Disku i parë në botë, IBM RAMAC 305, i cili u lançua në vitin 1956, kishte vetëm 5 MB të dhënash, peshonte 970 kg dhe kishte përmasat e një frigoriferi industrial. Sot, liderët modernë të korporatave mund të mburren me kapacitet që arrin deri në 20 TB. Imagjinoni këtë: 64 vjet më parë, për të regjistruar një sasi të tillë informacioni do të nevojiteshin më shumë se 4 milion RAMAC 305, dhe hapësira e nevojshme për ta do të ishte më e madhe se 9 kilometra katrorë, ndërsa sot për këtë do të mjaftonte një kutizë e vogël me peshë rreth 700 gram! Pjesërisht, arritja e këtij përmirësimi të jashtëzakonshëm në densitetin e ruajtjes është rezultat i përmirësimit të metodave të regjistrimit magnetik.
Është e vështirë të besosh, por struktura e diskëve të fortë nuk ka ndryshuar në mënyrë themelore për gati 40 vjet, që nga viti 1983: pikërisht atëherë doli në dritë disku i parë 3,5-inç RO351, i zhvilluar nga kompania skoceze Rodime. Ky i vogël kishte dy pllaka magnetike prej 10 MB secila, përkatësisht ishte në gjendje të ruante dy herë më shumë të dhëna sesa ST-412 i përditësuar prej 5,25 inç, i lëshuar nga Seagate në të njëjtin vit për kompjuterët personalë IBM 5160.
Rodime RO351 — disku i parë në botë 3,5-inç
Megjithatë, përkundër inovacionit dhe përmasave kompakte, në momentin e lansimit, RO351 doli të ishte pothuajse i panevojshëm për askënd, dhe të gjitha përpjekjet e mëtejshme të Rodime për t'u bërë një emër i njohur në tregun e diskëve të fortë dështuan, duke bërë që në vitin 1991 kompania të detyrohet të ndërpresë aktivitetin e saj, duke shitur pothuajse të gjitha aktivet dhe duke reduktuar stafin në minimum. Megjithatë, duket se Rodime nuk ishte e destinuar të falimentonte: së shpejti, prodhuesit më të mëdhenj të diskëve të fortë filluan të interesoheshin për të, duke dëshiruar të blejnë licencën për të përdorur formatin e patentuar nga skocezët. Aktualisht, 3,5 inç është standardi i pranuar për prodhimin e HDD-ve për konsumatorë, si dhe për mbajtësit e klasës korporative.
Me pajisjet gjenetike, Deep Learning dhe interneti i gjërave (IoT), shuma e të dhënave të krijuara nga njerëzimi ka filluar të rritet në mënyrë eksponenciale. Sipas vlerësimeve të agjencisë analitike IDC, deri në vitin 2025, sasia e informacionit që gjenerohet nga njerëzit dhe pajisjet që na rrethojnë do të arrijë 175 zettabayt (1 Zbayt = 10^21 byte), dhe kjo pasiqë në vitin 2019 numri ishte 45 Zbayt, në 2016 – 16 Zbayt, dhe në vitin 2006, sasia totale e të dhënave të prodhuara në të gjithë historinë e njohur nuk kalonte 0,16 (!) Zbayt. Teknologjitë moderne, përfshirë metodat e avancuara të regjistrimit të të dhënave, ndihmojnë në përballimin e shpërthimeve informative.
LMR, PMR, CMR dhe TDMR: çfarë ndryshimi ka?
Principi i funksionimit të disqeve të forta është mjaft i thjeshtë. Gjatë metalikë të hollë, të mbuluar me një shtresë materiali ferromagnetik (një substancë kristaline që mund të ruajë magnetizmin edhe në mungesë të ndikimit të një fushe magnetike të jashtme në temperatura më të ulëta se pika Curie) lëvizin në raport me bllokun e kokave të shkrimit me shpejtësi të madhe (5400 rrotullime në minutë ose më shumë). Kur lëshohet energji elektrike në kokën e shkrimit, krijohet një fushë magnetike që ndryshon drejtimin e vektorit të magnetizmit të domainëve (zona discrete të substancës) të ferromagnetit. Leximi i të dhënave ndodh ose përmes fenomenit të induksionit elektromagnetik (lëvizja e domainëve në raport me sensorin shkakton në të një energji elektrike të alternuar), ose përmes efekti gjigant të magnetorezistencës (në ndikimin e fushës magnetike ndryshohet rezistenca elektrike e sensorit), ashtu siç është realizuar në memorjet moderne. Çdo domain kode një bit informacioni, duke marrë vlerën logjike "0" ose "1" në varësi të drejtimit të vektorit të magnetizmit.
Për një kohë të gjatë, disqet e ngurta përdorën metodën e regjistrimit të magnetizmit longitudinal (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), ku vektori i magnetizimit të domenëve ishte në nivelin e pllakës magnetike. Megjithëse kjo teknologji kishte një realizim të relativisht thjeshtë, ajo kishte një disavantazh të dukshëm: për të kapërcyer koercivitetin (kalimi i grimcave magnetike në një gjendje mono-domen), ishte e nevojshme të linin një zonë të konsiderueshme tampon (hapësira e mbrojtjes — guard space) midis gjurmëve. Si rezultat, densiteti maksimal i regjistrimit që arriti të arrihej në fund të kësaj teknologjie ishte vetëm 150 Gbit/inç2.
Në vitin 2010, LMR u zëvendësua praktikisht plotësisht nga PMR (Perpendicular Magnetic Recording — regjistrimi magnetik perpendicular). Dallimi kryesor i kësaj teknologjie nga regjistrimi magnetik longitudinal është se vektori i orientimit magnetik të çdo domeni është në një kënd prej 90° me sipërfaqen e pllakës magnetike, gjë që lejon reduktimin e ndjeshëm të intervalit midis gjurmëve.
Si rezultat, densiteti i regjistrimit të të dhënave arriti të rritej dukshëm (deri në 1 Tbit/inç2 në pajisjet moderne), pa sakrifikuar karakteristikat e shpejtësisë dhe besueshmërisë së disqeve të ngurta. Aktualisht, regjistrimi magnetik perpendicular është dominues në treg, ndaj dhe shpesh quhet gjithashtu CMR (Conventional Magnetic Recording — regjistrimi magnetik konvencional). Duhet të kuptohet se nuk ka asnjë ndryshim mes PMR dhe CMR — është thjesht një variant tjetër emërtimi.
Duke studiuar specifikimet teknike të disqeve të ngurta moderne, gjithashtu mund të hasni në një shkurtore misterioze TDMR. Konkrety, kjo teknologji përdoret nga storaget e klasës korporative . Nga ana fizike, TDMR (që shpjegohet si Two Dimensional Magnetic Recording — regjistrimi magnetik dy-dimensional) nuk ndryshon asgjë nga PMR-i i njohur: si më parë, kemi të bëjmë me gjurmë të papërtritura, domenët e të cilëve janë të orientuar perpendicular me sipërfaqen e pllakave magnetike. Dallimi mes teknologjive qëndron në qasjen ndaj leximit të informacionit.
Në blokun e kokave magnetike të diskëve të fortë, të krijuara me teknologjinë TDMR, secila kokë shkruese ka dy sensorë lexues që kryejnë leximin e të dhënave nga çdo pistë e kaluar njëkohësisht. Kjo tepërsi lejon kontrollorin e HDD të filtrojë efektivisht zhurmat elektromagnetike, të cilat ndodhin për shkak të ndërhyrjeve ndërpiste (Intertrack Interference, ITI).
Zgjidhja e problemit me ITI ofron dy avantazhe shumë të rëndësishme:
- reduktimi i koeficientit të ndërhyrjes rrit densitetin e regjistrimit duke zvogëluar distancën midis pistave, duke siguruar një fitim në kapacitetin total deri në 10% në krahasim me PMR-në e zakonshme;
- në kombinim me teknologjinë RVS dhe mikroaktuatorin me tre pozita, TDMR-i lejon përballje efektive me vibracionin rotacional të shkaktuar nga funksionimi i diskëve, që ndihmon në arritjen e një niveli stabil të performancës edhe në kushtet më të vështira të përdorimit.
Çfarë është SMR dhe si përdoret?
Përmasat e kokës shkruese janë rreth 1.7 herë më të mëdha në krahasim me përmasat e sensorit lexues. Kjo ndryshim i dukshëm shpjegohet mjaft thjesht: nëse moduli regjistrues bëhet edhe më i vogël, forcat e fushës magnetike që ai do të mund të prodhojë do të jenë të pamjaftueshme për të magnetizuar domenet e shtresës ferromagnetike, dhe për këtë arsye, të dhënat thjesht nuk do të ruhen. Në rastin e sensorit lexues, kjo problematikë nuk paraqitet. Për më tepër: miniaturizimi i tij lejon të zvogëlojë ndikimin e ITI në procesin e leximit të informacionit.
Ky fakt ka shërbyer si bazë për regjistrimin e magnetikëve me çati (Shingled Magnetic Recording, SMR). Le të kuptojmë se si funksionon kjo. Kur përdoret PMR tradicionale, koha shkruese zhvendoset në raport me çdo pistë të mëparshme për një distancë të barabartë me gjerësinë e saj + gjerësinë e hapësirës mbrojtëse (guard space).
Kur përdoret metoda e regjistrimit me pllaka, krye shkruesi zhvendoset përpara vetëm në një pjesë të gjerësisë së tij, kështu që çdo gjurmë e mëparshme ripërzihet pjesërisht nga ajo e mëposhtme: gjurmët magnetike përshtaten njëra mbi tjetrën si pllakat e çatisë. Ky qasje lejon për më shumë densitet regjistrimi, duke ofruar një fitim për kapacitet deri në 10%, pa ndikuar negativisht në procesin e leximit. Një shembull i tillë mund të sjellë — diskët e parë në botë 3.5 inç me kapacitet 20 TB me ndërfaqen SATA/SAS, shfaqja e të cilëve u bë e mundur pikërisht falë teknologjisë së re të regjistrimit magnetik. Kështu, kalimi në diskët SMR lejon rritjen e densitetit të ruajtjes së të dhënave në të njëjtat regjistra me kosto minimale për modernizimin e infrastrukturës IT.
Megjithatë, pavarësisht këtij avantazhi të madh, SMR ka një disavantazh të dukshëm. Sepse gjurmët magnetike përshtaten njëra mbi tjetrën, gjatë përditësimit të të dhënave do të kërkohet të ripërsehet jo vetëm fragmente e nevojshme, por edhe të gjitha gjurmët e mëpasme brenda diskut magnetik, i cili mund të ketë një kapacitet që kalon 2 terabajt, çka merr me vete një rënie të rëndë të performancës.
Zgjidhja e kësaj problematike ndihmohet nga bashkimi i një numri të caktuar gjurmësh në grupe të veçanta, të quajtura zona. Edhe pse ky qasje për organizimin e ruajtjes së të dhënave pakson kapacitetin e përgjithshëm të HDD (pasi duhet ruajtur hapa të mjaftueshëm midis zonave për të parandaluar ripërgjigjen e gjurmëve nga grupet fqinje), kjo ndihmon për të përshpejtuar procesin e përditësimit të të dhënave, sepse tani merr pjesë vetëm një numër i kufizuar gjurmësh.
Regjistrimi me pllaka magnetike parashikon disa opsione të realizimit:
- Drive Managed SMR (SMR, menaxhuar nga disku)
Avantazhi i saj kryesor është mungesa e nevojës për modifikimin e softuerit dhe/ose hardware-it të hostit, pasi kontrollori i HDD merr mbi vete procedurën e regjistrimit të të dhënave. Këta disqe mund të lidhen me çdo sistem që ka ndërfaqen e nevojshme (SATA ose SAS), pas së cilës ruajtësi do të jetë menjëherë gati për t'u përdorur.
Kufizimi i këtij qasje qëndron në ndryshueshmërinë e nivelit të performancës, për shkak të së cilës Drive Managed SMR rezulton të jetë i papërshtatshëm për aplikacionet tregtare, ku qëndrueshmëria e shpejtësisë së sistemit është një parametr kritik. Megjithatë, këto disqe tregojnë performancë të mirë në skenarët që ofrojnë mjaft kohë për të kryer defragmentimin e të dhënave në sfond. Për shembull, DMSMR-ndajuesit , të optimizuar për t'u përdorur në sisteme të vogla NAS me 8 hapësira, do të jenë një zgjedhje e shkëlqyer për një sistem arkivimi ose krijimi të kopjeve rezervë, që parashikon ruajtjen afatgjatë të backup-eve.
- Host Managed SMR (SMR, e menaxhuar nga hosti)
Host Managed SMR është opsioni më i preferuar për zbatimin e regjistrimit me plaka për përdorim në mjedisin tregtar. Në këtë rast, menaxhimi i rrjedhave të të dhënave dhe operacioneve të leximit/shkrimit është i përgjegjësuar nga sistemi host, i cili përdor për këto qëllime zgjerimet e ndërfaqeve ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) dhe SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), të zhvilluara nga komitetet INCITS T10 dhe T13.
Me përdorimin e HMSMR, e gjithë kapaciteti i disponueshëm i ndihmësit ndahet në zona të dy llojeve: Zona Konvencionale (zona të zakonshme), të cilat përdoren për ruajtjen e të dhënave dhe regjistrim të rastësishëm (në thelb, luajnë rolin e cache-it), dhe Zonat e Kërkuara për Shkrim Sekuencial, të cilat zënë shumicën e kapacitetit të përgjithshëm të hard disku, ku të dhënat regjistrohen strikt në mënyrë sekuenciale. Të dhënat e paorganizuar ruhen në zonën e cache-it, nga ku mund të transferohen më pas në zonën përkatëse të shkrimit sekuencial. Kjo lejon që të gjithë sektorët fizikë të regjistrohen në mënyrë sekuenciale në drejtim radial dhe të ri-regjistrohen vetëm pas një transferimi ciklik, duke arritur kështu një performancë të qëndrueshme dhe parashikueshme të sistemit. Gjithashtu, disqet HMSMR mbështesin komandat e leximit të rastësishëm ngjashëm me ndihësit që përdorin PMR-standard.
Host Managed SMR është implementuar në hard disqet e klasës enterprise .
Seria përfshin disqe SATA dhe SAS me kapacitet të lartë, të orientuara për përdorim në qendrat e dhënash hipermasive. Mbështetje për Host Managed SMR zgjeron ndjeshëm përdorimin e këtyre disqeve: përveç sistemeve të kopjimit, ato janë të përshtatshme për depozita cloud, CDN ose platforma streaming. Kapaciteti i lartë i disqeve të ngurtë lejon rritjen e densitetit të ruajtjes (në të njëjtat rafte) me shpenzime minimale për përmirësim, ndërsa konsumi i ulët i energjisë (maksimumi 0.29 Watt për çdo Terabajt të informacionit të ruajtur) dhe nxehtësimi (në mesatare 5 °C më i ulët se homologët) ndihmon gjithashtu në uljen e kostove operacionale për mirëmbajtjen e Qendrave të Dhënave.
Disavantazhi i vetëm i HMSMR është kompleksiteti relativ i implementimit. E gjithë çështja është se deri më sot, asnjë sistem operativ ose aplikacion nuk është i aftë të punojë me këto disqe 'nga kutia', duke bërë që për adaptimin e infrastrukturës IT të kërkohen ndryshime të rëndësishme në pakon e softuerit. Kjo është veçanërisht e vërtetë për vetë sistemin operativ, i cili në kushtet e Qendrave të Dhënave moderne që përdorin serverë me shumë bërthama dhe shumë socket është një detyrë mjaft e ndërlikuar. Mund të mësoni më shumë rreth mundësive të realizimit të mbështetjes për Host Managed SMR në një burim të specializuar , i përkushtuar për çështjet e ruajtjes zonale të të dhënave. Të dhënat e mbledhura këtu do t'ju ndihmojnë të vlerësoni paraprakisht gatishmërinë e infrastrukturës suaj IT për kalimin në sisteme zonale ruajtjeje.
- Host Aware SMR (SMR e njohur nga hosti)
Aparatet me mbështetje për Host Aware SMR përzierin lehtësinë dhe fleksibilitetin e Drive Managed SMR me shpejtësinë e lartë të shkruajtes së Host Managed SMR. Këto disqe janë prapë të pajtueshëm me sistemet e ruajtjes të vjetra dhe mund të funksionojnë pa mbikëqyrje të drejtpërdrejtë nga hosti, megjithatë në këtë rast, siç ndodh me disqet DMSMR, performanca e tyre bëhet e paparashikueshme.
Si Host Managed SMR, Host Aware SMR përdor dy lloje zonash: Conventional Zones për regjistrim të rastësishëm dhe Sequential Write Preferred Zones (zona që preferojnë regjistrimin e sekuencës). Këto të fundit, ndryshe nga zonat e përmendura më sipër Sequential Write Required Zones, automatikisht kalohen në kategorinë e zakonshme në rast se fillon regjistrimi i të dhënave të rastësishme në to.
Implementimi i SMR me mbështetje të hostit parashikon mekanizma të brendshëm për rikuperim nga regjistrimi jo-sekuencial. Të dhënat e rastësishme regjistrohen në zonat e mb caching, nga ku disku mund të transferojë informacionin në zonën e regjistrimit sekuencial, pasi të jenë marrë të gjithë blloqet e nevojshme. Për të menaxhuar regjistrimin e rastësishëm dhe defragmimin në sfond, disku përdor një tabelë thirrjeje indirekte. Megjithatë, nëse aplikacioneve të korporatave u nevojitet një performancë e parashikueshme dhe e optimizuar, kjo mund të arrihet vetëm kur hosti merr përsipër menaxhimin e plotë të të gjithë rrjedhave të të dhënave dhe zonave të regjistrimit.
Burimi: habr.com
