Die erste Festplatte der Welt, die 1956 veröffentlichte IBM RAMAC 305, enthielt nur 5 MB Daten, wog 970 kg und war in der Größe mit einem Industriekühlschrank vergleichbar. Moderne Unternehmens-Flaggschiffe haben eine Kapazität von 20 TB. Stellen Sie sich vor: Vor 64 Jahren waren mehr als 4 Millionen RAMAC 305 erforderlich, um eine solche Informationsmenge aufzuzeichnen, und die Größe des für ihre Platzierung erforderlichen Rechenzentrums würde 9 Quadratkilometer überschreiten, während heute eine kleine Box ungefähr wiegt 700 Gramm! Ein Großteil dieser unglaublichen Erhöhung der Speicherdichte wurde durch Fortschritte bei den magnetischen Aufzeichnungstechniken erreicht.
Es ist kaum zu glauben, aber das Design von Festplatten hat sich seit fast 40 Jahren seit 1983 nicht grundlegend geändert: Damals erblickte die erste 3,5-Zoll-RO351-Festplatte, die von der schottischen Firma Rodime entwickelt wurde. Dieses Kleinkind erhielt zwei Magnetplatten mit jeweils 10 MB, dh es konnte doppelt so viele Daten speichern wie der aktualisierte 5,25-Zoll-ST-412, der im selben Jahr von Seagate für IBM 5160-PCs veröffentlicht wurde.
Rodime RO351 - die weltweit erste 3,5-Zoll-Festplatte
Trotz seiner Innovationskraft und kompakten Größe erwies sich der RO351 zum Zeitpunkt seiner Veröffentlichung als praktisch nutzlos, und alle weiteren Versuche von Rodime, auf dem Festplattenmarkt Fuß zu fassen, scheiterten, weshalb das Unternehmen 1991 war gezwungen, seine Aktivitäten einzustellen, fast alle verfügbaren Vermögenswerte verkauft und das Personal auf ein Minimum reduziert zu haben. Rodime war jedoch nicht dazu bestimmt, bankrott zu gehen: Bald wandten sich die größten Hersteller von Festplatten daran und wollten eine Lizenz zur Verwendung des von den Schotten patentierten Formfaktors erwerben. 3,5-Zoll ist derzeit der akzeptierte Standard für Festplatten für Endverbraucher und Unternehmen.
Mit dem Aufkommen neuronaler Netze, Deep Learning und dem Internet der Dinge (IoT) begann die von der Menschheit geschaffene Datenmenge wie eine Lawine zu wachsen. Laut der IDC-Analyseagentur wird die Informationsmenge, die sowohl von den Menschen selbst als auch von den Geräten um uns herum generiert wird, bis 2025 175 Zettabyte (1 ZB = 10 21 Byte) erreichen, obwohl dies 2019 45 ZB waren. im Jahr 2016 - 16 ZB und im Jahr 2006 betrug die Gesamtmenge der in der gesamten absehbaren Geschichte erzeugten Daten nicht mehr als 0,16 (!) ZB. Moderne Technologien helfen bei der Bewältigung der Informationsexplosion, unter denen fortschrittliche Methoden der Datenaufzeichnung nicht die letzten sind.
LMR, PMR, CMR und TDMR: Was ist der Unterschied?
Das Funktionsprinzip von Festplatten ist recht einfach. Dünne Metallplatten, die mit einer Schicht aus ferromagnetischem Material beschichtet sind (eine kristalline Substanz, die die Magnetisierung auch ohne externes Magnetfeld bei Temperaturen unter dem Curie-Punkt beibehalten kann), bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit (5400 U / min oder mehr) relativ zum Block der Schreibköpfe. Wenn ein elektrischer Strom an den Schreibkopf angelegt wird, entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das die Richtung des Magnetisierungsvektors der Domänen (diskrete Bereiche der Substanz) des Ferromagneten ändert. Das Lesen der Daten erfolgt entweder aufgrund des Phänomens der elektromagnetischen Induktion (die Bewegung von Domänen relativ zum Sensor verursacht in diesem einen elektrischen Wechselstrom).oder aufgrund des gigantischen magnetoresistiven Effekts (der elektrische Widerstand des Sensors ändert sich unter dem Einfluss eines Magnetfelds), wie er in modernen Speichervorrichtungen implementiert ist. Jede Domäne codiert ein Informationsbit und nimmt abhängig von der Richtung des Magnetisierungsvektors einen logischen Wert "0" oder "1" an.
Festplatten verwenden seit langem das Longitudinal Magnetic Recording (LMR) -Verfahren, bei dem der Domänenmagnetisierungsvektor in der Ebene der Magnetplatte liegt. Trotz der relativ einfachen Implementierung hatte diese Technologie einen erheblichen Nachteil: Um die Koerzitivkraft (den Übergang magnetischer Partikel in einen Einzeldomänenzustand) zu überwinden, musste zwischen den Spuren eine beeindruckende Pufferzone verbleiben (der sogenannte Schutzraum). Infolgedessen betrug die maximale Aufzeichnungsdichte, die am Ende dieser Technologie erreicht wurde, nur 150 Gbit / Zoll 2 .
Im Jahr 2010 wurde die LMR fast vollständig durch die PMR (Perpendicular Magnetic Recording - Perpendicular Magnetic Recording) ersetzt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Technologie und der magnetischen Längsaufzeichnung besteht darin, dass der Vektor der magnetischen Richtung jeder Domäne in einem Winkel von 90 ° zur Oberfläche der Magnetplatte angeordnet ist, wodurch der Spalt zwischen den Spuren erheblich verringert wird.
Aufgrund dessen wurde die Datenaufzeichnungsdichte signifikant erhöht (bis zu 1 Tbit / Zoll 2)in modernen Geräten), ohne die Geschwindigkeitseigenschaften und die Zuverlässigkeit von Festplatten zu beeinträchtigen. Derzeit dominiert die senkrechte magnetische Aufzeichnung auf dem Markt, weshalb sie häufig auch als CMR (Conventional Magnetic Recording) bezeichnet wird. Es versteht sich, dass es absolut keinen Unterschied zwischen PMR und CMR gibt - dies ist nur eine andere Version des Namens.
Während Sie die technischen Spezifikationen moderner Festplatten studieren, können Sie auch auf die mysteriöse Abkürzung TDMR stoßen. Diese Technologie wird insbesondere von Laufwerken der Western Digital Ultrastar 500-Serie der Enterprise-Klasse verwendet . Aus physikalischer Sicht unterscheidet sich TDMR (was für Two Dimensional Magnetic Recording steht) nicht von dem gewohnten PMR: Nach wie vor handelt es sich um disjunkte Spuren, deren Domänen senkrecht zur Ebene der Magnetplatten ausgerichtet sind. Der Unterschied zwischen den Technologien liegt im Ansatz zum Lesen von Informationen.
In dem mit der TDMR-Technologie erstellten Block von Magnetköpfen von Festplatten befinden sich zwei Auslesesensoren für jeden Aufzeichnungskopf, die gleichzeitig Daten von jeder übergebenen Spur lesen. Diese Redundanz ermöglicht es dem HDD-Controller, elektromagnetische Störungen, die durch Intertrack Interference (ITI) verursacht werden, effizient herauszufiltern.
Die Lösung des ITI-Problems bietet zwei äußerst wichtige Vorteile:
- Durch Verringern des Rauschverhältnisses können Sie die Aufzeichnungsdichte erhöhen, indem Sie den Abstand zwischen den Spuren verringern, wodurch sich die Gesamtkapazität gegenüber herkömmlichen PMR um bis zu 10% erhöht.
- RVS , TDMR , , .
SMR ?
Die Größe des Schreibkopfes beträgt ungefähr das 1,7-fache der Größe des Auslesesensors. Ein solch beeindruckender Unterschied kann ganz einfach erklärt werden: Wenn das Aufzeichnungsmodul noch kleiner gemacht wird, reicht die Stärke des Magnetfelds, das es erzeugen kann, nicht aus, um die Domänen der ferromagnetischen Schicht zu magnetisieren, was bedeutet, dass die Daten einfach nicht gespeichert werden. Bei einem Lesesensor tritt dieses Problem nicht auf. Darüber hinaus: Durch seine Miniaturisierung kann der Einfluss des oben genannten ITI auf den Informationslesevorgang weiter reduziert werden.
Diese Tatsache bildete die Grundlage für Shingled Magnetic Recording (SMR). Lassen Sie uns herausfinden, wie es funktioniert. Bei der herkömmlichen PMR ist der Kopf von jeder vorherigen Spur um einen Abstand versetzt, der seiner Breite + der Breite des Schutzraums entspricht.
Bei Verwendung der gekachelten magnetischen Aufzeichnungsmethode bewegt sich der Aufzeichnungskopf nur einen Teil seiner Breite vorwärts, sodass jede vorherige Spur teilweise von der nächsten überschrieben wird: Die magnetischen Spuren überlappen sich wie ein Dachziegel. Mit diesem Ansatz können Sie die Aufzeichnungsdichte weiter erhöhen und einen Kapazitätsgewinn von bis zu 10% erzielen, ohne den Lesevorgang zu beeinträchtigen. Ein Beispiel ist der Western Digital Ultrastar DC HC 650 , das weltweit erste 3,5-Zoll-20-TB-SATA / SAS-Laufwerk, das durch die neue Magnetaufzeichnungstechnologie ermöglicht wird. Durch den Übergang zu SMR-Laufwerken können Sie die Speicherdichte in denselben Racks bei minimalen Kosten für die Aktualisierung der IT-Infrastruktur erhöhen.
Trotz eines solch bedeutenden Vorteils hat der SMR auch einen offensichtlichen Nachteil. Da sich die Magnetspuren überlappen, müssen zum Aktualisieren der Daten nicht nur das erforderliche Fragment, sondern auch alle nachfolgenden Spuren innerhalb der Magnetplatte neu geschrieben werden, deren Volumen 2 Terabyte überschreiten kann, was mit einem erheblichen Leistungsabfall verbunden ist.
Das Kombinieren einer bestimmten Anzahl von Spuren in separaten Gruppen, die als Zonen bezeichnet werden, hilft, dieses Problem zu lösen. Obwohl dieser Ansatz zur Organisation der Datenspeicherung die gesamte Festplattenkapazität etwas verringert (da ausreichende Lücken zwischen den Zonen eingehalten werden müssen, um das Umschreiben von Spuren benachbarter Gruppen zu verhindern), kann er den Datenaktualisierungsprozess erheblich beschleunigen, da nur eine begrenzte Anzahl von Spuren daran beteiligt ist.
Die gekachelte magnetische Aufzeichnung schlägt mehrere Implementierungsoptionen vor:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Der Hauptvorteil besteht darin, dass die Software und / oder Hardware des Hosts nicht geändert werden muss, da die Steuerung des Datenaufzeichnungsverfahrens vom HDD-Controller übernommen wird. Solche Laufwerke können an jedes System angeschlossen werden, das über die erforderliche Schnittstelle (SATA oder SAS) verfügt. Danach ist das Laufwerk sofort einsatzbereit.
Der Nachteil dieses Ansatzes ist die Variabilität der Leistungsniveaus, die Drive Managed SMR für Unternehmensanwendungen ungeeignet macht, bei denen die Konsistenz der Systemleistung von entscheidender Bedeutung ist. Solche Datenträger funktionieren jedoch gut in Szenarien, in denen ausreichend Zeit für die Hintergrunddefragmentierung von Daten bleibt. Zum Beispiel WD Red DMSMR-LaufwerkeSie sind für die Verwendung in kleinen NAS-Systemen mit 8 Schächten optimiert und eignen sich hervorragend für Archivierungs- oder Sicherungssysteme, bei denen Sicherungen langfristig gespeichert werden müssen.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
Host Managed SMR ist die bevorzugte Implementierung für gekachelte Aufzeichnungen zur Verwendung in einer Unternehmensumgebung. In diesem Fall ist das Hostsystem selbst für die Verwaltung von Datenströmen und Lese- / Schreibvorgängen verantwortlich, wobei für diese Zwecke die von INCITS T10 und T13 entwickelten Schnittstellen ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) und SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) verwendet werden ...
Bei Verwendung von HMSMR wird der gesamte verfügbare Speicherplatz in zwei Arten von Zonen unterteilt: Konventionelle Zonen, die zum Speichern von Metadaten und zufälligen Schreibvorgängen verwendet werden (tatsächlich fungieren sie als Cache), und Zonen mit sequentiellem Schreibaufwand, die eine große Fläche belegen Teil der gesamten Festplattenkapazität, in der Daten streng nacheinander geschrieben werden. Die ungeordneten Daten werden in einem zwischengespeicherten Bereich gespeichert, von wo aus sie dann in den entsprechenden sequentiellen Schreibbereich übertragen werden können. Dadurch können alle physischen Sektoren nacheinander in radialer Richtung geschrieben und erst nach zyklischer Übertragung überschrieben werden, was eine stabile und vorhersagbare Systemleistung ermöglicht. Gleichzeitig unterstützen HMSMR-Festplatten zufällige Lesebefehle ähnlich wie Laufwerke.unter Verwendung von Standard-PMR.
Host Managed SMR ist auf Festplatten der Western Digital Ultrastar HC DC 600-Serie der Enterprise-Klasse implementiert .
Die Produktlinie umfasst SATA- und SAS-Laufwerke mit hoher Kapazität für den Einsatz in Hyperscale-Rechenzentren. Die Unterstützung von Host Managed SMR erweitert den Umfang solcher Laufwerke erheblich: Zusätzlich zu Backup-Systemen eignen sie sich perfekt für Cloud-Speicher, CDN oder Streaming-Plattformen. Die hohe Kapazität von Festplatten ermöglicht es Ihnen, die Speicherdichte (in denselben Racks) bei minimalen Upgrade-Kosten und geringem Stromverbrauch (nicht mehr als 0,29 Watt pro Terabyte gespeicherter Informationen) und Wärmeableitung (durchschnittlich 5 ° C niedriger als die von) zu erhöhen Analoga) - um die Betriebskosten für die Wartung des Rechenzentrums weiter zu senken.
Der einzige Nachteil von HMSMR ist die relative Komplexität der Implementierung. Die Sache ist, dass heutzutage kein Betriebssystem oder keine Anwendung in der Lage ist, mit solchen Laufwerken "out of the box" zu arbeiten, weshalb ernsthafte Änderungen im Software-Stack erforderlich sind, um die IT-Infrastruktur anzupassen. Dies betrifft natürlich zunächst das Betriebssystem selbst, was in modernen Rechenzentren, die Multi-Core- und Multi-Socket-Server verwenden, eine eher nicht triviale Aufgabe ist. Weitere Informationen zu Optionen für die Implementierung der Host Managed SMR- Unterstützung finden Sie unter ZonedStorage.io , einer dedizierten Speicherressource in Zonen. Mithilfe der hier gesammelten Informationen können Sie die Bereitschaft Ihrer IT-Infrastruktur für die Migration auf Zonenspeichersysteme vorab beurteilen.
- Host Aware SMR (Host Supported SMR)
Host Aware SMR-fähige Geräte kombinieren den Komfort und die Flexibilität von Drive Managed SMR mit der hohen Schreibgeschwindigkeit von Host Managed SMR. Diese Laufwerke sind abwärtskompatibel mit älteren Speichersystemen und können ohne direkte Hoststeuerung funktionieren. In diesem Fall ist ihre Leistung jedoch wie bei DMSMR-Laufwerken unvorhersehbar.
Wie Host Managed SMR verwendet Host Aware SMR zwei Arten von Zonen: Konventionelle Zonen für zufällige Schreibvorgänge und bevorzugte Zonen für sequentielles Schreiben. Letztere werden im Gegensatz zu den oben genannten Zonen für sequentielles Schreiben erforderlich automatisch in die Kategorie der normalen Zonen übertragen, falls in ihnen eine ungeordnete Datenaufzeichnung beginnt.
Eine hostunterstützte SMR-Implementierung bietet interne Mechanismen für die Wiederherstellung nach einem inkonsistenten Schreibvorgang. Die ungeordneten Daten werden in den zwischengespeicherten Bereich geschrieben, von wo aus die Platte Informationen in den sequentiellen Schreibbereich übertragen kann, nachdem alle erforderlichen Blöcke empfangen wurden. Die Festplatte verwendet eine Indirektionstabelle, um Schreibvorgänge außerhalb der Reihenfolge und die Defragmentierung im Hintergrund zu verwalten. Wenn Unternehmensanwendungen jedoch eine vorhersehbare und optimierte Leistung erfordern, kann dies nur erreicht werden, wenn der Host die vollständige Kontrolle über alle Datenströme und Schreibzonen übernimmt.