Ổ cứng đầu tiên trên thế giới, IBM RAMAC 305, ra mắt năm 1956, chỉ chứa 5 MB dữ liệu, nặng 970 kg và có kích thước tương đương một chiếc tủ lạnh công nghiệp. Các thiết bị hàng đầu của công ty hiện đại có thể tự hào về dung lượng 20 TB. Hãy tưởng tượng: 64 năm trước, để ghi lại lượng thông tin này, cần có hơn 4 triệu RAMAC 305 và kích thước của trung tâm dữ liệu cần thiết để chứa chúng sẽ vượt quá 9 km700, trong khi ngày nay một chiếc hộp nhỏ có trọng lượng khoảng XNUMX gram! Theo nhiều cách, sự gia tăng mật độ lưu trữ đáng kinh ngạc này đạt được nhờ những cải tiến trong phương pháp ghi từ tính.
Thật khó tin, nhưng thiết kế cơ bản của ổ cứng đã không thay đổi trong gần 40 năm, bắt đầu từ năm 1983: đó là khi ổ cứng 3,5 inch đầu tiên RO351, do công ty Rodime của Scotland phát triển, ra đời. Em bé này có hai đĩa từ tính mỗi đĩa 10 MB, nghĩa là nó có khả năng chứa nhiều dữ liệu gấp đôi so với ST-412 Seagate 5,25 inch cập nhật được phát hành cùng năm cho máy tính cá nhân IBM 5160.
Rodime RO351 - ổ cứng 3,5 inch đầu tiên trên thế giới
Bất chấp sự đổi mới và kích thước nhỏ gọn, tại thời điểm phát hành, RO351 thực tế vô dụng đối với bất kỳ ai và mọi nỗ lực tiếp theo của Rodime nhằm giành được chỗ đứng trên thị trường ổ cứng đều thất bại, đó là lý do tại sao vào năm 1991, công ty buộc phải ngừng hoạt động, bán gần hết tài sản hiện có và cắt giảm nhân sự đến mức tối thiểu. Tuy nhiên, Rodime không có nguy cơ bị phá sản: ngay sau đó các nhà sản xuất ổ cứng lớn nhất đã bắt đầu liên hệ với nó, mong muốn mua được giấy phép sử dụng hệ số dạng đã được cấp bằng sáng chế bởi người Scotland. Hiện tại, 3,5 inch là tiêu chuẩn được chấp nhận chung để sản xuất cả ổ cứng HDD dành cho người tiêu dùng và ổ đĩa cấp doanh nghiệp.
Với sự ra đời của mạng lưới thần kinh, Deep Learning và Internet of Things (IoT), khối lượng dữ liệu do nhân loại tạo ra bắt đầu tăng theo cấp số nhân. Theo ước tính của cơ quan phân tích IDC, đến năm 2025, lượng thông tin do chính con người và các thiết bị xung quanh chúng ta tạo ra sẽ đạt 175 zettabyte (1 Zbyte = 1021 byte) và điều này bất chấp thực tế là năm 2019 con số này lên tới 45 Zbyte , vào năm 2016 - 16 Zbyte và trở lại năm 2006, tổng lượng dữ liệu được tạo ra trong toàn bộ lịch sử có thể quan sát được không vượt quá 0,16 (!) Zbyte. Các công nghệ hiện đại đang giúp đối phó với sự bùng nổ thông tin, đặc biệt trong số đó là các phương pháp ghi dữ liệu được cải tiến.
LMR, PMR, CMR và TDMR: Sự khác biệt là gì?
Nguyên lý hoạt động của ổ cứng khá đơn giản. Các tấm kim loại mỏng được phủ một lớp vật liệu sắt từ (một chất kết tinh có thể duy trì từ tính ngay cả khi không tiếp xúc với từ trường bên ngoài ở nhiệt độ dưới điểm Curie) di chuyển so với bộ phận đầu ghi ở tốc độ cao (5400 vòng/phút hoặc hơn). Khi một dòng điện chạy vào đầu ghi, một từ trường xoay chiều xuất hiện, làm thay đổi hướng của vectơ từ hóa của các miền (các vùng vật chất riêng biệt) của nam châm sắt. Việc đọc dữ liệu xảy ra do hiện tượng cảm ứng điện từ (sự chuyển động của các miền so với cảm biến gây ra sự xuất hiện của dòng điện xoay chiều trong cảm biến) hoặc do hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (dưới tác động của từ trường, điện trở điện trở của cảm biến thay đổi), như được thực hiện trong các bộ truyền động hiện đại. Mỗi miền mã hóa một bit thông tin, lấy giá trị logic “0” hoặc “1” tùy theo hướng của vectơ từ hóa.
Trong một thời gian dài, ổ cứng đã sử dụng phương pháp Ghi từ tính dọc (LMR), trong đó vectơ từ hóa miền nằm trong mặt phẳng của tấm từ. Mặc dù thực hiện tương đối đơn giản, công nghệ này có một nhược điểm đáng kể: để khắc phục lực cưỡng bức (sự chuyển đổi của các hạt từ tính sang trạng thái một miền), một vùng đệm ấn tượng (cái gọi là không gian bảo vệ) phải được để lại giữa các bài hát. Kết quả là mật độ ghi tối đa đạt được ở giai đoạn cuối của công nghệ này chỉ là 150 Gbit/inch2.
Năm 2010, LMR gần như được thay thế hoàn toàn bằng PMR (Ghi từ vuông góc). Sự khác biệt chính giữa công nghệ này và ghi từ theo chiều dọc là vectơ hướng từ của mỗi miền nằm ở góc 90° so với bề mặt của tấm từ, giúp giảm đáng kể khoảng cách giữa các rãnh.
Nhờ đó, mật độ ghi dữ liệu đã tăng lên đáng kể (lên tới 1 Tbit/in2 trong các thiết bị hiện đại) mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính tốc độ và độ tin cậy của ổ cứng. Hiện nay, ghi từ vuông góc đang chiếm ưu thế trên thị trường, đó là lý do tại sao nó còn thường được gọi là CMR (Ghi từ thông thường). Đồng thời, bạn cần hiểu rằng hoàn toàn không có sự khác biệt giữa PMR và CMR - đó chỉ là một phiên bản khác của tên gọi.
Khi nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật của ổ cứng hiện đại, bạn cũng có thể bắt gặp chữ viết tắt TDMR bí ẩn. Đặc biệt, công nghệ này được sử dụng bởi các ổ đĩa cấp doanh nghiệp . Từ quan điểm vật lý, TDMR (viết tắt của Ghi từ tính hai chiều) không khác gì PMR thông thường: như trước đây, chúng ta đang xử lý các rãnh không giao nhau, các miền của chúng được định hướng vuông góc với mặt phẳng của từ tính. tấm. Sự khác biệt giữa các công nghệ nằm ở cách tiếp cận đọc thông tin.
Trong khối đầu từ của ổ cứng được tạo ra bằng công nghệ TDMR, mỗi đầu ghi có hai cảm biến đọc đồng thời đọc dữ liệu từ mỗi track đi qua. Sự dư thừa này cho phép bộ điều khiển HDD lọc nhiễu điện từ một cách hiệu quả, sự xuất hiện của nhiễu này là do nhiễu giữa các rãnh (ITI).
Giải quyết vấn đề ITI mang lại hai lợi ích cực kỳ quan trọng:
- giảm hệ số tiếng ồn cho phép bạn tăng mật độ ghi bằng cách giảm khoảng cách giữa các rãnh, mang lại mức tăng tổng công suất lên tới 10% so với PMR thông thường;
- Kết hợp với công nghệ RVS và bộ truyền động vi mô ba vị trí, TDMR chống lại rung động quay do ổ cứng gây ra một cách hiệu quả, giúp đạt được mức hiệu suất ổn định ngay cả trong những điều kiện vận hành khó khăn nhất.
SMR là gì và nó được ăn với cái gì?
Kích thước của đầu viết lớn hơn khoảng 1,7 lần so với kích thước của cảm biến đọc. Sự khác biệt ấn tượng như vậy có thể được giải thích khá đơn giản: nếu mô-đun ghi được chế tạo thu nhỏ hơn nữa, cường độ từ trường mà nó có thể tạo ra sẽ không đủ để từ hóa các miền của lớp sắt từ, điều đó có nghĩa là dữ liệu sẽ đơn giản chuyển sang trạng thái từ hóa. không được lưu trữ. Trong trường hợp cảm biến đọc, vấn đề này không phát sinh. Hơn nữa: việc thu nhỏ của nó giúp có thể giảm hơn nữa ảnh hưởng của ITI nói trên đối với quá trình đọc thông tin.
Thực tế này đã hình thành nên cơ sở của Ghi từ tính (SMR). Hãy tìm hiểu cách nó hoạt động. Khi sử dụng PMR truyền thống, đầu ghi được dịch chuyển so với từng rãnh ghi trước đó một khoảng bằng chiều rộng của nó + chiều rộng của không gian bảo vệ.
Khi sử dụng phương pháp ghi từ tính xếp chồng lên nhau, đầu ghi chỉ di chuyển về phía trước một phần chiều rộng của nó, do đó, mỗi rãnh ghi trước đó bị ghi đè một phần bởi rãnh tiếp theo: các rãnh từ chồng lên nhau như những tấm ngói lợp nhà. Cách tiếp cận này cho phép bạn tăng thêm mật độ ghi, mang lại mức tăng công suất lên tới 10% mà không ảnh hưởng đến quá trình đọc. Một ví dụ là - ổ đĩa 3.5 inch 20 TB đầu tiên trên thế giới có giao diện SATA/SAS, sự xuất hiện của ổ đĩa này có thể thực hiện được nhờ công nghệ ghi từ tính mới. Do đó, việc chuyển đổi sang đĩa SMR cho phép bạn tăng mật độ lưu trữ dữ liệu trong cùng một giá đỡ với chi phí nâng cấp cơ sở hạ tầng CNTT tối thiểu.
Mặc dù có lợi thế đáng kể như vậy nhưng SMR cũng có một nhược điểm rõ ràng. Vì các rãnh từ chồng lên nhau nên việc cập nhật dữ liệu sẽ yêu cầu ghi lại không chỉ đoạn được yêu cầu mà còn cả tất cả các rãnh tiếp theo trong đĩa từ, dung lượng của chúng có thể vượt quá 2 terabyte, điều này có thể dẫn đến hiệu suất giảm nghiêm trọng.
Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách kết hợp một số rãnh nhất định thành các nhóm riêng biệt gọi là vùng. Mặc dù cách tiếp cận tổ chức lưu trữ dữ liệu này phần nào làm giảm dung lượng tổng thể của ổ cứng (vì cần duy trì đủ khoảng cách giữa các vùng để ngăn chặn các dấu vết từ các nhóm lân cận bị ghi đè), nhưng nó có thể tăng tốc đáng kể quá trình cập nhật dữ liệu, kể từ bây giờ chỉ có một số lượng hạn chế các bài hát có liên quan đến nó.
Ghi từ tính ô bao gồm một số tùy chọn triển khai:
- SMR được quản lý trên Drive
Ưu điểm chính của nó là không cần phải sửa đổi phần mềm và/hoặc phần cứng máy chủ vì bộ điều khiển ổ cứng sẽ kiểm soát quy trình ghi dữ liệu. Các ổ đĩa như vậy có thể được kết nối với bất kỳ hệ thống nào có giao diện cần thiết (SATA hoặc SAS), sau đó ổ đĩa sẽ sẵn sàng để sử dụng ngay lập tức.
Nhược điểm của phương pháp này là mức hiệu suất khác nhau, khiến SMR được quản lý bằng Drive không phù hợp với các ứng dụng doanh nghiệp nơi hiệu suất hệ thống nhất quán là rất quan trọng. Tuy nhiên, các ổ đĩa như vậy hoạt động tốt trong các tình huống cho phép có đủ thời gian để quá trình chống phân mảnh dữ liệu nền diễn ra. Ví dụ: ổ đĩa DMSMR , được tối ưu hóa để sử dụng như một phần của NAS 8 khay nhỏ, sẽ là lựa chọn tuyệt vời cho hệ thống lưu trữ hoặc sao lưu yêu cầu lưu trữ lâu dài các bản sao lưu.
- SMR do máy chủ quản lý
SMR do máy chủ quản lý là cách triển khai ghi theo từng ô được ưu tiên sử dụng trong môi trường doanh nghiệp. Trong trường hợp này, hệ thống máy chủ tự chịu trách nhiệm quản lý các luồng dữ liệu và các hoạt động đọc/ghi, sử dụng cho các mục đích này các phần mở rộng giao diện ATA (Bộ lệnh ATA của thiết bị được khoanh vùng, ZAC) và SCSI (Lệnh chặn được khoanh vùng, ZBC) do INCITS phát triển Ủy ban T10 và T13.
Khi sử dụng HMSMR, toàn bộ dung lượng lưu trữ khả dụng của ổ đĩa được chia thành hai loại vùng: Vùng thông thường, được sử dụng để lưu trữ siêu dữ liệu và ghi ngẫu nhiên (về cơ bản đóng vai trò của bộ đệm) và Vùng bắt buộc ghi tuần tự, chiếm một phần lớn tổng dung lượng ổ cứng trong đó dữ liệu được ghi một cách tuần tự. Dữ liệu không theo thứ tự được lưu trữ trong vùng đệm, từ đó nó có thể được chuyển đến vùng ghi tuần tự thích hợp. Điều này đảm bảo rằng tất cả các khu vực vật lý được ghi tuần tự theo hướng xuyên tâm và chỉ được viết lại sau khi truyền theo chu kỳ, mang lại hiệu suất hệ thống ổn định và có thể dự đoán được. Đồng thời, ổ HMSMR hỗ trợ các lệnh đọc ngẫu nhiên giống như các ổ sử dụng PMR tiêu chuẩn.
SMR do máy chủ quản lý được triển khai trong ổ cứng cấp doanh nghiệp .
Dòng này bao gồm các ổ đĩa SATA và SAS dung lượng cao được thiết kế để sử dụng trong các trung tâm dữ liệu siêu quy mô. Hỗ trợ SMR do máy chủ quản lý mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của các ổ cứng như vậy: ngoài hệ thống sao lưu, chúng còn hoàn hảo cho các nền tảng lưu trữ đám mây, CDN hoặc phát trực tuyến. Dung lượng cao của ổ cứng cho phép bạn tăng đáng kể mật độ lưu trữ (trong cùng một giá đỡ) với chi phí nâng cấp tối thiểu và mức tiêu thụ điện năng thấp (không quá 0,29 watt trên mỗi terabyte thông tin được lưu trữ) và tản nhiệt (trung bình thấp hơn 5 ° C). hơn so với các thiết bị tương tự) - giảm hơn nữa chi phí vận hành để bảo trì trung tâm dữ liệu.
Hạn chế duy nhất của HMSMR là sự phức tạp tương đối trong việc triển khai. Vấn đề là ngày nay không có hệ điều hành hoặc ứng dụng nào có thể hoạt động ngay lập tức với các ổ đĩa như vậy, đó là lý do tại sao cần phải có những thay đổi nghiêm trọng đối với ngăn xếp phần mềm để điều chỉnh cơ sở hạ tầng CNTT. Trước hết, tất nhiên, điều này liên quan đến bản thân hệ điều hành, trong điều kiện các trung tâm dữ liệu hiện đại sử dụng máy chủ đa lõi và nhiều ổ cắm là một nhiệm vụ khá không hề nhỏ. Bạn có thể tìm hiểu thêm về các tùy chọn triển khai hỗ trợ SMR do máy chủ quản lý trên một tài nguyên chuyên biệt , dành riêng cho các vấn đề về lưu trữ dữ liệu vùng. Thông tin được thu thập ở đây sẽ giúp bạn đánh giá sơ bộ mức độ sẵn sàng của cơ sở hạ tầng CNTT để chuyển sang hệ thống lưu trữ vùng.
- SMR nhận biết máy chủ (SMR nhận biết máy chủ)
Các thiết bị hỗ trợ Host Aware SMR kết hợp sự tiện lợi và linh hoạt của Drive Managed SMR với tốc độ ghi cao của Host Managed SMR. Các ổ đĩa này tương thích ngược với các hệ thống lưu trữ cũ và có thể hoạt động mà không cần sự điều khiển trực tiếp từ máy chủ, nhưng trong trường hợp này, cũng như với các ổ DMSMR, hiệu suất của chúng trở nên khó lường.
Giống như SMR do máy chủ quản lý, SMR nhận biết máy chủ sử dụng hai loại vùng: Vùng thông thường để ghi ngẫu nhiên và Vùng ưu tiên ghi tuần tự. Vùng thứ hai, trái ngược với Vùng yêu cầu ghi tuần tự được đề cập ở trên, sẽ tự động được chuyển xuống danh mục vùng thông thường nếu chúng bắt đầu ghi dữ liệu không theo thứ tự.
Việc triển khai SMR nhận biết máy chủ cung cấp các cơ chế nội bộ để phục hồi sau khi ghi không nhất quán. Dữ liệu không theo thứ tự được ghi vào vùng bộ đệm, từ đó đĩa có thể chuyển thông tin đến vùng ghi tuần tự sau khi tất cả các khối cần thiết đã được nhận. Đĩa sử dụng bảng gián tiếp để quản lý việc ghi không theo thứ tự và chống phân mảnh nền. Tuy nhiên, nếu các ứng dụng doanh nghiệp yêu cầu hiệu suất được tối ưu hóa và có thể dự đoán được thì điều này vẫn chỉ có thể đạt được nếu máy chủ có toàn quyền kiểm soát tất cả các luồng dữ liệu và vùng ghi.
Nguồn: www.habr.com