Ang unang hard drive sa mundo, ang IBM RAMAC 305, na inilabas noong 1956, ay may hawak lamang na 5 MB ng data, may timbang na 970 kg at maihahambing ang laki sa isang industriyal na refrigerator. Ang mga modernong corporate flagship ay maaaring magyabang ng kapasidad na 20 TB. Isipin lamang: 64 na taon na ang nakalilipas, upang maitala ang halagang ito ng impormasyon, higit sa 4 milyong RAMAC 305 ang kailangan, at ang laki ng data center na kinakailangan upang ma-accommodate ang mga ito ay lalampas sa 9 square kilometers, samantalang ngayon isang maliit na kahon ang tumitimbang. mga 700 gramo! Sa maraming paraan, ang hindi kapani-paniwalang pagtaas sa density ng imbakan ay nakamit salamat sa mga pagpapabuti sa mga pamamaraan ng magnetic recording.
Mahirap paniwalaan, ngunit ang pangunahing disenyo ng mga hard drive ay hindi nagbago sa loob ng halos 40 taon, simula noong 1983: iyon ang unang 3,5-pulgada na hard drive na RO351, na binuo ng kumpanyang Scottish na si Rodime, ay nakakita ng liwanag ng araw. Ang sanggol na ito ay may dalawang magnetic platters na 10 MB bawat isa, ibig sabihin, ito ay may kakayahang humawak ng dalawang beses na mas maraming data kaysa sa na-update na 412-inch ST-5,25 Seagate na inilabas sa parehong taon para sa IBM 5160 personal na mga computer.
Rodime RO351 - ang unang 3,5-inch hard drive sa mundo
Sa kabila ng pagbabago at compact na laki nito, sa oras ng paglabas nito, ang RO351 ay naging halos walang silbi sa sinuman, at ang lahat ng karagdagang pagtatangka ni Rodime upang makakuha ng isang foothold sa hard drive market ay nabigo, kaya naman noong 1991 napilitan ang kumpanya. upang itigil ang mga aktibidad nito, ibenta ang halos lahat ng umiiral na asset at bawasan ang mga tauhan sa pinakamababa. Gayunpaman, si Rodime ay hindi nakalaan na mabangkarote: sa lalong madaling panahon ang pinakamalaking mga tagagawa ng hard drive ay nagsimulang makipag-ugnay dito, na nagnanais na bumili ng isang lisensya upang magamit ang form factor na patente ng mga Scots. Sa kasalukuyan, ang 3,5 pulgada ang karaniwang tinatanggap na pamantayan para sa paggawa ng parehong mga consumer HDD at enterprise-class drive.
Sa pagdating ng mga neural network, Deep Learning at Internet of Things (IoT), ang dami ng data na nilikha ng sangkatauhan ay nagsimulang lumaki nang husto. Ayon sa mga pagtatantya ng analytical agency na IDC, pagsapit ng 2025 ang dami ng impormasyong nabuo ng mga tao mismo at ng mga device sa paligid natin ay aabot sa 175 zettabytes (1 Zbyte = 1021 bytes), at ito sa kabila ng katotohanan na noong 2019 umabot ito sa 45 Zbytes , noong 2016 - 16 Zbytes, at noong 2006, ang kabuuang dami ng data na ginawa sa buong kasaysayang napapansin ay hindi lalampas sa 0,16 (!) Zbytes. Ang mga makabagong teknolohiya ay tumutulong upang makayanan ang pagsabog ng impormasyon, hindi bababa sa kung saan ay pinahusay na mga paraan ng pag-record ng data.
LMR, PMR, CMR at TDMR: Ano ang pagkakaiba?
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga hard drive ay medyo simple. Ang mga manipis na metal plate na pinahiran ng isang layer ng ferromagnetic material (isang crystalline substance na maaaring manatiling magnetized kahit na hindi nalantad sa isang panlabas na magnetic field sa mga temperatura sa ibaba ng Curie point) ay gumagalaw na may kaugnayan sa write head unit sa mataas na bilis (5400 revolutions kada minuto o higit pa). Kapag ang isang electric current ay inilapat sa write head, isang alternating magnetic field ang lumitaw, na nagbabago sa direksyon ng magnetization vector ng mga domain (discrete regions of matter) ng ferromagnet. Ang pagbabasa ng data ay nangyayari alinman dahil sa hindi pangkaraniwang bagay ng electromagnetic induction (ang paggalaw ng mga domain na nauugnay sa sensor ay nagiging sanhi ng paglitaw ng isang alternating electric current sa huli), o dahil sa isang higanteng magnetoresistive effect (sa ilalim ng impluwensya ng magnetic field ang electrical paglaban ng mga pagbabago sa sensor), tulad ng ipinatupad sa mga modernong drive. Ang bawat domain ay nag-encode ng isang piraso ng impormasyon, na kumukuha ng lohikal na halaga na "0" o "1" depende sa direksyon ng magnetization vector.
Sa loob ng mahabang panahon, ginamit ng mga hard drive ang pamamaraang Longitudinal Magnetic Recording (LMR), kung saan ang domain magnetization vector ay nakalagay sa eroplano ng magnetic plate. Sa kabila ng kamag-anak na pagiging simple ng pagpapatupad, ang teknolohiyang ito ay may isang makabuluhang disbentaha: upang mapagtagumpayan ang coercivity (ang paglipat ng mga magnetic particle sa isang single-domain na estado), isang kahanga-hangang buffer zone (ang tinatawag na guard space) ay kailangang iwan sa pagitan ang mga track. Bilang resulta, ang maximum na density ng pag-record na nakamit sa pagtatapos ng teknolohiyang ito ay 150 Gbit/inch2 lamang.
Noong 2010, ang LMR ay halos napalitan ng PMR (Perpendicular Magnetic Recording). Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng teknolohiyang ito at longitudinal magnetic recording ay ang magnetic direction vector ng bawat domain ay matatagpuan sa isang anggulo na 90Β° sa ibabaw ng magnetic plate, na makabuluhang nabawasan ang agwat sa pagitan ng mga track.
Dahil dito, ang density ng pag-record ng data ay makabuluhang nadagdagan (hanggang sa 1 Tbit/in2 sa mga modernong device), nang hindi sinasakripisyo ang mga katangian ng bilis at pagiging maaasahan ng mga hard drive. Sa kasalukuyan, nangingibabaw ang perpendicular magnetic recording sa merkado, kaya naman madalas din itong tinatawag na CMR (Conventional Magnetic Recording). Kasabay nito, kailangan mong maunawaan na talagang walang pagkakaiba sa pagitan ng PMR at CMR - ito ay ibang bersyon lamang ng pangalan.
Habang pinag-aaralan ang mga teknikal na katangian ng mga modernong hard drive, maaari mo ring makita ang mahiwagang pagdadaglat na TDMR. Sa partikular, ang teknolohiyang ito ay ginagamit ng mga enterprise-class drive . Mula sa physics point of view, ang TDMR (na nangangahulugang Two Dimensional Magnetic Recording) ay hindi naiiba sa karaniwang PMR: tulad ng dati, nakikitungo tayo sa mga hindi intersecting na track, na ang mga domain ay naka-orient patayo sa eroplano ng magnetic. mga plato. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga teknolohiya ay nasa diskarte sa pagbabasa ng impormasyon.
Sa block ng magnetic heads ng mga hard drive na nilikha gamit ang teknolohiyang TDMR, ang bawat writing head ay may dalawang sensor ng pagbabasa na sabay-sabay na nagbabasa ng data mula sa bawat track na ipinasa. Ang redundancy na ito ay nagbibigay-daan sa HDD controller na epektibong i-filter ang electromagnetic noise, na ang hitsura nito ay sanhi ng intertrack interference (ITI).
Ang paglutas sa problema ng ITI ay nagbibigay ng dalawang napakahalagang benepisyo:
- ang pagbabawas ng kadahilanan ng ingay ay nagbibigay-daan sa iyo upang madagdagan ang density ng pag-record sa pamamagitan ng pagbawas ng distansya sa pagitan ng mga track, na nagbibigay ng pakinabang sa kabuuang kapasidad na hanggang 10% kumpara sa maginoo na PMR;
- Pinagsama sa teknolohiya ng RVS at isang microactuator na may tatlong posisyon, epektibong nilalabanan ng TDMR ang rotational vibration na dulot ng mga hard drive, na tumutulong na makamit ang mga pare-parehong antas ng performance kahit na sa pinakamahirap na kondisyon ng operating.
Ano ang SMR at ano ang kinakain nito?
Ang laki ng ulo ng pagsulat ay humigit-kumulang 1,7 beses na mas malaki kumpara sa laki ng sensor ng pagbabasa. Ang ganitong kahanga-hangang pagkakaiba ay maaaring ipaliwanag nang simple: kung ang module ng pag-record ay ginawang mas maliit, ang lakas ng magnetic field na maaari nitong mabuo ay hindi sapat upang i-magnetize ang mga domain ng ferromagnetic layer, na nangangahulugan na ang data ay gagawin lamang. hindi maiimbak. Sa kaso ng isang sensor sa pagbabasa, ang problemang ito ay hindi lumabas. Bukod dito: ginagawang posible ng miniaturization nito na higit pang mabawasan ang impluwensya ng nabanggit na ITI sa proseso ng pagbabasa ng impormasyon.
Ang katotohanang ito ang naging batayan ng Shingled Magnetic Recording (SMR). Alamin natin kung paano ito gumagana. Kapag gumagamit ng tradisyunal na PMR, ang write head ay inililipat kaugnay sa bawat nakaraang track sa pamamagitan ng layo na katumbas ng lapad nito + ang lapad ng guard space.
Kapag ginagamit ang tiled magnetic recording method, ang write head ay umuusad lamang ng bahagi ng lapad nito, kaya ang bawat nakaraang track ay bahagyang na-overwrite ng susunod: ang mga magnetic track ay nagsasapawan sa isa't isa tulad ng mga roofing tile. Ang diskarte na ito ay nagbibigay-daan sa iyo upang higit pang dagdagan ang density ng pag-record, na nagbibigay ng pakinabang sa kapasidad na hanggang 10%, nang hindi naaapektuhan ang proseso ng pagbabasa. Ang isang halimbawa ay - ang unang 3.5-inch 20 TB drive sa mundo na may interface ng SATA/SAS, ang hitsura nito ay naging posible salamat sa bagong teknolohiya ng magnetic recording. Kaya, ang paglipat sa mga SMR disk ay nagbibigay-daan sa iyo upang madagdagan ang density ng imbakan ng data sa parehong mga rack na may kaunting gastos para sa pag-upgrade ng imprastraktura ng IT.
Sa kabila ng napakalaking kalamangan, ang SMR ay mayroon ding halatang disbentaha. Dahil ang mga magnetic track ay magkakapatong sa isa't isa, ang pag-update ng data ay mangangailangan ng muling pagsulat hindi lamang sa kinakailangang fragment, kundi pati na rin sa lahat ng kasunod na mga track sa loob ng magnetic platter, ang dami nito ay maaaring lumampas sa 2 terabytes, na maaaring humantong sa isang malubhang pagbaba sa pagganap.
Ang problemang ito ay maaaring malutas sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng isang tiyak na bilang ng mga track sa magkakahiwalay na grupo na tinatawag na mga zone. Bagama't ang diskarteng ito sa pag-aayos ng pag-iimbak ng data ay medyo binabawasan ang kabuuang kapasidad ng HDD (dahil kinakailangan na mapanatili ang sapat na gaps sa pagitan ng mga zone upang maiwasang ma-overwrite ang mga track mula sa mga katabing grupo), maaari nitong makabuluhang mapabilis ang proseso ng pag-update ng data, mula ngayon limitadong bilang lamang ng mga track ang kasangkot dito.
Ang tile magnetic recording ay nagsasangkot ng ilang mga opsyon sa pagpapatupad:
- Pinamamahalaang Drive SMR
Ang pangunahing bentahe nito ay hindi na kailangang baguhin ang host software at/o hardware, dahil kinokontrol ng HDD controller ang proseso ng pag-record ng data. Ang ganitong mga drive ay maaaring konektado sa anumang system na may kinakailangang interface (SATA o SAS), pagkatapos nito ang drive ay agad na handa para sa paggamit.
Ang kawalan ng diskarteng ito ay ang pagkakaiba-iba ng mga antas ng performance, na ginagawang hindi angkop ang Drive Managed SMR para sa mga application ng enterprise kung saan ang pare-parehong performance ng system ay kritikal. Gayunpaman, mahusay na gumaganap ang mga naturang drive sa mga sitwasyong nagbibigay-daan sa sapat na oras para mangyari ang background data defragmentation. Halimbawa, ang mga DMSMR drive , na-optimize para sa paggamit bilang bahagi ng maliit na 8-bay NAS, ay magiging isang mahusay na pagpipilian para sa isang archive o backup system na nangangailangan ng pangmatagalang imbakan ng mga backup.
- Host Managed SMR
Ang Host Managed SMR ay ang ginustong pagpapatupad ng naka-tile na pag-record para magamit sa isang enterprise environment. Sa kasong ito, ang host system mismo ay may pananagutan para sa pamamahala ng mga daloy ng data at pagbabasa/pagsusulat ng mga operasyon, gamit para sa mga layuning ito ang ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) at SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) na mga extension ng interface na binuo ng INCITS Mga komite ng T10 at T13 .
Kapag gumagamit ng HMSMR, ang buong available na storage capacity ng drive ay nahahati sa dalawang uri ng mga zone: Conventional Zones, na ginagamit upang mag-imbak ng metadata at random na pag-record (pangunahing gumaganap ang papel ng isang cache), at Sequential Write Required Zones, na sumasakop. isang malaking bahagi ng kabuuang kapasidad ng hard drive kung saan ang data ay nakasulat nang mahigpit na sunud-sunod. Ang out-of-order na data ay iniimbak sa isang cache area, kung saan maaari itong ilipat sa naaangkop na sequential write area. Tinitiyak nito na ang lahat ng pisikal na sektor ay nakasulat nang sunud-sunod sa radial na direksyon at muling isinusulat pagkatapos ng isang paikot na paglipat, na nagreresulta sa matatag at mahuhulaan na pagganap ng system. Kasabay nito, sinusuportahan ng mga HMSMR drive ang mga random read command sa parehong paraan tulad ng mga drive na gumagamit ng karaniwang PMR.
Ang Host Managed SMR ay ipinapatupad sa enterprise-class na hard drive .
Kasama sa linya ang mga high-capacity na SATA at SAS drive na idinisenyo para gamitin sa mga hyperscale data center. Ang suporta para sa Host Managed SMR ay makabuluhang nagpapalawak ng saklaw ng aplikasyon ng mga naturang hard drive: bilang karagdagan sa mga backup system, perpekto ang mga ito para sa cloud storage, CDN o streaming platform. Ang mataas na kapasidad ng mga hard drive ay nagbibigay-daan sa iyo upang makabuluhang taasan ang density ng imbakan (sa parehong mga rack) na may kaunting mga gastos sa pag-upgrade, at mababang paggamit ng kuryente (hindi hihigit sa 0,29 watts bawat terabyte ng naka-imbak na impormasyon) at pagkawala ng init (sa average na 5 Β°C na mas mababa. kaysa sa mga analogue) - higit pang bawasan ang mga gastos sa pagpapatakbo para sa pagpapanatili ng data center.
Ang tanging disbentaha ng HMSMR ay ang pagiging kumplikado ng pagpapatupad. Ang bagay ay na ngayon ay walang operating system o application na maaaring gumana sa naturang mga drive out of the box, kaya naman ang mga seryosong pagbabago sa software stack ay kinakailangan upang iakma ang IT infrastructure. Una sa lahat, ito ay nag-aalala, siyempre, ang OS mismo, na sa mga kondisyon ng modernong mga sentro ng data na gumagamit ng mga multi-core at multi-socket server ay isang halip na walang kuwentang gawain. Maaari kang matuto nang higit pa tungkol sa mga opsyon para sa pagpapatupad ng suporta sa Host Managed SMR sa isang espesyal na mapagkukunan , na nakatuon sa mga isyu ng zonal data storage. Ang impormasyong nakolekta dito ay makakatulong sa iyong paunang pagtatasa ng kahandaan ng iyong imprastraktura ng IT para sa paglipat sa mga system ng imbakan ng zone.
- Host Aware SMR (Host Aware SMR)
Pinagsasama ng mga Host Aware na SMR-enabled na device ang kaginhawahan at flexibility ng Drive Managed SMR sa mataas na bilis ng pagsulat ng Host Managed SMR. Ang mga drive na ito ay backward compatible sa mga legacy na storage system at maaaring gumana nang walang direktang kontrol mula sa host, ngunit sa kasong ito, tulad ng sa mga DMSMR drive, nagiging unpredictable ang performance ng mga ito.
Tulad ng Host Managed SMR, gumagamit ang Host Aware SMR ng dalawang uri ng mga zone: Mga Conventional Zone para sa random na pagsusulat at Sequential Write Preferred Zone. Ang huli, kabaligtaran sa Sequential Write Required Zones na binanggit sa itaas, ay awtomatikong ire-relegate sa kategorya ng mga regular kung magsisimula silang magtala ng data nang wala sa ayos.
Nagbibigay ang host-aware na pagpapatupad ng SMR ng mga panloob na mekanismo para sa pagbawi mula sa mga hindi pantay na pagsusulat. Ang out-of-order na data ay isinulat sa mga lugar ng cache, mula sa kung saan maaaring ilipat ng disk ang impormasyon sa sequential write area pagkatapos matanggap ang lahat ng kinakailangang block. Gumagamit ang disk ng indidirection table para pamahalaan ang write out-of-order at background defragmentation. Gayunpaman, kung ang mga application ng enterprise ay nangangailangan ng predictable at na-optimize na pagganap, maaari pa rin itong makamit kung ganap na kontrolado ng host ang lahat ng daloy ng data at mga zone ng pag-record.
Pinagmulan: www.habr.com