世界上第一塊硬碟 IBM RAMAC 305 於 1956 年發布，僅可容納 5 MB 數據，重 970 公斤，大小與工業冰箱相當。 現代企業旗艦機可擁有 20 TB 的容量。 試想：64年前，為了記錄如此大量的信息，需要超過4萬個RAMAC 305，容納它們所需的資料中心規模將超過9平方公里，而今天一個小盒子的重量將超過700萬個。約XNUMX克！ 在許多方面，儲存密度的驚人增長都是由於磁記錄方法的改進而實現的。
令人難以置信的是，從 40 年開始，硬碟的基本設計已經近 1983 年沒有改變：就在那時，蘇格蘭公司 Rodime 開發的第一款 3,5 吋硬碟 RO351 面世。 這個嬰兒有兩個磁碟，每個磁碟容量為 10 MB，這意味著它能夠容納的資料量是同年為 IBM 412 個人電腦發布的更新版 5,25 吋 ST-5160 Seagate 的兩倍。
Rodime RO351－全球首款3,5吋硬碟
儘管RO351 具有創新性和緊湊的尺寸，但在其發佈時，事實證明它對任何人來說幾乎毫無用處，並且Rodime 在硬碟市場上站穩腳跟的所有進一步嘗試都失敗了，這就是為什麼該公司在1991 年被迫停止其活動，出售幾乎所有現有資產並將人員減少到最低限度。 然而，Rodime 並沒有註定要破產：很快，最大的硬碟製造商開始與它聯繫，希望購買使用蘇格蘭人專利外形規格的許可證。 目前，3,5吋是消費級硬碟和企業級硬碟生產的普遍接受的標準。
隨著神經網路、深度學習和物聯網 (IoT) 的出現，人類創建的資料量開始呈指數級增長。 根據分析機構 IDC 的估計，到 2025 年，人們自身和我們周圍的設備產生的資訊量將達到 175 ZB（1 ZB = 1021 位元組），儘管 2019 年這一數據量已達到 45 ZB ，2016 年為16 Zbytes，而早在2006 年，整個可觀察歷史記錄中產生的資料總量不超過0,16（！）Zbytes。 現代科技正在幫助應對資訊爆炸，其中最重要的是改進數據記錄方法。
LMR、PMR、CMR 和 TDMR：有什麼區別？
硬碟機的工作原理非常簡單。 塗有一層鐵磁性材料（一種結晶物質，即使在低於居里點的溫度下不暴露於外部磁場時也能保持磁化的晶體物質）的薄金屬板相對於寫入頭單元高速移動（每分鐘5400 轉或更多的）。 當電流施加到寫入頭部時，會產生交變磁場，從而改變鐵磁體磁域（物質的離散區域）的磁化向量的方向。 資料讀取的發生要麼是由於電磁感應現象（磁域相對於感測器的移動導致感測器中出現交流電流），要麼是由於巨磁阻效應（在磁場的影響下，電流感測器的電阻發生變化），正如現代驅動器中所實現的那樣。 每個域編碼一位訊息，根據磁化向量的方向取邏輯值「0」或「1」。
長期以來，硬碟驅動器採用縱向磁力記錄（LMR）方法，其中磁疇磁化向量位於磁板平面內。 儘管實現相對簡單，但該技術有一個顯著的缺點：為了克服矯頑力（磁性粒子轉變為單疇狀態），必須在粒子之間留出令人印象深刻的緩衝區（所謂的保護空間） 。軌道。 結果，該技術最終實現的最大記錄密度僅為150 Gbit/inch2。
2010年，LMR幾乎完全被PMR（垂直磁記錄）取代。 此技術與縱向磁記錄的主要差異在於，每個磁域的磁方向向量與磁板表面呈90°角，從而顯著減少了磁軌之間的間隙。
因此，資料記錄密度顯著增加（現代設備高達 1 Tbit/in2），而無需犧牲硬碟的速度特性和可靠性。 目前，垂直磁記錄在市場上佔據主導地位，這就是為什麼它也常被稱為CMR（傳統磁性記錄）。 同時，您需要了解 PMR 和 CMR 之間絕對沒有區別 - 只是名稱的不同版本。
在研究現代硬碟的技術特性時，您可能還會遇到神秘的縮寫TDMR。 特別是，該技術被企業級驅動器使用 。 從物理學的角度來看，TDMR（二維磁記錄）與通常的 PMR 沒有什麼不同：和以前一樣，我們處理的是不相交的磁道，其磁域的方向垂直於磁平面。盤子。 技術之間的差異在於讀取資訊的方法。
在使用 TDMR 技術建立的硬碟磁頭區塊中，每個寫入磁頭都有兩個讀取感測器，可同時從通過的每個磁軌讀取資料。 這種冗餘使得 HDD 控制器能夠有效過濾軌道間幹擾 (ITI) 引起的電磁雜訊。
解決 ITI 問題有兩個極為重要的好處：
- 降低雜訊係數可讓您透過減少磁軌之間的距離來提高記錄密度，與傳統 PMR 相比，總容量可提高高達 10%；
- TDMR 與 RVS 技術和三位微致動器相結合，可有效抵抗硬碟所造成的旋轉振動，即使在最具挑戰性的操作條件下也有助於實現一致的效能水準。
什麼是SMR？它和什麼一起吃？
寫入頭的尺寸大約是讀取感測器尺寸的1,7倍。 如此令人印象深刻的差異可以很簡單地解釋：如果記錄模組做得更微型，它產生的磁場強度將不足以磁化鐵磁層的磁域，這意味著資料將簡單地消失。不被儲存。 在讀取感測器的情況下，不會出現這個問題。 而且：其小型化使得可以進一步減少上述ITI對資訊讀取過程的影響。
這一事實構成了疊瓦磁記錄（SMR）的基礎。 讓我們弄清楚它是如何工作的。 當使用傳統的PMR時，寫入磁頭相對於每個先前磁軌移動的距離等於其寬度+保護空間的寬度。
當使用平鋪磁記錄方法時，寫入頭僅向前移動其寬度的一部分，因此每個前一個磁軌都會被下一個磁軌部分覆蓋：磁軌像屋頂瓦片一樣相互重疊。 這種方法可讓您進一步增加記錄密度，提供高達 10% 的容量增益，而不會影響讀取過程。 一個例子是 - 全球首款配備 SATA/SAS 介面的 3.5 吋 20 TB 硬碟，其誕生得益於新的磁力記錄技術。 因此，過渡到 SMR 磁碟可以讓您以最低的 IT 基礎設施升級成本提高同一機架中的資料儲存密度。
儘管有如此顯著的優勢，SMR 也有一個明顯的缺點。 由於磁軌相互重疊，更新資料不僅需要重寫所需的片段，還需要重寫磁碟中的所有後續磁軌，其容量可能超過2 TB，這可能會導致效能嚴重下降。
這個問題可以透過將一定數量的軌道組合到稱為區域的單獨群組中來解決。 雖然這種組織資料儲存的方法在一定程度上降低了HDD 的整體容量（因為需要在區域之間保持足夠的間隙以防止相鄰組的磁軌被覆蓋），但它可以顯著加快更新資料的過程，因為現在其中只涉及有限數量的曲目。
平鋪磁記錄涉及多種實作選項：
- 驅動器管理型 SMR
其主要優點是無需修改主機軟體和/或硬件，因為 HDD 控制器控制資料記錄過程。 此類磁碟機可以連接到任何具有所需介面（SATA 或 SAS）的系統，之後磁碟機將立即可供使用。
這種方法的缺點是性能水平各不相同，使得 Drive Managed SMR 不適合對一致的系統性能至關重要的企業應用程式。 然而，在允許有足夠時間進行後台資料碎片整理的情況下，此類磁碟機表現良好。 例如，DMSMR 驅動器 經最佳化可用作小型 8 盤位 NAS 的一部分，對於需要長期儲存備份的歸檔或備份系統來說將是絕佳選擇。
- 主機管理SMR
主機管理 SMR 是在企業環境中使用的首選平鋪記錄實施。 在這種情況下，主機系統本身負責管理資料流和讀取/寫入操作，為此使用 INCITS 開發的 ATA（分區設備 ATA 命令集，ZAC）和 SCSI（分區塊命令，ZBC）介面擴展T10 和T13 委員會。
使用HMSMR時，驅動器的整個可用儲存容量被分為兩種類型的區域：常規區域，用於儲存元資料和隨機記錄（本質上起到緩存的作用），以及順序寫入所需區域，它們佔用硬碟機總容量的很大一部分，其中資料嚴格按順序寫入。 無序資料儲存在快取區域中，然後可以從快取區域傳輸到適當的順序寫入區域。 這確保了所有實體磁區都沿著徑向順序寫入，並且僅在循環傳輸後才重寫，從而實現穩定且可預測的系統性能。 同時，HMSMR 驅動器以與使用標準 PMR 的驅動器相同的方式支援隨機讀取命令。
主機管理SMR在企業級硬碟中實施 .
該系列包括專為超大規模資料中心使用而設計的高容量 SATA 和 SAS 硬碟。 主機管理SMR的支援顯著擴展了此類硬碟的應用範圍：除了備份系統之外，它們還非常適合雲端儲存、CDN或串流平台。 硬碟的高容量使您能夠以最低的升級成本顯著提高儲存密度（在同一機架中），且功耗低（每 TB 儲存資訊不超過 0,29 瓦）和散熱（平均降低 5°C）比同類產品） - 進一步降低資料中心維護的營運成本。
HMSMR 的唯一缺點是實現相對複雜。 問題是，如今沒有任何作業系統或應用程式可以開箱即用地使用此類驅動器，這就是為什麼需要對軟體堆疊進行重大更改才能適應 IT 基礎設施。 首先，這當然涉及作業系統本身，在使用多核心和多插槽伺服器的現代資料中心的條件下，作業系統本身是一項相當重要的任務。 您可以了解有關在專門資源上實施主機管理 SMR 支援的選項的更多信息 ，致力於區域資料儲存問題。 此處收集的資訊將幫助您初步評估 IT 基礎架構是否準備好轉移到區域儲存系統。
- 主機感知SMR（主機感知SMR）
支援主機感知 SMR 的裝置將驅動器管理 SMR 的便利性和靈活性與主機管理 SMR 的高寫入速度結合在一起。 這些驅動器向後相容於傳統儲存系統，並且無需主機直接控制即可運行，但在這種情況下，與 DMSMR 驅動器一樣，它們的性能變得不可預測。
與主機管理 SMR 一樣，主機感知 SMR 使用兩種類型的區域：用於隨機寫入的常規區域和順序寫入首選區域。 後者與上面提到的順序寫入所需區域相反，如果它們開始無序記錄數據，則它們會自動降級為常規區域的類別。
SMR 的主機感知實作提供了從不一致寫入中恢復的內部機制。 無序資料被寫入快取區域，在接收到所有必要的區塊後，磁碟可以將資訊從快取區域傳輸到順序寫入區域。 磁碟使用間接表來管理亂序寫入和後台碎片整理。 然而，如果企業應用程式需要可預測和最佳化的效能，則仍然只有主機完全控制所有資料流和記錄區域才能實現。
來源： www.habr.com