Prvý pevný disk na svete, IBM RAMAC 305, uvedený na trh v roku 1956, obsahoval iba 5 MB dát, vážil 970 kg a veľkosťou bol porovnateľný s priemyselnou chladničkou. Moderné firemné vlajkové lode sa môžu pochváliť kapacitou 20 TB. Len si to predstavte: pred 64 rokmi by na zaznamenanie tohto množstva informácií bolo potrebných viac ako 4 milióny RAMAC 305 a veľkosť dátového centra potrebného na ich umiestnenie by presiahla 9 kilometrov štvorcových, zatiaľ čo dnes by malá škatuľa s hmotnosťou asi 700 gramov! V mnohých ohľadoch sa toto neuveriteľné zvýšenie hustoty ukladania dosiahlo vďaka zlepšeniam metód magnetického záznamu.
Je ťažké tomu uveriť, ale základný dizajn pevných diskov sa nezmenil takmer 40 rokov, počnúc rokom 1983: vtedy uzrel svetlo sveta prvý 3,5-palcový pevný disk RO351, vyvinutý škótskou spoločnosťou Rodime. Toto dieťa obsahovalo dve platne s veľkosťou 10 MB, čo znamená, že dokázalo pojať dvakrát toľko údajov ako aktualizovaný 412-palcový ST-5,25 od Seagate, vydaný v tom istom roku pre osobný počítač IBM 5160.
Rodime RO351 – prvý 3,5-palcový pevný disk na svete
Napriek svojej inovácii a kompaktnej veľkosti sa RO351 v čase svojho uvedenia na trh ukázal ako prakticky zbytočný pre nikoho a všetky ďalšie pokusy Rodime presadiť sa na trhu pevných diskov zlyhali, a preto bola spoločnosť v roku 1991 nútená ukončiť svoju činnosť, odpredať takmer všetok existujúci majetok a znížiť počet zamestnancov na minimum. Spoločnosť Rodime však nebola predurčená na bankrot: čoskoro ju začali kontaktovať najväčší výrobcovia pevných diskov a chceli si kúpiť licenciu na používanie tvarového faktora patentovaného Škótmi. V súčasnosti je 3,5 palca všeobecne akceptovaným štandardom pre výrobu spotrebiteľských pevných diskov a diskov podnikovej triedy.
S príchodom neurónových sietí, Deep Learning a internetu vecí (IoT) začal objem dát vytvorených ľudstvom exponenciálne rásť. Podľa odhadov analytickej agentúry IDC dosiahne do roku 2025 množstvo informácií generovaných samotnými ľuďmi a zariadeniami okolo nás 175 zettabajtov (1 Zbyte = 1021 bajtov), a to aj napriek tomu, že v roku 2019 to bolo 45 Zbytov. , v roku 2016 - 16 Zbytov a ešte v roku 2006 celkový objem vyprodukovaných dát za celú pozorovateľnú históriu nepresiahol 0,16 (!) Zbytov. Vyrovnať sa s informačnou explóziou pomáhajú moderné technológie, v neposlednom rade vylepšené metódy zaznamenávania údajov.
LMR, PMR, CMR a TDMR: Aký je rozdiel?
Princíp fungovania pevných diskov je pomerne jednoduchý. Tenké kovové platne potiahnuté vrstvou feromagnetického materiálu (kryštalická látka, ktorá môže zostať zmagnetizovaná, aj keď nie je vystavená vonkajšiemu magnetickému poľu pri teplotách pod Curieovým bodom) sa pohybujú vzhľadom na jednotku zapisovacej hlavy vysokou rýchlosťou (5400 otáčok za minútu resp. viac). Pri privedení elektrického prúdu na zapisovaciu hlavu vzniká striedavé magnetické pole, ktoré mení smer vektora magnetizácie domén (diskrétnych oblastí hmoty) feromagnetika. K čítaniu údajov dochádza buď v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie (pohyb domén vzhľadom na snímač spôsobuje výskyt striedavého elektrického prúdu v senzore), alebo v dôsledku obrovského magnetorezistívneho efektu (pod vplyvom magnetického poľa sa elektrické zmeny odporu snímača), ako je to implementované v moderných pohonoch. Každá doména kóduje jeden bit informácie, pričom má logickú hodnotu „0“ alebo „1“ v závislosti od smeru vektora magnetizácie.
Pevné disky dlho používali metódu pozdĺžneho magnetického záznamu (LMR), pri ktorej vektor magnetizácie domény ležal v rovine magnetickej platne. Napriek relatívnej jednoduchosti implementácie mala táto technológia značnú nevýhodu: na prekonanie koercivity (prechod magnetických častíc do jednodoménového stavu) bolo potrebné ponechať pôsobivú nárazníkovú zónu (tzv. strážny priestor). stopy. V dôsledku toho bola maximálna hustota záznamu dosiahnutá na konci tejto technológie iba 150 Gbit/palec2.
V roku 2010 bol LMR takmer úplne nahradený PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Hlavný rozdiel medzi touto technológiou a pozdĺžnym magnetickým záznamom je v tom, že vektor magnetického smeru každej domény je umiestnený pod uhlom 90° k povrchu magnetickej platne, čo výrazne znížilo medzeru medzi stopami.
Vďaka tomu sa výrazne zvýšila hustota záznamu dát (až 1 Tbit/in2 v moderných zariadeniach), bez obetovania rýchlostných charakteristík a spoľahlivosti pevných diskov. V súčasnosti na trhu dominuje kolmý magnetický záznam, preto sa často nazýva aj CMR (Conventional Magnetic Recording). Zároveň musíte pochopiť, že medzi PMR a CMR nie je absolútne žiadny rozdiel - je to len iná verzia názvu.
Pri štúdiu technických charakteristík moderných pevných diskov môžete naraziť aj na záhadnú skratku TDMR. Túto technológiu využívajú najmä disky podnikovej triedy . Z fyzikálneho hľadiska sa TDMR (čo znamená dvojrozmerný magnetický záznam) nelíši od bežného PMR: ako predtým, máme čo do činenia s nepretínajúcimi sa dráhami, ktorých domény sú orientované kolmo na rovinu magnetického poľa. taniere. Rozdiel medzi technológiami spočíva v prístupe k čítaniu informácií.
V bloku magnetických hláv pevných diskov vytvorených technológiou TDMR má každá zapisovacia hlava dva čítacie senzory, ktoré súčasne čítajú dáta z každej prejdenej stopy. Táto redundancia umožňuje ovládaču HDD efektívne filtrovať elektromagnetický šum, ktorého výskyt je spôsobený intertrackovým rušením (ITI).
Riešenie problému ITI poskytuje dve mimoriadne dôležité výhody:
- zníženie faktora šumu vám umožňuje zvýšiť hustotu záznamu znížením vzdialenosti medzi skladbami, čím získate zisk z celkovej kapacity až o 10 % v porovnaní s konvenčným PMR;
- V kombinácii s technológiou RVS a trojpolohovým mikroaktuátorom TDMR účinne odoláva rotačným vibráciám spôsobeným pevnými diskami, čím pomáha dosiahnuť konzistentnú úroveň výkonu aj v tých najnáročnejších prevádzkových podmienkach.
Čo je SMR a s čím sa jedáva?
Veľkosť zapisovacej hlavy je približne 1,7-krát väčšia v porovnaní s veľkosťou čítacieho snímača. Takýto pôsobivý rozdiel možno vysvetliť celkom jednoducho: ak je záznamový modul ešte miniatúrnejší, sila magnetického poľa, ktorú dokáže generovať, nebude stačiť na zmagnetizovanie domén feromagnetickej vrstvy, čo znamená, že údaje jednoducho budú nesmú byť uložené. V prípade čítacieho senzora tento problém nevzniká. Navyše: jeho miniaturizácia umožňuje ešte viac znížiť vplyv vyššie uvedeného ITI na proces čítania informácií.
Táto skutočnosť tvorila základ šindľového magnetického záznamu (SMR). Poďme zistiť, ako to funguje. Pri použití tradičného PMR je zapisovacia hlava posunutá vzhľadom na každú predchádzajúcu stopu o vzdialenosť rovnajúcu sa jej šírke + šírke ochranného priestoru.
Pri použití metódy magnetického záznamu s dlaždicami sa zapisovacia hlava pohybuje dopredu iba o časť svojej šírky, takže každá predchádzajúca stopa je čiastočne prepísaná ďalšou: magnetické stopy sa navzájom prekrývajú ako strešné tašky. Tento prístup vám umožňuje ďalej zvýšiť hustotu záznamu, čím získate zvýšenie kapacity až o 10 %, bez ovplyvnenia procesu čítania. Príkladom je - prvé 3.5-palcové 20 TB disky na svete s rozhraním SATA/SAS, ktorých vzhľad umožnila nová technológia magnetického záznamu. Prechod na SMR disky teda umožňuje zvýšiť hustotu dátového úložiska v rovnakých rackoch s minimálnymi nákladmi na upgrade IT infraštruktúry.
Napriek takejto významnej výhode má SMR aj zjavnú nevýhodu. Keďže sa magnetické stopy navzájom prekrývajú, aktualizácia údajov bude vyžadovať prepísanie nielen požadovaného fragmentu, ale aj všetkých nasledujúcich stôp v rámci magnetickej platne, ktorých objem môže presiahnuť 2 terabajty, čo môže viesť k vážnemu poklesu výkonu.
Tento problém možno vyriešiť zlúčením určitého počtu stôp do samostatných skupín nazývaných zóny. Tento prístup k organizácii dátového úložiska síce do istej miery znižuje celkovú kapacitu HDD (keďže je potrebné udržiavať dostatočné medzery medzi zónami, aby sa predišlo prepisovaniu skladieb zo susedných skupín), môže výrazne urýchliť proces aktualizácie dát, pretože je do nej zapojený len obmedzený počet tratí.
Magnetický záznam dlaždíc zahŕňa niekoľko možností implementácie:
- Drive Managed SMR
Jeho hlavnou výhodou je, že nie je potrebné upravovať hostiteľský softvér a/alebo hardvér, pretože kontrolér HDD preberá kontrolu nad procesom záznamu údajov. Takéto disky je možné pripojiť k akémukoľvek systému, ktorý má požadované rozhranie (SATA alebo SAS), po ktorom bude disk okamžite pripravený na použitie.
Nevýhodou tohto prístupu je, že úrovne výkonu sa líšia, takže Drive Managed SMR nie je vhodný pre podnikové aplikácie, kde je kritický konzistentný výkon systému. Takéto disky však fungujú dobre v scenároch, ktoré poskytujú dostatok času na defragmentáciu údajov na pozadí. Napríklad disky DMSMR , optimalizovaný pre použitie ako súčasť malého 8-šachtového NAS, bude vynikajúcou voľbou pre archivačný alebo zálohovací systém, ktorý vyžaduje dlhodobé ukladanie záloh.
- SMR spravované hostiteľom
Host Managed SMR je preferovaná implementácia dlaždicového záznamu na použitie v podnikovom prostredí. V tomto prípade je samotný hostiteľský systém zodpovedný za riadenie dátových tokov a operácie čítania/zápisu, pričom na tieto účely využíva rozšírenia rozhrania ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) a SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) vyvinuté organizáciou INCITS. výbory T10 a T13 .
Pri použití HMSMR je celá dostupná úložná kapacita disku rozdelená do dvoch typov zón: konvenčné zóny, ktoré sa používajú na ukladanie metadát a náhodné nahrávanie (v podstate hrajúce úlohu vyrovnávacej pamäte), a zóny s povinným sekvenčným zápisom, ktoré zaberajú veľkú časť celkovej kapacity pevného disku, do ktorej sa dáta zapisujú striktne sekvenčne. Dáta mimo poradia sa ukladajú do oblasti vyrovnávacej pamäte, odkiaľ sa potom môžu preniesť do príslušnej oblasti sekvenčného zápisu. To zaisťuje, že všetky fyzické sektory sa zapisujú postupne v radiálnom smere a prepisujú sa až po cyklickom prenose, výsledkom čoho je stabilný a predvídateľný výkon systému. Disky HMSMR zároveň podporujú príkazy náhodného čítania rovnakým spôsobom ako disky využívajúce štandardné PMR.
Host Managed SMR je implementovaný v podnikových pevných diskoch .
Rad zahŕňa vysokokapacitné SATA a SAS disky určené pre použitie v hyperscale dátových centrách. Podpora pre Host Managed SMR výrazne rozširuje rozsah použitia takýchto pevných diskov: okrem zálohovacích systémov sú ideálne pre cloudové úložiská, CDN alebo streamovacie platformy. Vysoká kapacita pevných diskov vám umožňuje výrazne zvýšiť hustotu úložiska (v rovnakých stojanoch) s minimálnymi nákladmi na upgrade a nízkou spotrebou energie (nie viac ako 0,29 wattu na terabajt uložených informácií) a odvodom tepla (v priemere o 5 °C nižšie). ako analógy) – ďalej znižujú prevádzkové náklady na údržbu dátového centra.
Jedinou nevýhodou HMSMR je relatívna zložitosť implementácie. Ide o to, že dnes už žiadny operačný systém alebo aplikácia nedokáže pracovať s takýmito jednotkami hneď po vybalení, a preto sú na prispôsobenie IT infraštruktúry potrebné vážne zmeny v softvérovom balíku. V prvom rade sa to týka, samozrejme, samotného OS, čo je v podmienkach moderných dátových centier využívajúcich viacjadrové a viacsoketové servery dosť netriviálna úloha. Môžete sa dozvedieť viac o možnostiach implementácie Host Managed SMR podpory na špecializovanom zdroji , venovaný problematike zonálneho ukladania dát. Tu zhromaždené informácie vám pomôžu predbežne posúdiť pripravenosť vašej IT infraštruktúry na prenos do zónových úložných systémov.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Zariadenia s podporou Host Aware SMR kombinujú pohodlie a flexibilitu Drive Managed SMR s vysokými rýchlosťami zápisu Host Managed SMR. Tieto disky sú spätne kompatibilné so staršími úložnými systémami a môžu fungovať bez priamej kontroly od hostiteľa, ale v tomto prípade, rovnako ako v prípade diskov DMSMR, sa ich výkon stáva nepredvídateľným.
Podobne ako Host Managed SMR, aj Host Aware SMR používa dva typy zón: konvenčné zóny pre náhodné zápisy a preferované zóny postupného zápisu. Tie sú na rozdiel od vyššie uvedených zón s požadovaným sekvenčným zápisom automaticky zaradené do kategórie bežných, ak začnú zaznamenávať údaje mimo poradia.
Hostiteľská implementácia SMR poskytuje interné mechanizmy na obnovu z nekonzistentných zápisov. Dáta mimo poradia sa zapisujú do oblastí vyrovnávacej pamäte, odkiaľ môže disk po prijatí všetkých potrebných blokov preniesť informácie do oblasti sekvenčného zápisu. Disk používa tabuľku smerovania na správu zápisu mimo poradia a defragmentáciu na pozadí. Ak však podnikové aplikácie vyžadujú predvídateľný a optimalizovaný výkon, dá sa to dosiahnuť len vtedy, ak hostiteľ prevezme plnú kontrolu nad všetkými dátovými tokmi a zónami záznamu.
Zdroj: hab.com