Spoločnosť Seagate Technology začala dodávať pevné disky so šindľovým magnetickým záznamom (SMR) približne pred dvoma rokmi. Počas tohto obdobia spoločnosť predala približne štyri milióny vhodných diskov, čo je sotva jedno percento všetkých pevných diskov spoločnosti dodaných v tomto období. Napriek tomu sa Seagate k týmto zariadeniam stavia pozitívne a do SMR vkladá veľké nádeje.
Kachľová technológia magnetického záznamu zvyšuje hustotu záznamu na platniach o cca 25% v dôsledku čiastočného prekrývania stôp medzi sebou. Prekrývajúce sa stopy spomaľujú proces nahrávania, pretože počas nahrávania jednej stopy musíte prepísať obsah stôp nachádzajúcich sa v blízkosti (presnejšie v rovnakej skupine stôp nazývanej pásmo). Na kompenzáciu nízkej rýchlosti zápisu pevných diskov SMR musia výrobcovia jednotiek vytvoriť špeciálny firmvér, ktorý optimalizuje operácie sekvenčného zápisu. Prípadne operačný systém a/alebo aplikácie, ktoré používajú pevné disky, musia pochopiť, že majú do činenia s pevným diskom SMR a vykonávať operácie sekvenčného zápisu iba na určité oblasti pevných diskov.
Tak či onak, HDD využívajúce technológiu dlaždicového zápisu sú pomalšie ako HDD využívajúce technológiu kolmého zápisu. Keďže najväčšie pevné disky primárne vyžadujú dátové centrá, takéto obmedzenia výkonu sú celkom prijateľné. Dátové centrá, ktoré začínajú používať pevné disky SMR na zvýšenie úložiska dát, sú však nútené zdokonaľovať vlastný softvér, čo spomaľuje šírenie takýchto HDD.
Aj keď používanie pevných diskov s platňami SMR má množstvo funkcií, kým sa na trh nedostanú pevné disky založené na technológiách TDMR (technológia dvojrozmerného záznamu) a HAMR (technológia tepelného magnetického záznamu), budú sa vyvíjať pevné disky založené na platniach SMR. Seagate sa už naučil skrývať nedostatky technológie dlaždicového zápisu pre aplikácie dátových centier.
„Dodali sme asi štyri milióny dlaždicových pevných diskov,“ Dave Mosley, výkonný viceprezident pre prevádzku a technológiu spoločnosti Seagate, povedal počas stretnutia s investormi a finančnými analytikmi. „Vnímame to ako veľmi úspešný úspech, pretože sme sa veľa naučili o aplikáciách našich zákazníkov. Sme pripravení skryť nedostatky technológie dlaždicového nahrávania pomocou viacúrovňových systémov na ukladanie údajov, vyrovnávacích systémov atď.[aby naši klienti] nemuseli robiť veľké zmeny vo svojich programoch.“
Seagate spolupracuje so svojimi zákazníkmi, ktorí chcú prispôsobiť aplikácie pre dlaždicové pevné disky, no spoločnosť neustále pracuje aj na vlastnom firmvéri, ktorý dokáže skryť funkcie SMR v prípadoch, keď sú zmeny aplikácií náročné alebo nemožné.
„Sme veľmi spokojní s pokrokom, ktorý sme dosiahli [s diskami SMR], dodávame dlaždicové pevné disky pre rôzne platformy a sme pripravení rozšíriť ich výrobu v roku 2016,“ Povedal pán Mosley.
Okrem pevných diskov na archiváciu dát (séria Seagate Archive) už Seagate používa dlaždicové platne vo vnútri klientskych externých a mobilných diskov (predávané pod značkami Samsung a Seagate) a plánuje použiť SMR pre ďalšie pevné disky. Keďže klientske operačné systémy a aplikácie sa nezmenia cez noc, spoločnosť bude musieť vyvinúť špeciálnu architektúru pevných diskov pre osobné počítače, ktorá bude brať do úvahy zvláštnosti dlaždicovej technológie a vyrovnať nízku rýchlosť zápisu systémov ukladania do vyrovnávacej pamäte a rozloženia údajov na magnetických zariadeniach. taniere.
V súčasnosti rast údajov na osobu exponenciálne rastie a spoločnosti ponúkajúce riešenia na ukladanie týchto údajov sa snažia urobiť všetko pre to, aby zvýšili dostupnú kapacitu svojich zariadení. Technológia magnetického záznamu Seagate Shingled Magnetic Recording (SMR) dlaždice zlepšuje hustotu záznamu a zvyšuje kapacitu disku o 25 %. Je to možné zvýšením počtu stôp na každej platni a zmenšením vzdialenosti medzi nimi. Skladby sú umiestnené na sebe (ako dlaždice na streche), čo vám umožňuje zaznamenať viac údajov bez zväčšenia plochy dosky. Keď sa zapisujú nové dáta, stopy sa prekrývajú alebo sú „skrátené“. Vďaka tomu, že čítací prvok na hlave disku je menší ako zapisovací prvok, dokáže čítať dáta aj zo skrátenej stopy bez narušenia ich integrity a spoľahlivosti.
S technológiou SMR je však spojený nasledujúci problém: na prepísanie alebo aktualizáciu informácií je potrebné prepísať nielen požadovaný fragment, ale aj údaje na posledných stopách. Keďže je rekordér širší, zachytáva údaje o susedných stopách, takže je potrebné prepísať aj tie. Pri zmene údajov na spodnej stope je teda potrebné opraviť údaje na najbližšej prekryvnej stope, potom na ďalšej a tak ďalej, až kým sa neprepíše celá platňa.
Z tohto dôvodu sú skladby na disku SMR zoskupené do malých skupín nazývaných pásky. Navzájom sa prekrývajú iba skladby na tej istej páske. Vďaka tomuto zoskupeniu sa v prípade aktualizácie niektorých údajov nebude musieť prepisovať celá platňa, ale iba obmedzený počet skladieb, čo značne zjednodušuje a urýchľuje proces. Pre každý typ disku je vyvinutá jeho vlastná pásková architektúra s prihliadnutím na rozsah jeho použitia. Každý produktový rad Seagate je navrhnutý pre špecifickú aplikáciu a prostredie a technológia SMR poskytuje najlepšie výsledky pri správnom používaní.
Seagate SMR je technológia na uspokojenie neustále sa zvyšujúceho dopytu po dodatočnej kapacite. Dnes sa aktívne zdokonaľuje a v kombinácii s ďalšími inovatívnymi metódami sa dá použiť na zvýšenie hustoty záznamu na pevných diskoch novej generácie.
Najprv je však potrebné pochopiť niektoré nuansy jeho aplikácie.
Existujú tri typy zariadení, ktoré podporujú dlaždicové nahrávanie:
Autonómne (riadené diskom)
Práca s týmito zariadeniami si nevyžaduje žiadne zmeny v hostiteľskom softvéri. Celá logika zápisu/čítania je organizovaná samotným zariadením. Znamená to, že ich môžeme len nainštalovať a relaxovať? nie
Jednotky, ktoré implementujú technológiu zápisu Drive Managed, majú zvyčajne veľké množstvo vyrovnávacej pamäte na spätný zápis (od 128 MB na disk). V tomto prípade sa sekvenčné požiadavky spracovávajú v režime zapisovania. Hlavné ťažkosti, ktorým čelia vývojári zariadení a úložných systémov založených na tejto technológii nahrávania, sú nasledovné:
1. Veľkosť vyrovnávacej pamäte je obmedzená a keď sa zaplní, môžeme dosiahnuť nepredvídateľný výkon zariadenia.
2. Pri intenzívnom vyprázdnení vyrovnávacej pamäte sa niekedy vyskytujú významné úrovne latencie.
3. Určenie sekvencií nie je vždy triviálna úloha a v zložitých prípadoch môžeme očakávať degradáciu výkonu.
Hlavnou výhodou tohto prístupu je úplná spätná kompatibilita zariadení s existujúcimi operačnými systémami a aplikáciami. Ak dobre rozumiete svojej úlohe, môžete si teraz kúpiť zariadenia spravované Diskom a využívať výhody tejto technológie. Ďalej v článku uvidíte výsledky testovania takýchto zariadení a budete sa môcť rozhodnúť, ako vám vyhovujú.
Spravované hostiteľom
Tieto zariadenia používajú na interakciu s diskami sadu rozšírení ATA a SCSI. Ide o iný typ zariadenia (14h), ktorý si vyžaduje zásadné zmeny na celom Storage Stack a je nekompatibilný s klasickými technológiami, čiže bez špeciálneho prispôsobenia aplikácií a operačných systémov tieto disky nebudete môcť používať. Hostiteľ musí zapisovať do zariadení striktne sekvenčne. Výkon zariadenia je zároveň 100% predvídateľný. Na to, aby bol výkon úložného subsystému skutočne predvídateľný, je však potrebná správna prevádzka softvéru vyššej úrovne.
Hostiteľ si uvedomuje
Ide o hybridné riešenia, ktoré spájajú výhody technológií Device Managed a Host Managed. Kúpou takýchto diskov získame podporu spätnej kompatibility s možnosťou využiť špeciálne rozšírenia ATA a SCSI pre optimálnu prácu so zariadeniami SMR. To znamená, že môžeme jednoducho zapisovať do zariadení, ako sme to robili predtým, a robiť to najoptimálnejším spôsobom.
S cieľom zabezpečiť prácu so zariadeniami Host Managed a Host Aware sa vyvíja niekoľko nových štandardov: ZBC a ZAC, ktoré sú zahrnuté v T10 / T13. ZBC je rozšírením SCSI a je ratifikovaný T10. Normy sa vyvíjajú pre disky SMR, ale v budúcnosti sa môžu použiť aj na iné zariadenia.
ZBC/ZAC definujú model logického zariadenia, kde hlavným prvkom je zóna, ktorá je mapovaná ako rozsah LBA.
Normy definujú tri typy logických zón, do ktorých sú zariadenia rozdelené:
1. Konvenčná zóna – zóna, s ktorou môžeme pracovať tradičným spôsobom ako s bežnými pevnými diskami. To znamená, že môžeme písať postupne a náhodne.
2. Dva typy zóny ukazovateľa zápisu:
2.1. Uprednostňuje sa sekvenčný zápis – typ hlavnej zóny pre zariadenia Host Aware, uprednostňuje sa sekvenčný zápis. Náhodné zápisy do zariadení sa spracúvajú ako zariadenia spravované zariadeniami a môžu spôsobiť zníženie výkonu.
2.2. Iba sekvenčný zápis – typ hlavnej zóny pre zariadenia s riadením hostiteľa, možný je len sekvenčný zápis. Náhodné zápisy nie sú povolené a pokusy o to vrátia chybu.
Každá zóna má svoj vlastný ukazovateľ zápisu a svoj vlastný stav. Pre všetky zariadenia, ktoré podporujú typ zápisu HM, sa prvý LBA nasledujúceho príkazu zápisu musí zhodovať s pozíciou ukazovateľa zápisu. Pre zariadenia HA je ukazovateľ zápisu informačný a slúži na optimalizáciu manipulácie s diskom.
Okrem novej logickej štruktúry sa v štandardoch objavujú aj nové príkazy:
REPORT_ZONES je hlavná metóda, pomocou ktorej môžete získať informácie o existujúcich zónach na zariadení a ich stave. Ako odpoveď na tento príkaz disk hlási existujúce zóny, ich typy (konvenčné, sekvenčný zápis povinný, sekvenčný zápis preferovaný), stav zóny, veľkosť a informácie o umiestnení ukazovateľa zápisu.
RESET_WRITE_POINTER je nástupcom príkazu TRIM pre zariadenia ZBC. Keď sa zavolá, zóna sa vymaže a ukazovateľ zápisu sa presunie na začiatok zóny.
Na správu stavu zóny sa používajú tri voliteľné príkazy:
OPEN_ZONE
CLOSE_ZONE
FINISH_ZONE
Na stránky VPD boli pridané nové informácie, vrátane maximálneho počtu otvorených zón pre lepší výkon a maximálneho počtu zón dostupných pre náhodné zápisy s lepším výkonom.
Výrobcovia úložných zariadení sa musia postarať o podporu zariadení HA / HM vykonaním zmien na všetkých úrovniach zásobníka: knižnice, plánovače, jadro RAID, logické zväzky, súborové systémy.
Okrem toho musíte pre aplikácie poskytnúť dva typy rozhraní, aby fungovali: tradičné rozhranie, organizujúce pole ako zariadenie riadené zariadením a implementáciu virtuálneho zväzku ako zariadenie HOST AWARE. Je to nevyhnutné, pretože sa očakáva, že aplikácie budú pracovať priamo so zariadeniami HM/HA.
Vo všeobecnosti je algoritmus pre prácu s HA zariadeniami nasledujúci:
1. Definujte konfiguráciu zariadenia pomocou REPORT_ZONES
2. Definujte oblasti pre náhodné nahrávanie
2.1. Množstvo je obmedzené možnosťami zariadenia
2.2. V týchto zónach nie je potrebné sledovať polohu ukazovateľa zápisu
3. Použite zvyšok zón na sekvenčné písanie a používanie informácií o polohe ukazovateľa zápisu a robte iba sekvenčné písanie
4. Ovládajte počet otvorených zón
5. Na pridelenie fondu zóny použite zber odpadu
Niektoré techniky zápisu je možné použiť z dostupných celoflashových úložných systémov, pre ktoré boli vyriešené problémy s prostatickým sekvenčným zápisom a zberom odpadu.
RAIDIX testoval disky Seagate SMR vo svojom laboratóriu a poskytuje niekoľko odporúčaní na ich použitie. Tieto disky sa líšia tým, že sú spravované zariadením a nevyžadujú žiadne veľké zmeny v aplikácii.
Počas testovania bol urobený pokus otestovať výkonové očakávania takýchto diskov a pochopiť, na čo ich môžeme použiť.
Testy zahŕňali dva pevné disky Seagate Archive s kapacitou 8000 GB.
Testovanie bolo vykonané na operačnom systéme Debian verzie 8.1
CPU Intel i7 c 2,67 MHz
16 GB RAM
Disky majú rozhranie SATA 3, radič sme prepli do režimu AHCI.
Na začiatok poskytujeme informácie o zariadeniach spustením dopytu.
Na tento účel sme použili sadu nástrojov sg3-utils.
sg_inq /dev/sdb
štandardný dopyt:
PQual=0 Device_type=0 RMB=0 verzia=0x05
NormACA=0 HiSUP=0 Resp_data_format=2
SCCS=0 ACC=0 TPGS=0 3PC=0 Ochrana=0 BQue=0
EncServ=0 MultiP=0 Addr16=0
WBus16=0 Sync=0 Prepojené=0 CmdQue=0
dĺžka=96 (0x60) Typ periférneho zariadenia: disk
Identifikácia predajcu: ATA
Identifikácia produktu: ST8000AS0002-1NA
Úroveň revízie produktu: AR13
Sériové číslo jednotky: Z84011LQ
Na strane 83 je VPD.
sg_inq /dev/sdb -p 0x83
VPD DOTAZ: Stránka Identifikácia zariadenia
Číslo deskriptora označenia 1, dĺžka deskriptora: 24
designator_type: vendor specific , code_set: ASCII
špecifický pre dodávateľa: Z84011LQ
Číslo deskriptora označenia 2, dĺžka deskriptora: 72
typ_označenia: identifikácia dodávateľa T10, sada_kódov: ASCII
spojené s adresovanou logickou jednotkou
ID predajcu: ATA
špecifický pre dodávateľa: ST8000AS0002-1NA17Z Z84011LQ
Nič zvláštne sme nevideli. Pokusy o prečítanie informácií o zónach zlyhali.
RAIDIX vyrába softvér pre úložné systémy pracujúce v rôznych odvetviach a my sme sa snažili nepoužívať špecializované alebo platené benchmarky.
Začneme kontrolou streamovacieho výkonu diskov na interných a externých stopách. Výsledky testov poskytnú maximálny očakávaný výkon zariadenia a sú predovšetkým v súlade s úlohami, ako je archivácia údajov.
Nastavenia blokového subsystému sme sa nedotkli. Testovanie vykonávame zápisom dát na disky v blokoch po 1 MB. Na tento účel používame benchmark fio v.2.1.11.
Úlohy sa od seba líšia iba posunutím od začiatku zariadenia a spúšťajú sa jedna za druhou. libaio je vybraná ako I/O knižnica.
Výsledky vyzerajú dobre:
Výkon na externých a interných tratiach sa líši takmer 2 krát.
Vidíme prerušované poklesy výkonu. Nie sú kritické pre archiváciu, ale môžu byť problémom pri iných úlohách. Pri správnom fungovaní cache spätného zápisu úložného systému predpokladáme, že takúto situáciu nezaznamenáme. Mali sme podobnú skúsenosť, vytvorili sme pole RAID 0 oboch diskov, každému disku sme pridelili 2 GB vyrovnávacej pamäte RAM a nezaznamenali sme žiadne poklesy výkonu.
Pri čítaní poruchy nie sú viditeľné. A následné testy ukážu, že výkon SMR diskov sa vo výkone nijako nelíši od bežných.
Teraz vykonáme zaujímavejšie testy. Spustíme súčasne 10 vlákien s rôznymi posunmi. Robíme to preto, aby sme skontrolovali správnosť vyrovnávacej pamäte a videli, ako budú disky fungovať pri CCTV, Video Ingest a podobných úlohách.
Grafy zobrazujú celkovú produktivitu pre všetky úlohy:
Disk zvládol záťaž dobre!
Výkon zostáva na 90 MB/s, rovnomerne rozložený medzi vláknami a nedochádza k žiadnym veľkým poklesom. Plán čítania je úplne podobný, iba sa zvýšil o 20 MB. Na ukladanie a distribúciu video obsahu, výmenu veľkých súborov je výkon vhodný a prakticky sa nelíši od výkonu bežných diskov.
Disky si podľa očakávania viedli dobre pri streamovaní čítania a zápisu a multithreading bol pre nás príjemným prekvapením.
Prejdime k „náhodnému“ čítaniu a písaniu. Pozrime sa, ako sa disky správajú pri klasických podnikových úlohách: ukladanie DBMS súborov, virtualizácia atď. Do „náhodných“ operácií navyše spadá častá práca s metadátami a napríklad povolená deduplikácia na poli.
Testujeme v blokoch po 16 kilobajtoch a stále sú správne fio.
V teste sme nastavili niekoľko úloh s rôznou hĺbkou frontu, ale nepodáme úplné výsledky. Orientačný je len začiatok testu.
Prvých 70,5 sekundy vidíme nereálnych 2500 IOps pre pevný disk. To spôsobuje časté poruchy. Zdá sa, že v tomto okamihu je vyrovnávacia pamäť zapísaná a pravidelne resetovaná. Potom nastáva prudký pokles na 3 IOps, ktorý trvá až do konca testu.
Ak počkáte niekoľko minút, po vynulovaní vyrovnávacej pamäte sa situácia zopakuje.
Dá sa očakávať, že pri malom počte náhodných operácií sa bude disk správať dobre. Ak ale očakávame intenzívne zaťaženie zariadenia, je lepšie sa zdržať používania diskov SMR. RAIDIX odporúča presunúť všetku prácu s metaúdajmi na externé zariadenia vždy, keď je to možné.
A čo náhodné čítanie?
V tomto teste sme obmedzili čas odozvy na 50 ms. Naše zariadenia fungujú dobre.
Čítanie je v rozsahu 144-165 IOPs. Samotné čísla nie sú zlé, ale rozptyl 20 IOP je trochu strašidelný. Zamerajte sa na spodný riadok. Výsledok nie je zlý, na úrovni klasických diskov.
Zmeňme trochu náš prístup. Pozrime sa ešte raz na prácu s veľkým množstvom súborov.
Pomôže nám v tom utilita frametest od SGI. Tento benchmark je navrhnutý na testovanie výkonu vášho úložného systému pri úprave nekomprimovaného videa. Každý rám je samostatný súbor.
Vytvorili sme súborový systém xfs a pripojili sme ho s nasledujúcimi možnosťami:
-o noatime,nodiratime,logbufs=8,logbsize=256k,largeio,inode64,swalloc,allocsize=131072k,nobarrier
Spustite frametest s nasledujúcimi parametrami:
./frametest -w hd -n 2000 /test1/
Benchmark vytvorí 2 000 8 MB súborov.
Začiatok testu ide dobre:
Priemerné detaily:
Posledná 1 s: 0,028 ms 79,40 ms 79,43 ms 100,37 MB/s 12,6 fps
5 s: 0,156 ms 83,37 ms 83,53 ms 95,44 MB/s 12,0 snímok za sekundu
Ale po zaznamenaní 1500 snímok sa situácia výrazne zhorší:
Priemerné detaily:
Open I/O Frame Data Rate Frame Rate
Posledná 1 s: 0,035 ms 121,88 ms 121,92 ms 65,39 MB/s 8,2 sn./s
5 s: 0,036 ms 120,78 ms 120,83 ms 65,98 MB/s 8,3 sn./s
Priemerné detaily:
Open I/O Frame Data Rate Frame Rate
Posledná 1 s: 0,036 ms 438,90 ms 438,94 ms 18,16 MB/s 2,3 snímky za sekundu
5 s: 0,035 ms 393,50 ms 393,55 ms 20,26 MB/s 2,5 sn./s
Urobme test čítania:
./frametest -r hd -n 2000 /test1/
Počas celého testu je výkon vynikajúci:
Priemerné detaily:
Posledná 1 s: 0,004 ms 41,09 ms 41,10 ms 193,98 MB/s 24,3 snímok za sekundu
5 s: 0,004 ms 41,09 ms 41,10 ms 193,98 MB/s 24,3 obr./s
V súčasnosti sa pracuje na špecializovaných súborových systémoch pre SMR disky.
Seagate vyvíja SMR_FS-EXT4 na báze ext4. Je možné nájsť niekoľko súborových systémov so štruktúrou protokolov navrhnutých špeciálne pre jednotky SMR riadené zariadením, ale žiadny z nich nemožno nazvať vyspelým produktom odporúčaným na implementáciu. Seagate tiež vyvíja Host Aware verziu disku SMR, ktorá by mala byť dokončená do konca roka.
Aké závery môžeme vyvodiť z výsledkov meraní výkonnosti?
Zariadenia spravované zariadením možno bezpečne používať na úlohy, ktoré sa nelíšia intenzívnym nahrávaním. Veľmi dobre zvládajú úlohy jednovláknového a viacvláknového nahrávania. Sú skvelé na čítanie údajov. Pravidelné „náhodné“ požiadavky na disk o aktualizácie metadát sú spotrebované veľkou vyrovnávacou pamäťou.
Na riešenie problémov charakterizovaných intenzívnym „náhodným“ nahrávaním alebo aktualizáciou veľkého množstva súborov nie sú takéto zariadenia príliš vhodné, aspoň bez použitia dodatočných technických prostriedkov.
Parameter MTBF testovaných diskov je 800 000 hodín, čo je 1,5-krát menej ako napríklad u NAS diskov. Veľký objem diskov výrazne predlžuje čas obnovy a takmer znemožňuje pravidelné skenovanie médií. Odporúčame, aby ste sa pri navrhovaní úložiska s takýmito diskami spoliehali na RAID s paritou väčšou ako 2 a/alebo na prístupy, ktoré skracujú čas prestavby (napríklad deklastrovanie parity).
Technológia Shingled Magnetic Recording (SMR) vyvinutá špecialistami Seagate čoskoro umožní zvýšiť hustotu dát na platniach pevných diskov o 25 % vďaka zásadne novému usporiadaniu skladieb. V budúcom roku bude spustená hromadná výroba 3,5-palcových pevných diskov s kapacitou 5 TB a do roku 2020 dosiahne maximálny objem takýchto diskov 20 TB.
informačná explózia
Podľa odborníkov svetová populácia, ktorá predstavuje približne 7 miliárd ľudí, v súčasnosti generuje celkovo 2,7 zettabajtu dát ročne. A nemusíte byť odborníkom na informačné technológie, aby ste pochopili, že toto číslo sa bude každým ďalším rokom len zvyšovať. Jedným z faktorov, ktoré k tomu prispievajú, je zvýšenie šírky pásma kanálov používaných na pripojenie k internetu prostredníctvom pevných liniek, ako aj verejných bezdrôtových prístupových oblastí a mobilných sietí. Z roka na rok narastá množstvo dát (a predovšetkým mediálnych súborov), ktoré sa nahrávajú na cloudové úložiská, ako aj na pevné disky domácich počítačov a NAS disky. A to je celkom prirodzené. Po prvé, zvyšuje sa rozlíšenie domácich kamier a videokamier a následne objem uložených obrázkov a videozáznamov s rovnakým počtom záberov a načasovaním videa. Po druhé, v dôsledku zvýšenia šírky pásma internetových prístupových kanálov je možné streamovať mediálny obsah oveľa vyššej kvality. Prirodzene, video s vysokým rozlíšením (najmä v stereoskopickom formáte) vyžaduje na uloženie oveľa viac miesta na disku ako súbory so štandardným rozlíšením.
Vážnym faktorom, ktorý vytvára dodatočné zaťaženie systémov na ukladanie dát, je rýchly rast flotily mobilných zariadení – predovšetkým smartfónov a tabletov. Keďže takéto miniaplikácie sú spravidla vybavené relatívne malým množstvom vnútornej pamäte, ich majitelia často potrebujú používať externé disky na ukladanie vlastného aj externe stiahnutého mediálneho obsahu.
Podľa Johna Rydninga, viceprezidenta pre prieskum trhu s pevnými diskami vo firme IDC pre prieskum trhu, odvetvie pevných diskov v súčasnosti zažíva obdobie výrazného rastu. Celková kapacita dodávaných diskov sa meria v petabajtoch a medziročný nárast tohto ukazovateľa je približne 30 %. Vývojárom sa však zároveň darí zvyšovať špecifickú hustotu magnetického záznamu o menej ako 20 % ročne.
Výrobcovia týchto komponentov teda napriek neustálemu zdokonaľovaniu technológií používaných v pevných diskoch nedržia krok s rýchlo rastúcimi potrebami trhu. Ťažko za to však môžeme viniť vývojárov, ktorí už neúnavne hľadajú nové a nové spôsoby, ako zvýšiť hustotu magnetického záznamu.
Spoločnosť Seagate napríklad v roku 2007 propagovala technológiu kolmého magnetického záznamu (PMR) v komerčných pevných diskoch. Vďaka orientácii magnetických domén nie rovnobežne s rovinou disku, ale kolmo na ňu, bolo možné zmenšiť veľkosť stopy a tým zvýšiť kapacitu jednej platne až na 250 GB.
O päť rokov neskôr sa vďaka systematickému vývoju tejto technológie podarilo štvornásobne zvýšiť špecifickú hustotu magnetického záznamu a zmestiť 1 TB dát na jednu platňu. Tento úspech viedol k masovej výrobe 3,5-palcových pevných diskov s kapacitou 4 TB. V súčasných podmienkach to však už nestačí.
Jedným zo spôsobov, ako preklenúť zväčšujúcu sa priepasť medzi dopytom používateľov a výkonom pevného disku, je zavedenie technológie Shingled Magnetic Recording (SMR) vyvinutej spoločnosťou Seagate. Pozrime sa, čo je podstatou tohto riešenia.
Princíp šindľov
Väčšina čitateľov asi vie, že údaje na povrchu platní pevného disku sa zaznamenávajú na takzvané stopy, ktoré možno zjednodušiť ako súbor sústredných kružníc (obr. 1). Čím menšia je šírka stôp a intervaly medzi nimi, tým vyššia je špecifická hustota záznamu, a teda aj kapacita jednotky s rovnakým tvarovým faktorom a počtom platní.
Ryža. 1. Rozloženie stopy
na povrchu magnetickej platne
Pri tradičnom spôsobe magnetického záznamu je minimálna šírka stopy určená fyzickými rozmermi záznamového prvku hlavy pevného disku (obr. 2). K dnešnému dňu už bola dosiahnutá hranica miniaturizácie prvkov magnetickej hlavy a ďalšie zmenšenie ich veľkosti pomocou existujúcich technológií je nemožné.
Ryža. 2. Pri tradičnom rozložení dráh ich minimálna šírka
obmedzená veľkosťou záznamového prvku magnetickej hlavy pohonu
Technológia SMR umožňuje obísť toto obmedzenie a zvýšiť špecifickú hustotu záznamu vďaka hustejšiemu usporiadaniu stôp, ktoré sú čiastočne prekryté na sebe ako prvky škridlovej strechy (obr. 3). Keď sa zapisujú nové údaje, stopy s predtým uloženými údajmi sú akoby orezané. Pretože šírka čítacieho prvku magnetickej hlavy je menšia ako šírka záznamového prvku, všetky údaje na platni možno stále čítať z orezaných stôp bez toho, aby bola narušená integrita a bezpečnosť týchto informácií.
Ryža. 3. Pri použití technológie SMR sú dráhy usporiadané bližšie,
vzájomne sa prekrývajúce
Zatiaľ čo všetko je jednoduché a jasné. Ak však potrebujete prepísať nové dáta cez existujúce, nastáva problém. Koniec koncov, v tomto prípade budete musieť prepísať nielen tento fragment priamo, ale aj dátové bloky na nasledujúcich stopách. Pretože záznamový prvok magnetickej hlavy je širší ako čítací prvok, proces prepisovania zničí dáta, ktoré boli predtým uložené v susedných oblastiach susedných stôp (obr. 4). Aby sa teda zabezpečila integrita predtým zaznamenaných informácií, tieto bloky sa musia najskôr uložiť do vyrovnávacej pamäte a potom zapísať späť na príslušnú stopu. Okrem toho sa táto operácia bude musieť opakovať postupne pre všetky nasledujúce stopy - kým sa nedosiahne hranica pracovnej oblasti magnetickej dosky.
Ryža. 4. V procese prepisovania údajov na jednom
koľají bude zasiahnutý úsek priľahlej koľaje
S ohľadom na túto vlastnosť sú stopy v pevných diskoch s technológiou SMR rozdelené do malých skupín – takzvaných balíkov (obr. 5). Tento prístup poskytuje flexibilnejšiu kontrolu nad procesom pridávania a prepisovania údajov a čo je najdôležitejšie, umožňuje vám znížiť počet dodatočných cyklov prepisovania a tým zvýšiť výkon disku. Aj keď je balík už plný, pri výmene dátového bloku v ňom bude potrebné prepísať úseky len obmedzeného počtu skladieb (až po hranicu tohto balíka).
Ryža. 5. Rozloženie dráh v balení
Štruktúra balíkov na disku sa môže líšiť v závislosti od rozsahu konkrétneho modelu. Pre každú rodinu pevných diskov tak môžete vytvoriť jedinečnú štruktúru balíka optimalizovanú pre špecifické použitie týchto diskov.
Je dôležité poznamenať, že zavedenie technológie SMR si nevyžaduje výrazné zmeny v dizajne magnetických hláv a reštrukturalizáciu výrobného procesu týchto komponentov. To udrží náklady na nové disky na rovnakej úrovni a vďaka vyššej kapacite dosiahnete ešte atraktívnejšie ukazovatele pre jednotkové náklady na ukladanie dát.
Záver
Technológia SMR je teda veľmi efektívnym riešením, ktoré umožňuje uspokojiť rastúcu potrebu zvýšiť maximálnu kapacitu pevných diskov v krátkom čase a s minimálnymi nákladmi. V prvej fáze implementácie technológie SMR zvýši hustotu záznamu dát o 25 % – z 1 na 1,25 TB na 3,5-palcovú platňu. V budúcom roku tak bude možné vyrábať pevné disky s kapacitou 5 TB.
Je dôležité poznamenať, že v prípade zavedenia technológie SMR sa dosiahne zvýšenie kapacity pohonov bez zvýšenia počtu magnetických hláv a/alebo platní pevných diskov. Nové pevné disky s vyššou kapacitou tak budú rovnako spoľahlivé ako doteraz vyrábané modely podobného tvaru. Navyše, ako už bolo spomenuté vyššie, zavedenie technológie SMR si nevyžaduje výrazné zmeny v konštrukcii pevného disku. To predovšetkým umožňuje použitie rovnakých magnetických hláv a dosiek, aké sú inštalované v súčasných modeloch.
Ďalšou výhodou SMR je možnosť kombinovať toto riešenie s rôznymi technológiami magnetického záznamu. V súčasnosti sa používa v pevných diskoch s kolmým magnetickým záznamom, no v budúcnosti môže byť použitý v kombinácii s inými riešeniami, ktoré umožnia dosiahnuť ešte vyššiu špecifickú hustotu záznamu.
Článok založený na materiáloch od Seagate
Svet okolo nás sa stáva mobilnejším a ľudia potrebujú čoraz väčšiu kapacitu zariadení, pomocou ktorých vytvárajú a používajú digitálne informácie. Analytici spoločnosti Seagate predpovedajú, že do roku 2015 sa 20-násobne zvýši počet rodín, ktoré vytvoria aspoň 1 TB údajov za mesiac – nahrané a prezerané streamované video, fotografie, hudba atď.
Svojho času bola spoločnosť Seagate jednou z prvých, ktorá uviedla na trh disk, ktorý podporuje technológiu kolmého nahrávania. Vďaka tejto technológii bola spoločnosť do roku 2007 schopná vyvinúť diskové platne s kapacitou až 250 GB (séria ® ). O päť rokov neskôr rovnaká technológia umožnila umiestniť na disk rekordný počet skladieb na palec a zvýšiť hustotu záznamu na 1 TB na platňu. Ale aj túto výnimočnú kapacitu (1 TB na platňu, celkovo 4 TB na disk) už moderní používatelia považujú za nedostatočnú.
Pochopenie technológie Seagate SMR
Technológia Shingled Magnetic Recording (SMR) od Seagate predstavuje novú úroveň hustoty záznamu, ktorá umožňuje zvýšiť kapacitu disku o 25 % vďaka zvýšeniu počtu skladieb na palec pre každý tanier.
Pri tradičných technológiách je šírka stôp a vzdialenosť medzi nimi určená veľkosťou čítacích a zapisovacích prvkov na hlave disku (obr. 1).
Ryža. 1. Tradičný spôsob delenia tratí.
Technologicky sa prvky na čítanie a zápis v moderných pevných diskoch na báze kolmého magnetického záznamu dostali na hranicu svojich možností. V rámci existujúcich technológií nie je možné ďalšie zmenšovanie veľkosti týchto prvkov a stôp, na ktorých čítajú a zapisujú.
Technológia SMR umožňuje zvýšiť hustotu záznamu znížením vzdialenosti medzi skladbami. Skladby sú naskladané na seba ako dlaždice na streche, čo umožňuje zaznamenať viac údajov v rovnakom priestore. Keď sa zapisujú nové dáta, stopy sa prekrývajú alebo sú „skrátené“. Vďaka tomu, že čítací prvok na hlave disku je menší ako zapisovací prvok, dokáže čítať dáta aj zo skrátenej stopy bez narušenia ich integrity a spoľahlivosti. Okrem toho s dlaždicovým magnetickým záznamom možno dobre použiť tradičné typy prvkov na čítanie a písanie. Vďaka tomu si výroba nového produktu nevyžiada výraznejšie investície, čiže nie je potrebné predražovať pevné disky podporujúce novú technológiu.
Ryža. 2. Rozdelenie tratí pomocou technológie SMR
S technológiou SMR je však spojený nasledujúci problém: ak potrebujete prepísať alebo aktualizovať časť informácií, budete musieť prepísať nielen požadovaný fragment, ale aj údaje na nasledujúcich stopách. Keďže záznamový prvok je širší ako neprekrývajúca sa oblasť stopy zachytáva aj údaje o susedných stopách, čo znamená, že neskôr ich bude treba prepísať (obr. 3). Pri zmene údajov na spodnej stope je teda potrebné opraviť údaje na najbližšej prekryvnej stope, potom na ďalšej a tak ďalej, až kým sa neprepíše celá platňa.
Ryža. 3. Záznamový prvok prekrýva prekrývajúce sa stopy
Z tohto dôvodu sú skladby na disku SMR zoskupené do malých skupín nazývaných pásky. Navzájom sa prekrývajú iba stopy v rámci tej istej pásky (obr. 4). Vďaka tomuto zoskupeniu sa v prípade aktualizácie niektorých údajov nebude musieť prepisovať celá platňa, ale iba obmedzený počet skladieb, čo značne zjednodušuje a urýchľuje proces.
Ryža. 4. Štruktúra pásky na SMR disku
Pre každý typ disku je vyvinutá jeho vlastná pásková architektúra s prihliadnutím na rozsah jeho použitia. Každý produktový rad Seagate je navrhnutý pre špecifickú aplikáciu a prostredie a technológia SMR vám pomôže dosiahnuť najlepšie výsledky pri tomto použití.
Zhrnutie
Seagate SMR je efektívna technológia na uspokojenie neustále sa zvyšujúceho dopytu po dodatočnej kapacite. Technológia SMR sa v súčasnosti aktívne zdokonaľuje a v kombinácii s ďalšími inovatívnymi metódami sa dá použiť na zvýšenie hustoty záznamu na pevných diskoch novej generácie.
Spoločnosť Seagate a partneri pokračujú v testovaní a zdokonaľovaní metódy dlaždicového magnetického záznamu, aby naplno využili jej výhody pre rôzne typy jednotiek. Odborníci spoločnosti Seagate už vedú členov dnešných pracovných skupín na štandardizáciu najlepších spôsobov využitia technológie SMR.
V roku 2014 Seagate predstavil svoj ďalší inovatívny vývoj – prvý na svete, vďaka ktorému je ich kapacita už v prvej generácii o 25 % vyššia ako kapacita tradičných riešení. Zavedenie technológie SMR umožní vývojárom Seagate zlepšiť architektúru existujúcich diskov, vďaka čomu bude ich akvizícia z ekonomického hľadiska ziskovejšia.
1 Prieskum trhu Seagate, august 2013
Dnes sa mnohí domnievajú, že magnetické pevné disky sú príliš pomalé, nespoľahlivé a technicky zastarané. Naopak, pevné disky sú na vrchole svojej slávy: každé mobilné zariadenie má pamäťové médium založené na flash pamäti a dokonca aj stolné počítače používajú takéto disky. Ich vyhliadky sú však veľmi obmedzené. Podľa predpovede CHIPu SSD ešte trochu zlacnie, hustota dát a teda aj kapacita disku sa pravdepodobne zdvojnásobí a potom príde koniec. 1TB SSD budú vždy príliš drahé. Na ich pozadí vyzerajú pevné magnetické disky rovnakej kapacity veľmi atraktívne, takže je priskoro hovoriť o úpadku éry tradičných pohonov. Dnes sú však na rázcestí. Potenciál súčasnej technológie, metóda kolmého záznamu, umožňuje ešte dva ročné cykly, počas ktorých sa uvoľnia nové modely s vyššou kapacitou a potom sa dosiahne limit.
Ak traja hlavní výrobcovia – Seagate, Western Digital a Toshiba – dokážu prejsť na jednu z nových technológií predstavených v tomto článku, potom 3,5-palcové pevné disky s kapacitou 60 TB alebo viac (čo je 20-krát väčšie ako súčasné modely) prestanú fungovať. byť nedosiahnuteľným luxusom. Zároveň sa zvýši aj rýchlosť čítania a dosiahne úroveň SSD, pretože závisí priamo od hustoty zapisovaných dát: čím menšiu vzdialenosť musí čítacia hlava prekonať, tým rýchlejšie disk pracuje. Ak teda bude náš „hlad po informáciách“ naďalej rásť, všetky „vavríny“ poputujú na pevné magnetické disky.
Spôsob kolmého záznamu
Pevné disky už nejaký čas využívajú metódu kolmého záznamu (na vertikálne usporiadané domény), ktorá poskytuje vyššiu hustotu dát. V súčasnosti je to norma. Nasledujúce technológie si túto metódu zachovajú.
6 TB: limit takmer dosiahnutý
O dva roky sa disky s kolmou metódou záznamu dostanú na hranicu hustoty dát na platni.
V moderných pevných diskoch s kapacitou až 4 TB hustota záznamu magnetických platní nepresahuje 740 Gbit na štvorcový palec. Výrobcovia sľubujú, že disky využívajúce metódu kolmého záznamu budú schopné poskytnúť indikátor 1 Tbps na štvorcový palec. O dva roky vyjde posledná generácia takýchto jednotiek: kapacita 3,5-palcových modelov dosiahne 6 TB a 2,5-palcové modely budú schopné poskytnúť o niečo viac ako 2 TB miesta na disku. Takéto mierne tempo rastu hustoty záznamov však už nedrží krok s naším neustále sa zvyšujúcim informačným hladom, čo dokazujú nasledujúce grafy.
Problém výberu materiálov
Pevné disky s metódou kolmého záznamu nedokážu uspokojiť rastúce potreby v oblasti ukladania dát, keďže s hustotou záznamu niečo málo nad 1 Tbit na štvorcový palec sú nútené bojovať s efektom superparamagnetizmu. Tento pojem znamená, že častice určitej veľkosti magnetických materiálov nie sú schopné dlhodobo udržiavať stav magnetizácie, ktorý sa vplyvom tepla z okolia môže náhle zmeniť. Veľkosť častíc, pri ktorých sa tento efekt prejaví, závisí od použitého materiálu (pozri tabuľku nižšie). Doštičky moderných HDD s kolmým záznamom sú vyrobené zo zliatiny kobaltu, chrómu a platiny (CoCrPt), ktorej častice majú priemer 8 nm a dĺžku 16 nm. Na zaznamenanie jedného bitu potrebuje hlava zmagnetizovať asi 20 takýchto častíc. Pri priemere 6 nm a menej častice tejto zliatiny nie sú schopné spoľahlivo udržať stav svojho magnetického poľa.
V odvetví pevných diskov sa veľa hovorí o „trileme“. Výrobcovia môžu na zvýšenie hustoty záznamu použiť tri hlavné spôsoby: zmeniť veľkosť častíc, ich počet a typ zliatiny, z ktorej sú zložené. Ale keď je veľkosť častíc zliatiny CoCrPt od 6 nm, použitie jednej z metód povedie k tomu, že ostatné dve budú zbytočné: ak sa veľkosť častíc zníži, stratia svoju magnetizáciu. Ak znížite ich počet na bit, ich signál sa „rozpustí“ v okolitom šume susedných bitov. Čítacia hlava nebude schopná rozlíšiť, či má do činenia s „0“ alebo „1“. Zliatina s vyššími magnetickými charakteristikami umožňuje použitie menších častíc a tiež umožňuje zníženie ich počtu, avšak v tomto prípade záznamová hlava nie je schopná zmeniť ich magnetizáciu. Túto trilemu je možné vyriešiť len vtedy, ak výrobcovia upustia od kolmého spôsobu záznamu. Na tento účel je pripravených niekoľko technológií.
Až 60 TB: nové technológie nahrávania
Hustotu záznamu budúcich pevných diskov možno desaťnásobne zvýšiť – pomocou mikrovĺn, laserov, ovládačov SSD a nových zliatin.
Najsľubnejším vývojom, ktorý dokáže poskytnúť hustotu záznamu nad 1 Tbit na štvorcový palec, je technológia magnetického záznamu s čiastočným prekrývaním stôp ("dlaždicová" metóda záznamu - Shingled Magnetic Recording, SMR). Jeho princíp spočíva v tom, že magnetické dráhy SMR disku sa čiastočne prekrývajú, podobne ako škridle na streche. Táto technológia prekonáva ťažkosti spojené s metódou kolmého záznamu: ďalšie zmenšenie šírky stôp nevyhnutne povedie k nemožnosti zaznamenávania údajov. Moderné disky majú oddelené dráhy so šírkou 50 až 30 nm. Minimálna možná šírka stopy pre kolmý záznam je 25 nm. V technológii SMR môže byť vďaka čiastočnému prekrytiu šírka stopy pre čítaciu hlavu až 10 nm, čo zodpovedá hustote záznamu 2,5 Tbps na štvorcový palec. Trik spočíva v zväčšení šírky záznamových stôp na 70 nm, pričom sa zabezpečí, aby bol okraj stopy 100% magnetizovateľný. Okraj stopy sa nezmení, ak napíšete ďalšiu s posunom 10 nm. Okrem toho je záznamová hlava vybavená ochranným štítom, ktorý zabraňuje jej silnému magnetickému poľu poškodiť dáta pod ňou. Čo sa týka hlavy, tá je už vyvinutá
od Hitachi. Je tu však ďalší problém: zvyčajne sa na magnetickom disku vykonáva priame samostatné prepisovanie bitov a v rámci technológie SMR je to možné len na úplne vrchnej dráhe platne. Ak chcete zmeniť bity umiestnené na spodnej stope, budete musieť prepísať celú platňu, čo znižuje výkon.
Sľubný nástupca: HAMR
Medzitým medzinárodná organizácia pre diskové jednotky, materiály a zariadenia IDEMA uprednostňuje tepelne asistovaný magnetický záznam (HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording) a považuje ho za najpravdepodobnejšieho kandidáta na úlohu nástupcu technológie kolmého záznamu. Mark Guinen z predstavenstva IDEMA predpovedá, že prvé disky HAMR budú v predaji v roku 2015.
Na rozdiel od SMR technológia HAMR rieši trilemu redukciou magnetických častíc a to si vyžaduje prechod na nový materiál. Pre HAMR disky je potrebné použiť materiál s vyššou anizotropnou energiou - najperspektívnejšia je zliatina železa a platiny (FePt). Anizotropia určuje, koľko energie je potrebné na demagnetizáciu materiálu. Vo FePt je taká vysoká, že iba 2,5 nm častice narážajú na superparamagnetický limit (pozri tabuľku v ďalšej časti). Táto okolnosť by umožnila výrobu pevných diskov s kapacitou 30 TB s hustotou záznamu 5 Tbit na štvorcový palec.
Problém je v tom, že samotná zapisovacia hlava nie je schopná zmeniť magnetickú orientáciu častíc zliatiny FePt. Preto je v HAMR diskoch zabudovaný laser, ktorý na chvíľu zahreje častice v oblasti niekoľkých nanometrov na teplotu asi 400 °C. Výsledkom je, že záznamová hlava vyžaduje menej energie na zmenu magnetického poľa častíc. Na základe hodnôt hustoty zápisu môžu tepelne asistované magnetické záznamové jednotky dosahovať vysoké rýchlosti čítania (približne 400 – 500 MB/s), čo je dnes možné dosiahnuť len pre SATA 3 SSD.
Okrem laseru dokáže na doštičky zliatiny FePt zaznamenávať aj oscilátor Spin Torque Oscillator, ktorý vyžaruje mikrovlny. Mikrovlny menia charakteristiky magnetického poľa častíc takým spôsobom, že slabá záznamová hlava ich ľahko premagnetizuje. Všeobecne platí, že generátor zvyšuje účinnosť záznamovej hlavy trojnásobne. Technológia mikrovlnného magnetického záznamu (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR) je na rozdiel od HAMR stále vo vývoji.
Nová kovová zliatina pre termomasážne magnetické záznamové disky
Zliatina FePt v HAMR disku má vyššiu anizotropnú energiu a vyššiu schopnosť magnetizácie. V porovnaní s metódou kolmého záznamu tu možno použiť menšie častice.
Čo sa stane po HAMR?
Technológia Bit-Patterned Media (BPM) bola dlho považovaná za najsľubnejšiu. Poskytuje iné riešenie trilemy: v tomto prípade sú magnetické častice od seba oddelené izolačnou vrstvou oxidu kremičitého. Na rozdiel od tradičných magnetických diskov sa magnetizovateľné oblasti aplikujú pomocou litografie, ako pri výrobe čipov. To značne predražuje výrobu BPM médií. BPM umožňuje znížiť počet častíc na bit a zároveň sa vyhnúť vplyvu šumu susedných častíc na signál. Jediným dnešným problémom je vytvoriť čítaciu/zápisovú hlavu, ktorá môže poskytnúť vysoko presné riadenie bitov BPM. Preto sa BPM v súčasnosti považuje za najpravdepodobnejšieho nástupcu HAMR. Ak skombinujete obe technológie, môžete dosiahnuť hustotu záznamu 10 Tbit na štvorcový palec a vyrobiť disky s kapacitou 60 TB.
Novým predmetom výskumu je technológia dvojrozmerného magnetického záznamu (Two Dimensional Magnetic Recording, TDMR), ktorá rieši trilemu odstránením ťažkostí spojených s odstupom signálu od šumu. Pri malom počte častíc na bit prijíma čítacia hlava fuzzy signál, pretože má nízky výkon a stráca sa v šume susedných častíc. Funkciou technológie TDMR je schopnosť obnoviť stratený signál. Vyžaduje si to tlač viacerých čítacích hláv alebo tlač viacerých čítacích hláv, ktoré tvoria 2D obraz povrchu. Na základe týchto obrázkov dekodér obnoví zodpovedajúce bity.
