Prvi trdi disk na svetu, IBM RAMAC 305, izdan leta 1956, je imel le 5 MB podatkov, tehtal je 970 kg in je bil po velikosti primerljiv z industrijskim hladilnikom. Sodobni korporativni vodilni modeli se lahko pohvalijo s kapaciteto 20 TB. Predstavljajte si: pred 64 leti bi za zapis te količine informacij potrebovali več kot 4 milijone RAMAC 305, velikost podatkovnega centra, ki bi jih potreboval, pa bi presegala 9 kvadratnih kilometrov, danes pa majhna škatla tehta približno približno 700 gramov! V mnogih pogledih je bilo to neverjetno povečanje gostote shranjevanja doseženo zaradi izboljšav v metodah magnetnega zapisa.
Težko je verjeti, a osnovna zasnova trdih diskov se ni spremenila že skoraj 40 let, od leta 1983: takrat je luč sveta ugledal prvi 3,5-palčni trdi disk RO351, ki ga je razvilo škotsko podjetje Rodime. Ta malček je imel dve magnetni plošči po 10 MB, kar pomeni, da je lahko hranil dvakrat več podatkov kot posodobljeni 412-palčni ST-5,25 Seagate, ki je bil istega leta izdan za osebne računalnike IBM 5160.
Rodime RO351 - prvi 3,5-palčni trdi disk na svetu
Kljub svoji inovativnosti in kompaktni velikosti se je RO351 ob izidu izkazal za tako rekoč neuporabnega za nikogar in vsi nadaljnji poskusi Rodime, da bi se uveljavil na trgu trdih diskov, so bili neuspešni, zaradi česar je bilo leta 1991 podjetje prisiljeno prenehati z dejavnostjo, pri čemer bo odprodal skoraj vse obstoječe premoženje in zmanjšal število zaposlenih na minimum. Vendar Rodimeju ni bilo usojeno bankrotirati: kmalu so ga začeli kontaktirati največji proizvajalci trdih diskov, ki so želeli kupiti licenco za uporabo faktorja oblike, ki so ga patentirali Škoti. Trenutno je 3,5 palca splošno sprejet standard za proizvodnjo potrošniških trdih diskov in pogonov poslovnega razreda.
S pojavom nevronskih mrež, globokega učenja in interneta stvari (IoT) je količina podatkov, ki jih ustvari človeštvo, začela eksponentno naraščati. Po ocenah analitske agencije IDC bo do leta 2025 količina informacij, ki jih ustvarijo tako ljudje sami kot naprave okoli nas, dosegla 175 zetabajtov (1 Zbajt = 1021 bajtov), in to kljub temu, da je ta leta 2019 znašala 45 Zbajtov. , leta 2016 - 16 Zbajtov, leta 2006 pa skupna količina podatkov, proizvedenih v celotni opazovani zgodovini, ni presegla 0,16 (!) Zbajtov. Sodobne tehnologije pomagajo obvladati informacijsko eksplozijo, med njimi tudi izboljšani načini beleženja podatkov.
LMR, PMR, CMR in TDMR: Kakšna je razlika?
Načelo delovanja trdih diskov je precej preprosto. Tanke kovinske plošče, prevlečene s plastjo feromagnetnega materiala (kristalna snov, ki lahko ostane magnetizirana, tudi če ni izpostavljena zunanjemu magnetnemu polju pri temperaturah pod Curiejevo točko), se glede na enoto pisalne glave premikajo z veliko hitrostjo (5400 obratov na minuto oz. več). Ko na pisalno glavo dovedemo električni tok, nastane izmenično magnetno polje, ki spremeni smer vektorja magnetizacije domen (diskretnih območij snovi) feromagneta. Branje podatkov se pojavi bodisi zaradi pojava elektromagnetne indukcije (premik domen glede na senzor povzroči pojav izmeničnega električnega toka v slednjem) bodisi zaradi velikega magnetorezističnega učinka (pod vplivom magnetnega polja električni upor senzorja se spreminja), kot je implementirano v sodobnih pogonih. Vsaka domena kodira en bit informacije, ki ima logično vrednost "0" ali "1", odvisno od smeri vektorja magnetizacije.
Dolgo časa so trdi diski uporabljali metodo vzdolžnega magnetnega zapisa (LMR), pri kateri je vektor magnetizacije domene ležal v ravnini magnetne plošče. Kljub relativni preprostosti izvedbe je imela ta tehnologija pomembno pomanjkljivost: da bi premagali koercitivnost (prehod magnetnih delcev v stanje z eno domeno), je bilo treba med skladbe. Posledično je bila največja gostota zapisa, ki je bila dosežena ob koncu te tehnologije, samo 150 Gbit/palec2.
Leta 2010 je LMR skoraj v celoti nadomestil PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Glavna razlika med to tehnologijo in vzdolžnim magnetnim snemanjem je v tem, da se vektor magnetne smeri vsake domene nahaja pod kotom 90° glede na površino magnetne plošče, kar je znatno zmanjšalo vrzel med tiri.
Zaradi tega se je znatno povečala gostota zapisa podatkov (do 1 Tbit/in2 v sodobnih napravah), ne da bi pri tem žrtvovali hitrostne lastnosti in zanesljivost trdih diskov. Trenutno na trgu prevladuje pravokotno magnetno snemanje, zato ga pogosto imenujemo tudi CMR (Conventional Magnetic Recording). Hkrati morate razumeti, da med PMR in CMR ni nobene razlike - gre le za drugačno različico imena.
Med preučevanjem tehničnih lastnosti sodobnih trdih diskov lahko naletite tudi na skrivnostno kratico TDMR. Zlasti to tehnologijo uporabljajo pogoni poslovnega razreda . S fizikalnega vidika se TDMR (kar pomeni Two Dimensional Magnetic Recording) ne razlikuje od običajnega PMR: tako kot prej imamo opravka s tiri, ki se ne sekajo, katerih domene so usmerjene pravokotno na ravnino magnetnega polja. plošče. Razlika med tehnologijami je v pristopu k branju informacij.
V bloku magnetnih glav trdih diskov, ustvarjenih s tehnologijo TDMR, ima vsaka pisalna glava dva bralna senzorja, ki hkrati bereta podatke z vsake prevožene sledi. Ta redundanca omogoča krmilniku HDD učinkovito filtriranje elektromagnetnega šuma, katerega pojav povzročajo intertrack interference (ITI).
Reševanje problema ITI zagotavlja dve izjemno pomembni prednosti:
- zmanjšanje faktorja hrupa vam omogoča povečanje gostote snemanja z zmanjšanjem razdalje med skladbami, kar zagotavlja povečanje skupne zmogljivosti do 10% v primerjavi z običajnim PMR;
- V kombinaciji s tehnologijo RVS in mikroaktuatorjem s tremi položaji se TDMR učinkovito upira rotacijskim tresljajem, ki jih povzročajo trdi diski, kar pomaga doseči dosledne ravni zmogljivosti tudi v najzahtevnejših pogojih delovanja.
Kaj je SMR in s čim ga jemo?
Velikost pisalne glave je približno 1,7-krat večja od velikosti bralnega senzorja. Tako impresivno razliko je mogoče razložiti povsem preprosto: če je snemalni modul narejen še bolj miniaturno, moč magnetnega polja, ki ga lahko ustvari, ne bo zadostovala za magnetizacijo domen feromagnetne plasti, kar pomeni, da bodo podatki preprosto ne smejo biti shranjeni. V primeru senzorja za branje se ta težava ne pojavi. Še več: njegova miniaturizacija omogoča dodatno zmanjšanje vpliva zgoraj omenjenega ITI na proces branja informacij.
To dejstvo je bilo osnova za magnetno snemanje s skodlami (SMR). Ugotovimo, kako deluje. Pri uporabi tradicionalnega PMR se pisalna glava premakne glede na vsako prejšnjo skladbo za razdaljo, ki je enaka njeni širini + širini zaščitnega prostora.
Pri uporabi ploščicastega magnetnega zapisa se pisalna glava premakne naprej le za del svoje širine, zato je vsaka prejšnja sled delno prepisana z naslednjo: magnetne sledi se med seboj prekrivajo kot strešniki. Ta pristop vam omogoča nadaljnje povečanje gostote zapisa, kar zagotavlja povečanje zmogljivosti do 10 %, ne da bi to vplivalo na proces branja. Primer je - prvi na svetu 3.5-palčni 20 TB diski z vmesnikom SATA/SAS, katerih pojav je bil mogoč zaradi nove tehnologije magnetnega zapisa. Tako prehod na diske SMR omogoča povečanje gostote shranjevanja podatkov v istih omarah z minimalnimi stroški za nadgradnjo IT infrastrukture.
Kljub tako pomembni prednosti ima SMR tudi očitno pomanjkljivost. Ker se magnetne sledi med seboj prekrivajo, bo posodabljanje podatkov zahtevalo ponovno pisanje ne le zahtevanega fragmenta, temveč tudi vseh naslednjih skladb znotraj magnetne plošče, katerih prostornina lahko presega 2 terabajta, kar lahko povzroči resen upad zmogljivosti.
To težavo je mogoče rešiti z združevanjem določenega števila skladb v ločene skupine, imenovane cone. Čeprav ta pristop k organizaciji shranjevanja podatkov nekoliko zmanjša celotno zmogljivost trdega diska (ker je treba vzdrževati zadostne vrzeli med območji, da se prepreči prepis skladb iz sosednjih skupin), lahko bistveno pospeši postopek posodabljanja podatkov, saj zdaj vanj je vključeno le omejeno število skladb.
Magnetno snemanje ploščic vključuje več možnosti izvedbe:
- Drive Managed SMR
Njegova glavna prednost je, da ni treba spreminjati programske in/ali strojne opreme gostitelja, saj krmilnik HDD prevzame nadzor nad postopkom snemanja podatkov. Takšne diske lahko povežemo s katerim koli sistemom, ki ima potreben vmesnik (SATA ali SAS), po katerem bo disk takoj pripravljen za uporabo.
Pomanjkljivost tega pristopa je, da se ravni zmogljivosti razlikujejo, zaradi česar Drive Managed SMR ni primeren za poslovne aplikacije, kjer je dosledna zmogljivost sistema kritična. Vendar se takšni pogoni dobro obnesejo v scenarijih, ki omogočajo dovolj časa za defragmentacijo podatkov v ozadju. Na primer, pogoni DMSMR , optimiziran za uporabo kot del majhnega NAS z 8 ležišči, bo odlična izbira za sistem za arhiviranje ali varnostno kopiranje, ki zahteva dolgoročno shranjevanje varnostnih kopij.
- SMR, ki ga upravlja gostitelj
SMR, ki ga upravlja gostitelj, je prednostna implementacija ploščičnega snemanja za uporabo v poslovnem okolju. V tem primeru je gostiteljski sistem sam odgovoren za upravljanje podatkovnih tokov in operacije branja/pisanja, pri čemer za te namene uporablja razširitve vmesnika ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) in SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), ki jih je razvil INCITS Odbora T10 in T13.
Pri uporabi HMSMR je celotna razpoložljiva pomnilniška zmogljivost pogona razdeljena na dve vrsti območij: običajna območja, ki se uporabljajo za shranjevanje metapodatkov in naključnega snemanja (v bistvu igrajo vlogo predpomnilnika), in območja, potrebna za zaporedno pisanje, ki zasedajo velik del celotne kapacitete trdega diska, v katerega so podatki zapisani strogo zaporedno. Podatki, ki niso v redu, so shranjeni v območju predpomnilnika, od koder jih je mogoče nato prenesti v ustrezno območje zaporednega zapisovanja. To zagotavlja, da so vsi fizični sektorji zapisani zaporedno v radialni smeri in se ponovno zapišejo šele po cikličnem prenosu, kar ima za posledico stabilno in predvidljivo delovanje sistema. Hkrati pogoni HMSMR podpirajo ukaze za naključno branje na enak način kot pogoni, ki uporabljajo standardni PMR.
Host Managed SMR je implementiran v trde diske poslovnega razreda .
Linija vključuje visokozmogljive pogone SATA in SAS, zasnovane za uporabo v podatkovnih centrih hiperscale. Podpora za Host Managed SMR znatno razširi obseg uporabe takšnih trdih diskov: poleg sistemov za varnostno kopiranje so kot nalašč za shranjevanje v oblaku, CDN ali pretočne platforme. Visoka zmogljivost trdih diskov vam omogoča znatno povečanje gostote shranjevanja (v istih omarah) z minimalnimi stroški nadgradnje ter nizko porabo energije (ne več kot 0,29 W na terabajt shranjenih informacij) in odvajanjem toplote (povprečno 5 °C nižje). kot analogi) - dodatno znižajte operativne stroške za vzdrževanje podatkovnega centra.
Edina pomanjkljivost HMSMR je relativna zapletenost implementacije. Dejstvo je, da danes noben operacijski sistem ali aplikacija ne more delati s takšnimi diski takoj po izdelavi, zato so potrebne resne spremembe programskega sklada za prilagoditev IT infrastrukture. Najprej se to seveda nanaša na sam operacijski sistem, ki je v pogojih sodobnih podatkovnih centrov, ki uporabljajo večjedrne in večvtičnične strežnike, precej netrivialna naloga. Več o možnostih izvajanja podpore za SMR, ki jo upravlja gostitelj, lahko izveste na specializiranem viru , posvečeno vprašanjem conskega shranjevanja podatkov. Tukaj zbrani podatki vam bodo pomagali predhodno oceniti pripravljenost vaše IT infrastrukture za prenos v conske sisteme za shranjevanje.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Naprave, ki podpirajo Host Aware SMR, združujejo udobje in prilagodljivost Drive Managed SMR z visokimi hitrostmi zapisovanja Host Managed SMR. Ti pogoni so nazaj združljivi s podedovanimi sistemi za shranjevanje in lahko delujejo brez neposrednega nadzora gostitelja, vendar v tem primeru, tako kot pri pogonih DMSMR, postane njihovo delovanje nepredvidljivo.
Tako kot Host Managed SMR tudi Host Aware SMR uporablja dve vrsti območij: običajna območja za naključno pisanje in prednostna območja zaporednega pisanja. Slednje se v nasprotju z zgoraj omenjenimi Sequential Write Required Zones avtomatsko premaknejo v kategorijo navadnih, če začnejo zapisovati podatke nepravilno.
Izvedba SMR, ki se zaveda gostitelja, zagotavlja notranje mehanizme za obnovitev po nedoslednih zapisih. Podatki, ki niso v redu, se zapišejo v področja predpomnilnika, od koder lahko disk prenese informacije v območje zaporednega pisanja, potem ko prejme vse potrebne bloke. Disk uporablja posredno tabelo za upravljanje nepravilnega pisanja in defragmentacijo v ozadju. Če pa poslovne aplikacije zahtevajo predvidljivo in optimizirano delovanje, je to še vedno mogoče doseči le, če gostitelj prevzame popoln nadzor nad vsemi tokovi podatkov in območji snemanja.
Vir: www.habr.com