世界上第一块硬盘IBM RAMAC 305于1956年发布，仅包含5MB数据，重量为970公斤，大小与工业冰箱相当。 现代企业旗舰机的容量已经达到 20 TB。 试想一下：64年前，为了记录如此大量的信息，需要超过4万个RAMAC 305，容纳它们所需的数据中心规模将超过9平方公里，而今天一个小盒子重约700克！ 在许多方面，存储密度的惊人增长都是由于磁记录方法的改进而实现的。
令人难以置信的是，自 40 年以来，硬盘的设计已经近 1983 年没有从根本上改变：正是在那时，苏格兰公司 Rodime 开发的第一款 3,5 英寸硬盘 RO351 诞生了。 这款宝贝配备了两个 10 MB 的磁板，也就是说，它能够容纳的数据量是希捷同年为 IBM 412 个人电脑发布的更新版 5,25 英寸 ST-5160 的两倍。
Rodime RO351——全球首款3,5英寸硬盘
尽管具有创新性和紧凑的尺寸，但在 RO351 发布时，几乎没有人需要它，而 Rodime 在硬盘市场站稳脚跟的所有进一步尝试都失败了，这就是该公司被迫停止运营的原因1991年，出售了几乎所有现有资产并将国有资产减至最低。 然而，Rodime 并没有注定要破产：很快，最大的硬盘制造商开始向她求助，希望获得使用苏格兰人专利外形的许可。 3,5 英寸现已成为消费者和企业 HDD 的行业标准。
随着神经网络、深度学习和物联网（IoT）的出现，人类创造的数据量开始像雪崩一样增长。 根据分析机构 IDC 的估计，到 2025 年，人们本身和我们周围的设备产生的信息量将达到 175 ZB（1 ZB = 1021 字节），尽管 2019 年这一数据量为 45 ZB Zbytes，2016 年为 16 Zbytes，而早在 2006 年，整个可预见历史中产生的数据总量不超过 0,16（！）Zbytes。 现代技术有助于应对信息爆炸，其中改进的数据记录方法并不是最后一个。
LMR、PMR、CMR 和 TDMR：有什么区别？
硬盘驱动器的工作原理非常简单。 涂有一层铁磁材料（一种晶体物质，即使在低于居里点的温度下没有外部磁场的情况下也能保持磁化的晶体物质）的薄金属板相对于记录磁头块以高速（5400转/分钟或更多的）。 当电流施加到写入头时，会产生交变磁场，从而改变铁磁体磁域（物质的离散区域）的磁化矢量的方向。 数据读取的发生要么是由于电磁感应现象（磁域相对于传感器的移动导致传感器中产生交流电流），要么是由于巨磁阻效应（传感器的电阻在磁场作用下发生变化）而发生。磁场的影响），正如现代存储设备中所实现的那样。 每个域编码一位信息，根据磁化矢量的方向取逻辑值“0”或“1”。
长期以来，硬盘驱动器采用纵向磁记录（LMR）方法，其中磁畴磁化矢量位于磁盘平面内。 尽管实施起来相对容易，但该技术有一个显着的缺点：为了克服矫顽力（磁性粒子向单畴状态的转变），必须在两个粒子之间留出一个令人印象深刻的缓冲区（所谓的保护空间）。曲目。 结果，该技术最终实现的最大记录密度仅为 150 Gb/in2。
2010年，LMR几乎完全被PMR（Perpendillary Magnetic Recording——垂直磁记录）取代。 该技术与纵向磁记录的主要区别在于，每个磁域的磁方向性矢量与磁板表面成90°角，这使得可以显着减小磁道之间的间隙。
因此，数据记录密度显着提高（现代设备中高达 1 Tbit/inch2），同时不牺牲硬盘驱动器的速度特性和可靠性。 目前，垂直磁记录在市场上占据主导地位，这就是为什么它也常被称为CMR（Conventional Magnetic Recording - 常规磁记录）。 同时，我们必须明白，PMR 和 CMR 之间绝对没有区别 - 这只是名称的不同版本。
在查看现代硬盘的规格时，您可能还会遇到神秘的缩写 TDMR。 特别是，该技术被企业级驱动器使用 。 从物理学的角度来看，TDMR（代表二维磁记录 - 二维磁记录）与通常的 PMR 没有什么不同：和以前一样，我们处理的是不相交的磁道，其中磁域垂直定向到磁性板的平面。 技术之间的差异在于读取信息的方法。
在使用 TDMR 技术创建的硬盘磁头块中，每个记录磁头都有两个读取传感器，可同时从每个经过的磁道读取数据。 这种冗余使得 HDD 控制器能够有效过滤由轨道间干扰 (ITI) 引起的电磁噪声。
通过 ITI 解决问题有两个极其重要的好处：
- 噪声系数的降低可以通过减少磁道之间的距离来提高记录密度，与传统 PMR 相比，总容量提高高达 10%；
- 结合 RVS 技术和三位微型执行器，TDMR 可以有效抵抗硬盘驱动器引起的旋转振动，即使在最苛刻的环境下也有助于实现一致的性能水平。
什么是SMR？它和什么一起吃？
写入头的尺寸大约是读取传感器尺寸的1,7倍。 如此令人印象深刻的差异的解释非常简单：如果记录模块做得更加微型，它产生的磁场强度将不足以磁化铁磁层的磁域，这意味着数据根本不会被存储。 在读取传感器的情况下，不会出现这个问题。 而且，其小型化使得可以进一步减少上述ITI对信息读取过程的影响。
这一事实构成了平铺磁记录（Shingled Magnetic Recording，SMR）的基础。 让我们了解一下它是如何工作的。 当使用传统的PMR时，写入头相对于每个先前磁道移动的距离等于其宽度+保护空间(guard space)的宽度。
当使用磁记录的平铺方法时，记录头仅向前移动其宽度的一部分，因此前一个磁道会被下一个磁道部分覆盖：磁道像屋顶瓦片一样相互重叠。 这种方法可以进一步提高记录密度，提供高达 10% 的容量增益，同时不影响读取过程。 一个例子是 — 全球首款采用 SATA/SAS 接口的 3.5 英寸 20 TB 硬盘，其诞生得益于新的磁记录技术。 因此，过渡到 SMR 磁盘可以让您以最低的成本升级同一机架中的数据存储密度，从而升级 IT 基础设施。
尽管有如此显着的优势，SMR 也有明显的劣势。 由于磁道相互重叠，在更新数据时，不仅需要重写所需的片段，还需要重写磁盘内所有后续磁道，其体积可以超过2TB，严重下降。在性能上。
将一定数量的轨道组合成称为区域的单独组有助于解决此问题。 虽然这种数据存储方法在一定程度上降低了 HDD 的整体容量（因为区域之间必须保持足够的间隙以防止相邻组覆盖磁道），但这可以显着加快数据更新过程，因为现在只有有限数量的磁道参与其中。
平铺磁记录涉及多种实施选项：
- 驱动器管理 SMR（驱动器管理 SMR）
其主要优点是不需要修改主机的软件和/或硬件，因为HDD控制器接管数据记录过程的控制。 此类驱动器可以连接到任何具有所需接口（SATA 或 SAS）的系统，之后驱动器将立即可供使用。
这种方法的缺点是性能可变，这使得 Drive Managed SMR 不适合系统性能一致性至关重要的企业应用程序。 然而，在后台数据碎片整理有足够时间完成的情况下，此类磁盘表现良好。 例如，DMSMR 驱动器 它针对小型 8 盘位 NAS 进行了优化，是需要长期备份存储的归档或备份系统的绝佳选择。
- 主机管理SMR（主机管理SMR）
主机管理 SMR 是最适合企业使用的磁贴实施。 在这种情况下，主机系统本身负责管理数据流和读/写操作，为此使用由 ATA 开发的 ATA（分区设备 ATA 命令集，ZAC）和 SCSI（分区块命令，ZBC）接口的扩展。 INCITS T10 和 T13 委员会。
使用HMSMR时，整个可用存储容量被分为两类Zone：Conventional Zones（常规区域），用于存储元数据和任意记录（实际上起到缓存的作用），以及Sequential Write Needs Zones （顺序写入区），占据硬盘总容量的很大一部分，数据严格按顺序记录在其中。 无序数据存储在缓存区域中，然后可以从缓存区域传输到相应的顺序写入区域。 因此，所有物理扇区均沿径向顺序写入，并且仅在环绕后才被覆盖，从而使您能够实现稳定且可预测的系统性能。 同时，HMSMR 驱动器支持随机读取命令，类似于使用标准 PMR 的驱动器。
在企业级硬盘中实施的主机管理 SMR .
该系列包括专为超大规模数据中心使用而设计的高容量 SATA 和 SAS 驱动器。 对主机管理 SMR 的支持显着扩展了此类硬盘的范围：除了备份系统之外，它们还非常适合云存储、CDN 或流媒体平台。 硬盘的高容量使您能够以最低的升级成本显着提高存储密度（在同一机架中），并且功耗低（每 TB 存储信息低于 0,29 瓦）和散热（平均比主机低 5°C）。类似物）——进一步降低维护数据中心的运营成本。
HMSMR 的唯一缺点是实现相对复杂。 问题是，如今没有一个操作系统或应用程序可以开箱即用地使用此类驱动器，这就是为什么需要对软件堆栈进行重大更改以适应 IT 基础设施。 首先，这当然涉及操作系统本身，在使用多核和多插槽服务器的现代数据中心的条件下，操作系统本身是一项相当重要的任务。 您可以了解有关在专门资源上实施主机管理 SMR 支持的选项的更多信息。 致力于区域数据存储问题。 此处收集的信息将帮助您初步评估 IT 基础设施是否准备好过渡到分区存储系统。
- Host Aware SMR（主机支持的SMR）
支持主机感知 SMR 的设备将 Drive Managed SMR 的便利性和灵活性与 Host Managed SMR 的快速记录速度结合在一起。 此类驱动器向后兼容传统存储系统，并且无需主机直接控制即可运行，但在这种情况下，与 DMSMR 驱动器一样，它们的性能变得不可预测。
与主机管理 SMR 一样，主机感知 SMR 使用两种类型的区域：用于随机写入的常规区域和顺序写入首选区域（顺序记录的首选区域）。 后者与前面提到的顺序写入所需区域相反，如果它们开始以无序方式写入数据，则自动转移到普通区域的类别。
SMR 的主机感知实现提供了从不一致写入中恢复的内部机制。 随机数据被写入缓存区域，在接收到所有必要的块后，磁盘可以将信息传输到顺序写入区域。 驱动器使用间接表来管理有序写入和后台碎片整理。 然而，如果企业应用程序需要可预测和优化的性能，则仍然只有当主机完全控制所有数据流和写入区域时才能实现。
来源： habr.com