmienkach prevádzky.
Čo je to SMR a ako sa to používa?
Veľkosti zapisovacej hlavy sú približne 1,7 krát väčšie v porovnaní s veľkosťou čítajúceho senzora. Takáto významná rozdielnosť sa dá vysvetliť jednoducho: ak by sa zapisovací modul vyrobil ešte menším, sily magnetického poľa, ktoré by mohol generovať, by boli nedostatočné na magnetizáciu domén feromagnetického vrstvy, a teda údaje jednoducho nebudú uložené. V prípade čítajúceho senzora sa tento problém nevyskytuje. Navyše: jeho miniaturizácia umožňuje ďalšie zníženie vplyvu vyššie uvedenej ITI na proces čítania informácií.
Tento fakt sa stal základom čerpenej magnetickej zápisu (Shingled Magnetic Recording, SMR). Poďme sa pozrieť, ako to funguje. Pri používaní tradičného PMR sa zapisovacia hlava posúva voči každému predchádzajúcemu traku na vzdialenosť rovnajúcu sa jej šírke + šírka ochranného priestoru (guard space).
Pri použití šindelového spôsobu magnetického zápisu sa písacia hlava posúva dopredu len o časť svojej šírky, takže každý predchádzajúci pás je čiastočne prepísaný nasledujúcim: magnetické stopy sa prekrývajú podobne ako strešné šindle. Takýto prístup umožňuje dodatočne zvýšiť hustotu zápisu, pričom sa získa až 10% kapacity bez negatívneho vplyvu na proces čítania. Ako príklad môžeme uviesť — prvé na svete 3,5-palcové pamäťové jednotky s kapacitou 20 TB a rozhraním SATA/SAS, ktorých vznik bol umožnený práve vďaka novej technológii magnetického zápisu. Týmto spôsobom prechod na SMR disky umožňuje zvýšiť hustotu ukladania dát v rovnakých stojanoch s minimálnymi nákladmi na modernizáciu IT infraštruktúry.
Napriek takejto významnej výhode má SMR aj očividnú nevýhodu. Keďže sa magnetické stopy prekrývajú, pri aktualizácii údajov bude potrebné prepísať nielen požadovanú časť, ale aj všetky nasledujúce stopy v rámci magnetickej platne, ktorej objem môže presiahnuť 2 terabajty, čo môže viesť k vážnemu poklesu výkonu.
Riešením tejto problematiky je zlúčenie určitého počtu stôp do samostatných skupín, nazývaných zóny. Hoci takýto prístup k organizácii ukladania údajov trochu znižuje celkovú kapacitu HDD (pretože medzi zónami je potrebné zachovávať dostatočné prázdne miesta, ktoré zabraňujú prepísaniu stôp z susedných skupín), umožňuje to výrazne urýchliť proces aktualizácie údajov, pretože sa teraz zúčastňuje iba obmedzený počet stôp.
Šindelový magnetický zápis predpokladá niekoľko variant realizácie:
- Drive Managed SMR (SMR riadená diskom)
Hlavnou výhodou je absencia potreby modifikácie softvéru a/alebo hardvéru hostiteľa, pretože riadenie procesu zápisu údajov preberá ovládač HDD. Takéto disky môžu byť pripojené k akejkoľvek sústave, v ktorej je prítomné potrebné rozhranie (SATA alebo SAS), po čom je pamäťová jednotka okamžite pripravená na prácu.
Nevýhodou tohoto přístupu je proměnlivost úrovně výkonu, což způsobuje, že Drive Managed SMR je nevhodný pro podnikové aplikace, kde je konzistence výkonu systému kriticky důležitá. Přesto se tyto disky osvědčují v scénářích, kde je k dispozici dostatek času na provádění pozadí defragmentace dat. Například DMSMR úložiště , optimalizované pro využití v malých NAS se 8 zásuvkami, budou skvělou volbou pro archivaci nebo zálohovací systém, který předpokládá dlouhodobé uchování záloh.
- Host Managed SMR (SMR řízený hostitelem)
Host Managed SMR je nejpreferovanější variantou implementace zónového zápisu pro podnikové prostředí. V tomto případě má správa datových toků a operací čtení/zápisu na starosti samotný hostitelský systém, který k tomu využívá rozšíření rozhraní ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) a SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), vyvinutá výbory INCITS T10 a T13.
Při použití HMSMR je veškerá dostupná kapacita disku rozdělena na oblasti dvou typů: Conventional Zones (běžné zóny), které slouží k ukládání metadat a volnému zápisu (ve skutečnosti fungují jako vyrovnávací paměť), a Sequential Write Required Zones (zóny pro sekvenční zápis), které zabírají většinu celkové kapacity pevného disku, ve kterých jsou data zapisována přísně sekvenčně. Neuspořádaná data jsou ukládána do vyrovnávací paměti, odkud mohou být poté přesunuta do příslušné zóny sekvenčního zápisu. Díky tomu jsou všechny fyzické sektory zapisovány sekvenčně v radiálním směru a přepisovány pouze po cyklickém přesunu, což umožňuje dosáhnout stabilního a předvídatelného výkonu systému. Přitom HMSMR disky podporují příkazy pro náhodné čtení podobně jako úložiště využívající standardní PMR.
Host Managed SMR je implementováno v pevných discích podnikové třídy .
Rada zahŕňa vysokokapacitné SATA a SAS úložiská určené pre hyperškálovacie centrá dát. Podpora Host Managed SMR významne rozširuje rozsah použitia týchto pevných diskov: okrem zálohovacích systémov sú ideálne aj pre cloudové úložiská, CDN alebo streamovacie platformy. Vysoká kapacita pevných diskov umožňuje významne zvýšiť hustotu ukladania (v tých istých skrinkách) pri minimálnych nákladoch na upgrade, a nízka spotreba energie (nie viac ako 0,29 W na každý terabajt uložených informácií) a tepelné vyžarovanie (v priemere o 5 °C nižšie ako u konkurencie) ďalej znižuje prevádzkové náklady na údržbu dátového centra.
Jedinou nevýhodou HMSMR je relatívna zložitosti implementácie. Dôvodom je, že v súčasnosti žiadny operačný systém alebo aplikácia nefungujú s takýmito úložiskami "priamo z krabice", preto je pre prispôsobenie IT infraštruktúry potrebná značná zmena softvérového stacku. To sa najmä týka samotného operačného systému, čo v podmienkach moderných dátových centier, ktoré používajú viacjadrové a viacsocketové servery, predstavuje dosť zložitú úlohu. Viac informácií o možnostiach realizácie podpory Host Managed SMR môžete nájsť na špecializovanom webe , ktorý sa zaoberá otázkami zonálneho ukladania dát. Informácie zhromaždené tu vám pomôžu predbežne zhodnotiť pripravenosť vašej IT infraštruktúry na prechod na zonálne systémy ukladania.
- Host Aware SMR (SMR podporovaná hosťom)
Zariadenia s podporou Host Aware SMR kombinujú pohodlie a flexibilitu Drive Managed SMR s vysokou rýchlosťou zápisu Host Managed SMR. Takéto úložiská sú spätne kompatibilné so staršími systémami ukladania a môžu fungovať bez priamej kontroly zo strany hostiteľa, avšak v tomto prípade, rovnako ako pri práci s DMSMR diskami, sa ich výkon stáva nepr predictívnym.
Podobne ako Host Managed SMR, Host Aware SMR používa dva typy zón: Konvenčné zóny na náhodný zápis a Zóny preferované pre sekvenčný zápis (Sequential Write Preferred Zones). Tieto posledné, na rozdiel od vyššie spomenutých zón s požiadavkou na sekvenčný zápis (Sequential Write Required Zones), sa automaticky prevádzajú na bežné, keď začína náhodný zápis dát.
Implementácia SMR s podporou hostiteľa predpokladá vnútorné mechanizmy obnovy po neporadí zápise. Neporiadok dáta sa zapisujú do vyrovnávacej pamäte, odkiaľ disk môže prenášať informácie do zóny sekvenčného zápisu, keď sú získané všetky potrebné bloky. Na riadenie neporiadku zápisu a pozadovej defragmentácie disk používa tabuľku nepriamych odkazov. Avšak, ak korporátne aplikácie vyžadujú predvídateľný a optimalizovaný výkon, tento cieľ je možné dosiahnuť iba v prípade, že hostiteľ preberá plnú kontrolu nad všetkými prúdmi dát a zónami zápisu.
Zdroj: habr.com
