Технологије магнетног снимања на ХДД: једноставно о комплексу

Први чврсти диск на свету, ИБМ РАМАЦ 305, објављен 1956. године, имао је само 5 МБ података, тежио је 970 кг и био је упоредив по величини са индустријским фрижидером. Модерни корпоративни водећи модели могу се похвалити капацитетом од 20 ТБ. Замислите само: пре 64 године, да би се снимила оволика количина информација, било би потребно преко 4 милиона РАМАЦ 305, а величина дата центра потребна за њихово прихватање била би већа од 9 квадратних километара, док би данас мала кутија тешка око 700 грама! На много начина, ово невероватно повећање густине складиштења је постигнуто захваљујући побољшањима метода магнетног снимања.
Тешко је поверовати, али основни дизајн чврстих дискова није се мењао скоро 40 година, почевши од 1983. године: тада је први 3,5-инчни чврсти диск РО351, који је развила шкотска компанија Родиме, угледао светлост дана. Ова беба је имала две магнетне плоче од по 10 МБ, што значи да је била способна да држи дупло више података од ажурираног 412-инчног СТ-5,25 Сеагатеа који је исте године објављен за ИБМ 5160 персоналне рачунаре.

Родиме РО351 - први чврсти диск на свету од 3,5 инча

Упркос својој иновативности и компактној величини, РО351 се у тренутку пуштања у продају показао практично бескорисним никоме, а сви даљи покушаји Родимеа да се учврсти на тржишту хард дискова су пропали, због чега је 1991. године компанија била принуђена да обустави своје активности, распродајући скоро сву постојећу имовину и сводећи особље на минимум. Међутим, Родиму није било суђено да банкротира: ускоро су највећи произвођачи хард дискова почели да га контактирају, желећи да купе лиценцу за коришћење фактора облика који су патентирали Шкоти. Тренутно, 3,5 инча је опште прихваћен стандард за производњу и потрошачких ХДД-а и дискова пословне класе.

Са појавом неуронских мрежа, дубоког учења и Интернета ствари (ИоТ), обим података које је створило човечанство почео је експоненцијално да расте. Према проценама аналитичке агенције ИДЦ, до 2025. количина информација које генеришу и људи и уређаји око нас достићи ће 175 зетабајта (1 збајт = 1021 бајт), и то упркос чињеници да је 2019. то износило 45 збајта. , 2016. године - 16 Збајта, а још 2006. године укупна количина произведених података током целе посматране историје није прелазила 0,16 (!) Збајта. Савремене технологије помажу у суочавању са експлозијом информација, међу којима су и побољшане методе снимања података.

ЛМР, ПМР, ЦМР и ТДМР: Која је разлика?

Принцип рада чврстих дискова је прилично једноставан. Танке металне плоче обложене слојем феромагнетног материјала (кристална супстанца која може остати магнетизована чак и када није изложена спољашњем магнетном пољу на температурама испод Киријеве тачке) померају се у односу на јединицу главе за писање великом брзином (5400 обртаја у минути или више). Када се електрична струја примени на главу за писање, настаје наизменично магнетно поље, које мења смер вектора магнетизације домена (дискретних области материје) феромагнета. Очитавање података настаје или услед феномена електромагнетне индукције (померање домена у односу на сензор изазива појаву наизменичне електричне струје у последњем), или услед огромног магнеторезитивног ефекта (под утицајем магнетног поља електрични отпор промене сензора), као што је имплементирано у савременим погонима. Сваки домен кодира један бит информације, узимајући логичку вредност "0" или "1" у зависности од смера вектора магнетизације.

Чврсти дискови су дуго времена користили методу уздужног магнетног снимања (ЛМР), у којој је вектор магнетизације домена лежао у равни магнетне плоче. Упркос релативној једноставности имплементације, ова технологија је имала значајан недостатак: да би се превазишла коерцитивност (прелазак магнетних честица у једнодомено стање), импресивна тампон зона (тзв. заштитни простор) је морала да се остави између стазе. Као резултат тога, максимална густина снимања која је постигнута на крају ове технологије била је само 150 Гбит/инч2.

Године 2010. ЛМР је скоро у потпуности замењен ПМР (Перпендицулар Магнетиц Рецординг). Главна разлика између ове технологије и лонгитудиналног магнетног снимања је у томе што се вектор магнетног правца сваког домена налази под углом од 90° у односу на површину магнетне плоче, што је значајно смањило јаз између стаза.

Због тога је значајно повећана густина снимања података (до 1 Тбит/ин2 у савременим уређајима), без жртвовања карактеристика брзине и поузданости хард дискова. Тренутно, перпендикуларно магнетно снимање доминира тржиштем, због чега се често назива и ЦМР (Конвенционално магнетно снимање). Истовремено, морате схватити да нема апсолутно никакве разлике између ПМР и ЦМР - то је само другачија верзија имена.

Док проучавате техничке карактеристике савремених чврстих дискова, можете наићи и на мистериозну скраћеницу ТДМР. Конкретно, ову технологију користе дискови пословне класе Вестерн Дигитал Ултрастар 500 серија. Са становишта физике, ТДМР (што је скраћеница за дводимензионално магнетно снимање) се не разликује од уобичајеног ПМР-а: као и раније, имамо посла са траговима који се не секу, чији су домени оријентисани окомито на раван магнетног поља. плоче. Разлика између технологија лежи у приступу читању информација.

У блоку магнетних глава чврстих дискова креираних коришћењем ТДМР технологије, свака глава за писање има два сензора за читање који истовремено читају податке са сваке пређене траке. Ова редундантност омогућава ХДД контролеру да ефикасно филтрира електромагнетни шум, чија појава је узрокована интерференцијом између колосека (ИТИ).

Решавање ИТИ проблема пружа две изузетно важне предности:

1. смањење фактора шума вам омогућава да повећате густину снимања смањењем удаљености између стаза, обезбеђујући повећање укупног капацитета до 10% у поређењу са конвенционалним ПМР;
2. У комбинацији са РВС технологијом и тропозицијским микроактуатором, ТДМР се ефикасно одупире ротационим вибрацијама изазваним чврстим дисковима, помажући да се постижу доследни нивои перформанси чак и у најизазовнијим условима рада.

Шта је СМР и са чиме се једе?

Величина главе за писање је приближно 1,7 пута већа у поређењу са величином сензора за читање. Оваква импресивна разлика може се објаснити прилично једноставно: ако је модул за снимање још минијатурнији, јачина магнетног поља коју може да генерише неће бити довољна да магнетизује домене феромагнетног слоја, што значи да ће подаци једноставно не чувати. У случају сензора за очитавање, овај проблем се не појављује. Штавише: његова минијатуризација омогућава даље смањење утицаја горе поменутог ИТИ на процес читања информација.

Ова чињеница је била основа магнетног снимања са шиндром (СМР). Хајде да схватимо како то функционише. Када се користи традиционални ПМР, глава за писање се помера у односу на сваку претходну стазу за растојање једнако његовој ширини + ширини заштитног простора.

Када се користи метод магнетног снимања са плочицама, глава за писање се помера напред само делом своје ширине, тако да се свака претходна трака делимично преписује следећом: магнетне траке се преклапају једна са другом као кровне плочице. Овај приступ вам омогућава да додатно повећате густину снимања, обезбеђујући повећање капацитета до 10%, без утицаја на процес читања. Пример је Вестерн Дигитал Ултрастар ДЦ ХЦ 650 - први светски драјвови од 3.5 инча од 20 ТБ са САТА/САС интерфејсом, чији је изглед омогућен захваљујући новој технологији магнетног снимања. Дакле, прелазак на СМР дискове вам омогућава да повећате густину складиштења података у истим рацковима уз минималне трошкове за надоградњу ИТ инфраструктуре.

Упркос тако значајној предности, СМР такође има очигледан недостатак. Пошто се магнетне траке међусобно преклапају, ажурирање података ће захтевати преписивање не само потребног фрагмента, већ и свих наредних трака унутар магнетне плоче, чија запремина може да пређе 2 терабајта, што може довести до озбиљног пада перформанси.

Овај проблем се може решити комбиновањем одређеног броја стаза у засебне групе које се називају зонама. Иако овакав приступ организовању складиштења података донекле смањује укупни капацитет ХДД-а (пошто је потребно одржавати довољне празнине између зона да би се спречило преписивање нумера из суседних група), он може значајно да убрза процес ажурирања података, јер сада у њему је укључен само ограничен број нумера.

Магнетно снимање плочица укључује неколико опција имплементације:

• Дриве Манагед СМР

Његова главна предност је у томе што нема потребе за модификацијом хост софтвера и/или хардвера, пошто ХДД контролер преузима контролу над процедуром снимања података. Такви дискови се могу повезати на било који систем који има потребан интерфејс (САТА или САС), након чега ће диск бити одмах спреман за употребу.

Недостатак овог приступа је тај што нивои перформанси варирају, што СМР управља диском чини неприкладним за пословне апликације где су доследне перформансе система критичне. Међутим, такви дискови добро раде у сценаријима који омогућавају довољно времена за дефрагментацију података у позадини. На пример, ДМСМР дискови ВД Ред, оптимизован за коришћење као део малог НАС-а са 8 лежишта, биће одличан избор за систем архивирања или резервне копије који захтева дуготрајно складиштење резервних копија.

• Хост Манагед СМР

Хост Манагед СМР је преферирана имплементација поплочаног снимања за употребу у пословном окружењу. У овом случају, сам хост систем је одговоран за управљање токовима података и операцијама читања/писања, користећи у ове сврхе АТА (Зонед Девице АТА Цомманд Сет, ЗАЦ) и СЦСИ (Зонед Блоцк Цоммандс, ЗБЦ) екстензије интерфејса које је развио ИНЦИТС Т10 и Т13 комисије.

Када се користи ХМСМР, цео расположиви капацитет за складиштење диск јединице је подељен у две врсте зона: конвенционалне зоне, које се користе за складиштење метаподатака и насумичних снимака (у суштини играју улогу кеша) и зоне које захтевају секвенцијално уписивање, које заузимају велики део укупног капацитета чврстог диска у који се подаци уписују строго секвенцијално. Подаци који су ван реда се чувају у области кеша, одакле се затим могу пренети у одговарајућу област секвенцијалног писања. Ово осигурава да су сви физички сектори уписани секвенцијално у радијалном правцу и да се поново уписују тек након цикличног преноса, што резултира стабилним и предвидљивим перформансама система. У исто време, ХМСМР диск јединице подржавају команде за насумично читање на исти начин као дискови који користе стандардни ПМР.

Хост Манагед СМР имплементиран је у чврсте дискове пословне класе Вестерн Дигитал Ултрастар ХЦ ДЦ 600 серија.

Линија укључује САТА и САС дискове великог капацитета дизајниране за употребу у хиперскалираним центрима података. Подршка за Хост Манагед СМР значајно проширује обим примене таквих чврстих дискова: поред система резервних копија, савршени су за складиштење у облаку, ЦДН или стриминг платформе. Висок капацитет чврстих дискова омогућава вам да значајно повећате густину складиштења (у истим регалима) уз минималне трошкове надоградње, ниску потрошњу енергије (не више од 0,29 вати по терабајту ускладиштених информација) и расипање топлоте (у просеку 5 °Ц ниже од аналога) – додатно смањују оперативне трошкове одржавања дата центра.

Једини недостатак ХМСМР-а је релативна сложеност имплементације. Ствар је у томе што данас ниједан оперативни систем или апликација не може да ради са таквим драјвовима из кутије, због чега су потребне озбиљне измене софтверског стека да би се прилагодила ИТ инфраструктура. Пре свега, ово се, наравно, односи на сам ОС, што је у условима савремених центара података који користе вишејезгарне и вишесоцкет сервере прилично нетривијалан задатак. Можете сазнати више о опцијама за имплементацију СМР подршке управљаном хостом на специјализованом ресурсу ЗонедСтораге.ио, посвећен питањима зонског складиштења података. Информације прикупљене овде ће вам помоћи да прелиминарно процените спремност ваше ИТ инфраструктуре за пренос на зонске системе за складиштење.

• Хост Аваре СМР (Хост Аваре СМР)

Хост Аваре СМР уређаји комбинују практичност и флексибилност СМР-а којим управља диск са високим брзинама писања Хост Манагед СМР-а. Ови дискови су компатибилни са старим системима за складиштење података и могу да раде без директне контроле са хоста, али у овом случају, као и код ДМСМР диск јединица, њихове перформансе постају непредвидиве.

Попут Хост Манагед СМР, Хост Аваре СМР користи две врсте зона: конвенционалне зоне за насумично уписивање и приоритетне зоне секвенцијалног писања. Потоње, за разлику од горе поменутих зона захтеваног секвенцијалног писања, аутоматски се пребацују у категорију регуларних ако почну да бележе податке ван реда.

Имплементација СМР-а која је свесна хоста обезбеђује интерне механизме за опоравак од неконзистентног уписивања. Подаци који су ван реда се уписују у области кеша, одакле диск може пренети информације у област за секвенцијално уписивање након што су сви потребни блокови примљени. Диск користи табелу индирекције за управљање писањем ван редоследа и дефрагментацијом у позадини. Међутим, ако пословне апликације захтевају предвидљиве и оптимизоване перформансе, то се и даље може постићи само ако хост преузме потпуну контролу над свим токовима података и зонама снимања.

Извор: ввв.хабр.цом