Перший у світі жорсткий диск, IBM RAMAC 305, що побачив світ у 1956 році, вміщував лише 5 МБ даних, а важив при цьому 970 кг і за габаритами можна порівняти з промисловим рефрижератором. Сучасні корпоративні флагмани здатні похвалитися ємністю вже 20 ТБ. Тільки уявіть собі: 64 роки тому, щоб записати таку кількість інформації, знадобилося б понад 4 мільйони RAMAC 305, а розміри ЦОДу, необхідного для їх розміщення, перевищили б 9 квадратних кілометрів, тоді як сьогодні для цього буде досить маленької коробочки вагою близько 700 грам! Багато в чому досягти такого неймовірного підвищення щільності зберігання вдалося завдяки вдосконаленню методів магнітного запису.
У це складно повірити, проте принципово конструкція жорстких дисків не змінюється вже майже 40 років, починаючи з 1983 року: саме тоді світло побачив перший 3,5-дюймовий вінчестер RO351, розроблений шотландською компанією Rodime. Цей малюк отримав дві магнітні пластини по 10 МБ кожна, тобто був здатний вмістити вдвічі більше даних, ніж оновлений ST-412 на 5,25 дюйма, випущений Seagate того ж року для персональних комп'ютерів IBM 5160.
Rodime RO351 - перший у світі 3,5-дюймовий вінчестер
Незважаючи на інноваційність та компактні розміри, на момент виходу RO351 виявився практично нікому не потрібен, а всі подальші спроби Rodime закріпитися на ринку вінчестерів зазнали фіаско, через що у 1991 році компанія була змушена припинити свою діяльність, розпродавши практично всі наявні активи та скоротивши штат до мінімуму. Проте стати банкрутом Rodime виявилося не судилося: незабаром до неї почали звертатися найбільші виробники вінчестерів, які бажають придбати ліцензію на використання запатентованого шотландцями форм-фактора. В даний час 3,5 дюйми є загальноприйнятим стандартом виробництва як споживчих HDD, так і накопичувачів корпоративного класу.
З появою нейромереж, Deep Learning та інтернету речей (IoT) обсяг створюваних людством даних став лавиноподібно зростати. За оцінками аналітичного агентства IDC, до 2025 року кількість інформації, що генерується як самими людьми, так і навколишніми девайсами, досягне 175 зеттабайт (1 Збайт = 1021 байт), і це при тому, що в 2019-му таке становило 45 Збайт, 2016-го - 16 Збайт, а в далекому 2006-му загальний обсяг даних, вироблених за всю найближчу історію, не перевищував 0,16 (!) Збайт. Впоратися з інформаційним вибухом допомагають сучасні технології, серед яких не останнє місце посідають удосконалені методи запису даних.
LMR, PMR, CMR та TDMR: у чому різниця?
Принцип роботи жорстких дисків є досить простим. Тонкі металеві пластини, покриті шаром феромагнітного матеріалу (кристалічного речовини, здатного зберігати намагніченість навіть за відсутності впливу на нього зовнішнього магнітного поля при температурі нижче точки Кюрі) рухаються щодо блоку головок, що пишуть, на великій швидкості (5400 оборотів за хвилину або більше). При подачі електричного струму на головку виникає змінне магнітне поле, яке змінює напрям вектора намагніченості доменів (дискретних областей речовини) феромагнетика. Зчитування даних відбувається або за рахунок явища електромагнітної індукції (переміщення доменів щодо сенсора викликає в останньому виникнення змінного електричного струму) або за рахунок гігантського магніторезистивного ефекту (під дією магнітного поля змінюється електричний опір датчика), як це реалізовано в сучасних накопичувачах. Кожен домен кодує один біт інформації, приймаючи логічне значення "0" або "1" залежно від напрямку вектора намагніченості.
Довгий час жорсткі диски використовували метод поздовжнього магнітного запису (LMR), при якому вектор намагніченості доменів лежав у площині магнітної пластини. Незважаючи на відносну простоту реалізації, дана технологія мала істотний недолік: для того, щоб подолати коерцитивність (перехід магнітних частинок в однодоменний стан), між треками доводилося залишати значну буферну зону (так зване guard space - захисний простір). Внаслідок цього максимальна щільність запису, якої вдалося досягти на заході цієї технології, становила всього 150 Гбіт/дюйм2.
У 2010 році LMR була практично повністю витіснена PMR (Perpendicular Magnetic Recording – перпендикулярний магнітний запис). Головна відмінність даної технології від поздовжнього магнітного запису полягає в тому, що вектор магнітної спрямованості кожного домену розташовується під кутом 90° до поверхні магнітної пластини, що дозволило суттєво скоротити проміжок між треками.
За рахунок цього щільність запису даних вдалося помітно збільшити (до 1 Тбіт/дюйм2 у сучасних пристроях), при цьому не жертвуючи швидкісними характеристиками та надійністю вінчестерів. В даний час перпендикулярний магнітний запис є домінуючим на ринку, у зв'язку з чим його також часто називають CMR (Conventional Magnetic Recording - звичайний магнітний запис). При цьому треба розуміти, що між PMR і CMR немає зовсім різниці — це лише інший варіант назви.
Вивчаючи технічні характеристики сучасних жорстких дисків, ви можете натрапити на загадкову абревіатуру TDMR. Зокрема, цю технологію використовують накопичувачі корпоративного класу. . З погляду фізики TDMR (що розшифровується як Two Dimensional Magnetic Recording — двовимірний магнітний запис) нічим не відрізняється від звичного нам PMR: як і раніше, ми маємо справу з треками, що не перетинаються, домени в яких орієнтовані перпендикулярно площині магнітних пластин. Різниця між технологіями полягає у підході до зчитування інформації.
У блоці магнітних головок вінчестерів, створених за технологією TDMR, на кожну пишучу головку припадають по два зчитувальні сенсори, що здійснюють одночасне читання даних з кожного пройденого треку. Така надмірність дає можливість контролеру HDD ефективно фільтрувати електромагнітні шуми, поява яких зумовлена міжтрековою інтерференцією (Intertrack Interference, ITI).
Вирішення проблеми з ITI забезпечує дві надзвичайно важливі переваги:
- зниження коефіцієнта перешкод дозволяє підвищити щільність запису за рахунок зменшення відстані між треками, забезпечуючи виграш загальної ємності аж до 10% порівняно зі звичайною PMR;
- у поєднанні з технологією RVS та трипозиційним мікроактуатором, TDMR дозволяє ефективно протистояти ротаційній вібрації, викликаній роботою вінчестерів, що допомагає досягти стабільного рівня продуктивності навіть у найбільш складних умовах експлуатації.
Що таке SMR та з чим його їдять?
Розміри пишучої головки приблизно в 1,7 рази більше в порівнянні з розмірами сенсора, що зчитує. Настільки велика різниця пояснюється досить просто: якщо записуючий модуль зробити ще більш мініатюрним, сили магнітного поля, яке він зможе генерувати, виявиться недостатньо для намагнічування доменів феромагнітного шару, а значить, дані просто не будуть зберігатися. У випадку з сенсором, що зчитує, такої проблеми не виникає. Більше того: його мініатюризація дозволяє додатково знизити вплив згаданої вище ITI на процес зчитування інформації.
Цей факт ліг в основу черепичного магнітного запису (Shingled Magnetic Recording, SMR). Давайте розібратися, як це працює. При використанні традиційного PMR пишуча головка зміщується щодо кожного попереднього треку на відстань, що дорівнює її ширині + ширина захисного простору (guard space).
При використанні черепичного методу магнітного запису пишуча головка зміщується вперед лише на частину своєї ширини, тому кожен попередній трек виявляється частково перезаписаний наступним: магнітні доріжки накладаються один на одного подібно до покрівельної черепиці. Такий підхід дозволяє додатково підвищити густину запису, забезпечуючи виграш за ємністю до 10%, при цьому не відбиваючись на процесі читання. Як приклад можна навести — перші у світі 3.5-дюймові накопичувачі об'ємом 20 ТБ з інтерфейсом SATA/SAS, поява яких стала можливою саме завдяки новій технології магнітного запису. Таким чином, перехід на SMR-диски дозволяє підвищити щільність зберігання даних у тих же стійках за мінімальних витрат на модернізацію IT-інфраструктури.
Незважаючи на таку значну перевагу, SMR має і очевидний недолік. Оскільки магнітні доріжки накладаються одна на одну, при оновленні даних знадобиться перезапис не тільки необхідного фрагмента, але і всіх наступних треків в межах магнітної пластини, об'єм якої може перевищувати 2 терабайти, що може призвести до серйозного падіння продуктивності.
Вирішити цю проблему допомагає об'єднання певної кількості треків у відокремлені групи, які називаються зонами. Хоча такий підхід до організації зберігання даних дещо знижує загальну ємність HDD (оскільки між зонами необхідно зберігати достатні проміжки, що перешкоджають перезапису треків із сусідніх груп), це дозволяє суттєво прискорити процес оновлення даних, оскільки тепер у ньому бере участь лише обмежена кількість доріжок.
Черепичний магнітний запис передбачає кілька варіантів реалізації:
- Drive Managed SMR (SMR, керована диском)
Основною її перевагою є відсутність необхідності модифікації програмного та/або апаратного забезпечення хоста, оскільки управління процедурою запису даних бере на себе контролер HDD. Такі диски можуть бути підключені до будь-якої системи, в якій є необхідний інтерфейс (SATA або SAS), після чого накопичувач буде відразу готовий до роботи.
Недолік цього підходу полягає у мінливості рівня продуктивності, у зв'язку з чим Drive Managed SMR виявляється непридатною для корпоративних додатків, у яких сталість швидкодії системи є критично важливим параметром. Тим не менш, такі диски добре показують себе в сценаріях, що надають достатній час для виконання фонової дефрагментації даних. Так, наприклад, DMSMR-накопичувачі , Оптимізовані для використання у складі малих NAS на 8 відсіків, стануть відмінним вибором для системи архівування або резервного копіювання, що передбачає довготривале зберігання бекапів.
- Host Managed SMR (SMR, керована хостом)
Host Managed SMR — найкращий варіант реалізації черепичного запису для використання в корпоративному середовищі. В даному випадку за керування потоками даних та операціями читання/запису відповідає сама хост-система, що задіює для цих цілей розширення інтерфейсів ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) та SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), розроблені комітетами INCITS T10 та T13 .
При використанні HMSMR весь доступний обсяг накопичувача поділяється на зони двох типів: Conventional Zones (звичайні зони), які використовуються для зберігання метаданих та довільного запису (по суті, відіграють роль кешу), та Sequential Write Required Zones (зони послідовного запису), що займають велику частина загальної ємності жорсткого диска, де дані записуються суворо послідовно. Невпорядковані дані зберігаються в області кешування, звідки можуть бути перенесені у відповідну зону послідовного запису. Завдяки цьому всі фізичні сектори записуються послідовно в радіальному напрямку і перезаписуються тільки після циклічного перенесення, що дозволяє досягти стабільної та передбачуваної продуктивності системи. При цьому HMSMR-диски підтримують команди довільного читання аналогічно до накопичувачів, що використовують стандартний PMR.
Host Managed SMR реалізована в жорстких дисках enterprise-класу .
Лінійка включає SATA- і SAS-накопичувачі високої ємності, орієнтовані на використання в складі гіпермасштабних центрів обробки даних. Підтримка Host Managed SMR суттєво розширює сферу застосування таких вінчестерів: крім систем резервного копіювання, вони чудово підійдуть для хмарних сховищ, CDN чи стрімінгових платформ. Висока ємність жорстких дисків дозволяє суттєво підвищити щільність зберігання (у тих самих стійках) при мінімальних витратах на апгрейд, а низьке енергоспоживання (не більше 0,29 Ватта на кожен терабайт збереженої інформації) та тепловиділення (в середньому на 5 ° C нижче, ніж у аналогів) - додатково скоротити операційні витрати на обслуговування ЦОДу.
Єдиним недоліком HMSMR є порівняльна складність імплементації. Вся справа в тому, що на сьогоднішній день жодна операційна система або програма не вміють працювати з подібними накопичувачами «з коробки», внаслідок чого для адаптації IT-інфраструктури потрібні серйозні зміни стека програмного забезпечення. Насамперед це стосується, звичайно ж, самої ОС, що в умовах сучасних ЦОД, що використовують багатоядерні та багатосокетні сервери, є досить нетривіальним завданням. Дізнатися докладніше про варіанти підтримки Host Managed SMR можна на спеціалізованому ресурсі , присвяченому питанням зонального зберігання даних Зібрані відомості допоможуть попередньо оцінити ступінь готовності вашої IT-інфраструктури для переведення на зональні системи зберігання.
- Host Aware SMR (SMR, що підтримується хостом)
Пристрої з підтримкою Host Aware SMR поєднують зручність і гнучкість Drive Managed SMR і високу швидкість запису Host Managed SMR. Такі накопичувачі сумісні з застарілими системами зберігання і можуть функціонувати без безпосереднього контролю з боку хоста, проте в цьому випадку, як і при роботі з DMSMR-дисками, їх продуктивність стає непередбачуваною.
Подібно до Host Managed SMR, Host Aware SMR використовує два типи зон: Conventional Zones для довільного запису та Sequential Write Preferred Zones (зони, кращі для послідовного запису). Останні, на відміну від згаданих вище Sequential Write Required Zones, автоматично переводяться до розряду звичайних у тому випадку, якщо в них починає вестися невпорядкований запис даних.
Реалізація SMR за допомогою хоста передбачає внутрішні механізми відновлення після непослідовного запису. Невпорядковані дані записуються в області кешування, звідки диск може переносити інформацію в зону послідовного запису після того, як будуть отримані всі необхідні блоки. Для керування невпорядкованим записом та фоновою дефрагментацією диск використовує таблицю непрямого звернення. Однак, якщо корпоративним додаткам потрібна передбачувана та оптимізована продуктивність, досягти цього, як і раніше, можна лише у випадку, коли хост бере на себе повне управління всіма потоками даних та зонами запису.
Джерело: habr.com