Seagate Technology розпочала постачання жорстких дисків з черепичною технологією запису (shingled magnetic recording, SMR) приблизно два роки тому. За цей термін компанія продала приблизно чотири мільйони відповідних накопичувачів, що чи становить один відсоток від усіх HDD компанії, поставлених за цей час. Тим не менш, Seagate позитивно ставиться до даних пристроїв та покладає великі надії на SMR.

Черепична технологія магнітного запису збільшує щільність запису на пластинах на величину близько 25% рахунок часткового перекриття доріжками одне одного. Доріжки, що перекриваються, уповільнюють процес запису, оскільки в ході запису однієї доріжки доводиться перезаписувати вміст доріжок, що розташовуються поруч (точніше, в одній групі доріжок, яка називається band). Щоб компенсувати низьку швидкість запису на жорстких дисках із SMR-пластинами, виробникам накопичувачів доводиться створювати спеціальні мікропрограми, які оптимізують операції послідовного запису. Альтернативно операційна система та/або програми, що використовують жорсткі диски, повинні розуміти, що мають справу з SMR-вінчестером і робити операції послідовного запису лише в деяких областях жорстких дисків.

Так чи інакше, жорсткі диски, що використовують технологію черепичного запису, повільніше ніж HDD, які використовують технологію перпендикулярного запису. Оскільки жорсткі диски максимального об'єму потрібні в першу чергу центрам обробки даних, такі обмеження продуктивності цілком допустимі. Тим не менш, ЦОД, які починають використовувати SMR-вінчестери, щоб збільшити обсяг зберігання даних, змушені доопрацьовувати власне програмне забезпечення, що уповільнює поширення подібних HDD.

Хоча використання вінчестерів з SMR-пластинами має ряд особливостей, доки жорсткі диски на базі технологій TDMR (двовимірна технологія запису) і HAMR (термомагнітна технологія запису) не з'являться на ринку, жорсткі диски на основі SMR-пластин будуть розвиватися. Зараз Seagate вже навчилася приховувати недоліки технології черепичного запису для ЦОД-додатків.

«Ми поставили близько чотирьох мільйонів «черепичних» жорстких дисків»,— сказав Дейв Мослі (Dave Mosley), виконавчий віце-президент з операцій та технологій у Seagate, під час зустрічі з інвесторами та фінансовими аналітиками. «Ми розглядаємо це як дуже успішне досягнення, тому що ми дізналися багато інформації про додатки наших клієнтів. Ми готові приховувати недоліки черепичної технології запису за допомогою багаторівневих систем зберігання даних, систем кешування тощо,[так, що нашим клієнтам] не доведеться робити важких змін у їхніх програмах».

Seagate працює зі своїми клієнтами, які хочуть настроїти програми під «черепні» жорсткі диски, але компанія також постійно працює над власними мікропрограмами, здатними приховати особливості SMR у випадках, коли зміни додатків скрутні або неможливі.

«Ми дуже задоволені прогресом, який ми зробили [з SMR накопичувачами], ми поставляємо «черепні» жорсткі диски для різних платформ і готові розширити їхнє виробництво у 2016 році»,- сказав пан Мослі.

На додаток до жорстких дисків для архівування даних (серія Seagate Archive), Seagate вже застосовує пластини з черепичною технологією запису всередині клієнтських зовнішніх та мобільних накопичувачів (продаються під марками Samsung та Seagate) та планує використовувати SMR для інших жорстких дисків. Оскільки клієнтські операційні системи та програми не зміняться відразу, компанії доведеться розробляти спеціальну архітектуру жорстких дисків для персональних комп'ютерів, яка враховуватиме особливості черепичної технології та нівелюватиме низьку швидкість запису системами кешування та розташування даних на магнітних пластинах.

Сьогодні зростання обсягу даних на людину зростає у геометричній прогресії, а компанії, що пропонують рішення для зберігання цих даних, прагнуть зробити все можливе, щоб збільшити доступну ємність своїх пристроїв. Технологія черепичного магнітного запису Seagate SMR (Shingled Magnetic Recording) дозволяє підвищити густину запису, за рахунок чого ємність диска збільшується на 25%. Це можливо завдяки збільшенню кількості доріжок на кожній пластині та скороченню відстані між ними. Доріжки розміщуються одна над одною (як черепиця на даху), що дозволяє записати більше даних, не збільшуючи площі пластини. При записі нових даних доріжки частково накладаються один на одного, або "усікаються". Зважаючи на те, що елемент, що зчитує на дисковій голівці менше записуючого, він може зчитувати дані навіть з усіченої доріжки, не порушуючи їх цілісності та достовірності.

Однак із технологією SMR пов'язана наступна проблема: щоб перезаписати або оновити інформацію, необхідно переписати не лише необхідний фрагмент, а й дані на останніх доріжках. Через те, що записуючий елемент ширше, він захоплює дані на доріжках, що межують, тому необхідно перезаписати і їх. Таким чином, при зміні даних на нижній доріжці потрібно скоригувати дані на найближчій накладеній доріжці, потім на наступній і так далі, поки не буде переписана вся пластина.

Тому доріжки SMR-диска об'єднані в невеликі групи, звані стрічками. Накладаються одна на одну, відповідно, лише доріжки в межах однієї стрічки. Завдяки такому групуванню у разі оновлення деяких даних перезаписувати доведеться не всю пластину, а лише обмежену кількість доріжок, що спрощує та прискорює процес. До кожного типу дисків розробляється своя архітектура стрічки з урахуванням сфери його застосування. Кожна лінійка продуктів Seagate розрахована на певну сферу застосування та конкретні умови роботи, і технологія SMR дозволяє досягти за умови правильного використання найкращих результатів.

Seagate SMR - це технологія, що дозволяє задовольнити попит, що постійно зростає, на додаткову ємність. На сьогоднішній день вона активно удосконалюється і у поєднанні з іншими інноваційними методами може бути використана для підвищення щільності запису на жорстких дисках наступних поколінь.

Але насамперед необхідно розібратися в деяких нюансах її застосування.

Виділяють три типи пристроїв, що підтримують черепичний запис:

Автономні (Drive Managed)

Робота з цими пристроями не потребує жодних змін у програмному забезпеченні хоста. Вся логіка запису/читання організована самим пристроєм. Чи означає, що ми можемо легко встановити їх і розслабитися? Ні.

Диски, в яких реалізована Drive Managed технологія запису, зазвичай мають великий обсяг write-back кешу (від 128МБ на диск). При цьому послідовні запити обробляються як write-around. Основні складнощі, з якими стикаються розробники пристроїв та СГД, що базуються на даній технології запису, наступні:

1. Розмір кешу лімітований і в міру його заповнення ми можемо отримати непередбачувану продуктивність пристроїв.
2. Іноді виникають значні рівні затримок при інтенсивному скиданні кешу.
3. Визначення послідовностей - далеко не завжди тривіальне завдання, і в складних випадках ми можемо очікувати на деградацію продуктивності.

Основною перевагою даного підходу є повна зворотна сумісність пристроїв із існуючими ОС та додатками. Добре розуміючи ваше завдання, ви можете вже зараз купувати Drive Managed пристрою та отримувати переваги від використання технології. Далі у статті ви побачите результати тестування подібних пристроїв та зможете визначитись, наскільки вони вам підходять.

Керовані хостом (Host Managed)

У пристроях використовується набір розширень до ATA і SCSI взаємодії з дисками. Це пристрій іншого типу (14h), який вимагає серйозних змін у всьому Storage Stack і несумісний із класичними технологіями, тобто без спеціальної адаптації додатків та операційних систем ви не зможете використовувати ці диски. Хост повинен виконувати запис на пристрої послідовно. При цьому продуктивність пристроїв на 100% передбачувана. Але необхідна коректність роботи більш високорівневого програмного забезпечення для того, щоб продуктивність підсистеми зберігання була дійсно передбачуваною.

Підтримувані хостом (Host Aware)

Це гібридні рішення, що поєднують переваги Device Managed та Host Managed технологій. Отримуючи такі диски, ми отримуємо підтримку зворотної сумісності з можливістю використання спеціальних розширень ATA та SCSI для оптимальної роботи з SMR-пристроями. Тобто ми можемо, як просто виконувати запис на пристрої, як це робили раніше, так і робити це найбільш оптимальним чином.

Для того, щоб забезпечити роботу з Host Managed та Host Aware пристроями, розробляється пара нових стандартів: ZBC та ZAC, що входять до T10/T13. ZBC є розширення SCSI та ратифікується T10. Стандарти розробляються для дисків SMR, але в майбутньому можуть бути застосовані і для інших пристроїв.

ZBC/ZAC визначають логічну модель пристроїв, де основним елементом є зона, яка відображається як LBA діапазон.

Стандарти задають три типи логічних зон, на які розбиті пристрої:

1. Conventional zone - зона, з якою ми можемо працювати традиційним чином, як із звичайними жорсткими дисками. Тобто можемо писати послідовно і випадково.

2. Два типи Write Pointer Zone:

2.1. Sequential write preferred - основний тип зон для Host Aware пристроїв, що віддається перевагу послідовному запису. Випадковий запис на пристрої обробляється як у пристроях Device Managed і може стати причиною втрати продуктивності.

2.2. Sequential write only - основний тип зон для Host Manged пристроїв, можливий лише послідовний запис. Випадковий запис неприпустимий, при спробах його зробити буде повернено помилку.

Кожна зона має свій Write Pointer і свій статус. Для всіх пристроїв, що підтримують HM тип запису, перший LBA наступної команди запису обов'язково має відповідати положенню Write Pointer. Для HA пристроїв Write Pointer є інформаційним та служить для оптимізації роботи з диском.

Окрім нової логічної структури у стандартах з'являються і нові команди:

REPORT_ZONES є основним методом, завдяки якому можна отримати інформацію про існуючі зони на пристрої та їх статус. Диск у відповідь на цю команду повідомляє про існуючі зони, їх типи (Conventional, Sequential Write Required, Sequential Write Preferred), стан зон, розмір, інформацію про знаходження Write Pointer.

RESET_WRITE_POINTER є наступником команди TRIM для пристроїв ZBC. Під час її виклику відбувається стирання зони та переміщення Write Pointer на початок зони.

Для управління статусом зони використовуються 3 опціональні команди:

OPEN_ZONE
CLOSE_ZONE
FINISH_ZONE

У VPD сторінках з'явилася нова інформація, включаючи максимальну кількість відкритих зон, що забезпечує кращу продуктивність та максимальну кількість зон, доступних для випадкового запису з найкращою продуктивністю.

Виробникам СГД необхідно подбати про підтримку пристроїв HA/HM, вносячи зміни на всіх рівнях стеку: бібліотеки, планувальники, RAID engine, логічні томи, файлові системи.

Крім того, потрібно забезпечити два типи інтерфейсів для роботи додатків: традиційний інтерфейс, організувавши масив як device managed пристрій, а також реалізацію віртуального тому як HOST AWARE пристрою. Це необхідно, оскільки очікується поява програм, що працюють з HM/HA пристроями безпосередньо.

У загальному вигляді алгоритм роботи з пристроями HA виглядає наступним чином:

1. Визначте конфігурацію пристрою за допомогою REPORT_ZONES
2. Визначте зони для випадкового запису
2.1. Кількість обмежена можливостями пристрою
2.2. У цих зонах немає необхідності відслідковувати положення Write Pointer
3. Використовуйте інші зони для послідовного запису та використовуючи інформацію про положення Write-Pointer і виконуючи лише послідовний запис
4. Контролюйте кількість відкритих зон
5. Використовуйте складання сміття для вивільнення пулу зон

Деякі техніки запису можна застосовувати з наявних all-flash СГД, для яких вирішувалися проблеми передміхурного послідовного запису та складання сміття.

Компанія RAIDIX провела тестування SMR дисків Seagate у себе в лабораторії та дає кілька рекомендацій щодо їх використання. Ці диски відрізняються тим, що є Device Managed і не вимагають серйозних змін у роботі програм.

При тестуванні була спроба перевірити очікування продуктивності таких дисків і зрозуміти, навіщо ми можемо їх використовувати.

У тестах брали участь два диски Seagate Archive HDD об'ємом 8000GB.
Тестування виконувалось на операційній системі Debian версії 8.1
CPU Intel i7 з частотою 2,67 MHz
16 GB RAM
Диски мають інтерфейс SATA 3, ми включили контролер у режим AHCI.

Для початку ми наводимо інформацію про пристрої, виконавши запит на Inquiry.

Для цього ми використали набір утиліт sg3-utils.

sg_inq /dev/sdb
standard INQUIRY:
PQual=0 Device_type=0 RMB=0 version=0x05
NormACA=0 HiSUP=0 Resp_data_format=2
SCCS=0 ACC=0 TPGS=0 3PC=0 Protect=0 BQue=0
EncServ=0 MultiP=0 Addr16=0
WBus16=0 Sync=0 Linked=0 CmdQue=0
length=96 (0x60) Періферальний пристрій типу: диск
Vendor ID: ATA
Product identification: ST8000AS0002-1NA
Product revision level: AR13
Unit serial number: Z84011LQ

На 83 сторінці знаходиться VPD.

sg_inq /dev/sdb -p 0x83
VPD INQUIRY: Device Identification page
Designation descriptor 1, descriptor length: 24
designator_type: vendor specific , code_set: ASCII

vendor specific: Z84011LQ
Designation descriptor 2, descriptor length: 72
designator_type: T10 vendor identification, code_set: ASCII
associated with the addressed logical unit
vendor id: ATA
vendor specific: ST8000AS0002-1NA17Z Z84011LQ

Нічого особливого ми не побачили. Спроби прочитати інформацію про зони обернулися невдачею.

RAIDIX робить програмне забезпечення для СХД, що працюють у різних індустріях, і ми прагнули не використовувати спеціалізовані або платні бенчмарки.

Починаємо з того, що перевіряємо потокову продуктивність дисків на внутрішніх та зовнішніх доріжках. Результати тестів дадуть максимальну очікувану продуктивність пристрою та відповідають насамперед таким завданням, як архівування даних.

Налаштування блокової підсистеми ми не чіпали. Виконуємо тестування, записуючи на диски дані блоками 1 мегабайт. І тому ми використовуємо бенчмарк fio v.2.1.11.

Джоби (Jobs) відрізняються один від одного лише зміщенням від початку пристрою та запускаються один за одним. Як бібліотека вводу-виводу обрана libaio.

Результати видаються непоганими:

Продуктивність на зовнішніх та внутрішніх доріжках відрізняється практично вдвічі.
Ми бачимо періодичні провали продуктивності. Вони не є критичними для архівування, але можуть стати проблемою для інших завдань. При коректній роботі write-back кешу СГД ми припускаємо, що не спостерігатимемо подібну ситуацію. Ми провели подібний досвід, створивши масив RAID 0 з обох дисків, виділивши 2ГБ RAM кешу на кожен диск, і не побачили провалів продуктивності.

Під час читання провалів не видно. І наступні випробування покажуть, що на операціях читання SMR диски за продуктивністю нічим не відрізняються від звичайних.

Тепер ми проведемо найцікавіші тести. Запустимо 10 потоків з різними offset одночасно. Це ми робимо для того, щоб перевірити коректність буферизації та подивитися, як диски працюватимуть на завданнях CCTV, Video Ingest та подібних.
На графіках наведено сумарну продуктивність по всіх роботах:

Диск непогано впорався із навантаженням!

Продуктивність тримається лише на рівні 90 МБ/с, рівномірно розподілена по потоках, і немає серйозних провалів. Графік на читання абсолютно аналогічний, тільки піднятий на 20 МБ. Для зберігання та роздачі відеоконтенту, обміну великими файлами продуктивність підходить і практично не відрізняється від продуктивності звичайних дисків.

Як і очікувалося, диски непогано показали себе на операціях потокового читання та запису, а робота в кілька потоків стала для нас приємним сюрпризом.

Переходимо до «випадкових» читання та запису. Подивимося, як диски поведуться у класичних завданнях підприємств: зберігання файлів СУБД, віртуалізація та ін. Крім того, у «випадкові» операції підпадають часта робота з метаданими і, наприклад, включена дедуплікація на масиві.

Тестування ми проводимо блоками 16 кілобайт і, як і раніше, вірні fio.
У тесті ми налаштували кілька джобів із різною глибиною черги, але повністю результати наводити не будемо. Показовим є лише початок тесту.

Перші 70,5 секунди ми бачимо нереальні для жорсткого диска 2500 IOps. У цьому відбуваються часті провали. Мабуть, у цей момент відбувається запис у буфер та його періодичне скидання. Потім відбувається різке падіння до 3 IOps, які тримаються остаточно тесту.

Якщо зачекати кілька хвилин, то після того, як скинеться кеш, ситуація повториться.

Очікується, що за наявності невеликої кількості випадкових операцій диск поводитиметься непогано. Але якщо ми очікуємо на інтенсивне навантаження на пристрій, краще утриматися від використання SMR дисків. RAIDIX рекомендує при можливості виносити всю роботу з метаданими на зовнішні пристрої.

А що ж із випадковим читанням?
У цьому тесті ми обмежили час відгуку 50 мс. Наші пристрої справляються непогано.

Читання виявляється у проміжку 144-165 IOPs. Самі числа непогані, але трохи лякає розкид у 20 IOPs. Орієнтуйтесь на нижню межу. Результат непоганий, лише на рівні класичних дисків.

Дещо змінимо підхід. Давайте поглянемо на роботу з великою кількістю файлів.
З цим нам допоможе утиліта frametest від SGI. Цей бенчмарк створений для перевірки продуктивності СХД під час монтажу несжатого відео. Кожен кадр є окремим файлом.

Ми створили файлову систему xfs та змонтували її з наступними параметрами:
-o noatime,nodiratime,logbufs=8,logbsize=256k,largeio,inode64,swalloc,allocsize=131072k,nobarrier

Запускаємо frametest з наступними параметрами:

./frametest -w hd -n 2000 /test1/

Бенчмарк створює 2000 файлів розміром 8МБ.

Початок тесту проходить непогано:

Averaged details:

Last 1s: 0.028 ms 79.40 ms 79.43 ms 100.37 MB/s 12.6 fps
5s: 0.156 ms 83.37 ms 83.53 ms 95.44 MB/s 12.0 fps

Але після запису 1500 кадрів ситуація значно погіршується:

Averaged details:
Open I/O Frame Data rate Frame rate
Last 1s: 0.035 ms 121.88 ms 121.92 ms 65.39 MB/s 8.2 fps
5s: 0.036 ms 120.78 ms 120.83 ms 65.98 MB/s 8.3 fps

Averaged details:
Open I/O Frame Data rate Frame rate
Last 1s: 0.036 ms 438.90 ms 438.94 ms 18.16 MB/s 2.3 fps
5s: 0.035 ms 393.50 ms 393.55 ms 20.26 MB/s 2.5 fps

Проведемо тест на читання:

./frametest -r hd -n 2000 /test1/

Протягом усього тесту продуктивність відмінна:

Averaged details:
Last 1s: 0.004 ms 41.09 ms 41.10 ms 193.98 MB/s 24.3 fps
5s: 0.004 ms 41.09 ms 41.10 ms 193.98 MB/s 24.3 fps

Наразі ведеться робота над спеціалізованими файловими системами для SMR дисків.
Seagate розробляє на основі ext4 SMR_FS-EXT4. Можна виявити кілька log-structured файлових систем, спроектованих спеціально для Device Managed SMR дисків, але жодну з них не можна назвати зрілим, рекомендованим до впровадження продуктом. Також Seagate ведеться розробка версії SMR диска, що підтримується хостом (Host Aware), яка повинна бути завершена до кінця року.

Які ми можемо зробити висновки щодо результатів вимірів продуктивності?
Device Managed пристрою можна сміливо використовувати для завдань, що не відрізняються інтенсивним записом. Вони дуже непогано справляються із завданнями однопотокового та багатопотокового запису. Для читання даних вони підходять добре. Періодичні “випадкові” запити до дисків під час оновлення метаданих поглинаються великим кешем.

Для вирішення завдань, що відрізняються інтенсивним "випадковим" записом або оновленням великої кількості файлів такі пристрої не дуже підходять, як мінімум, без використання додаткових технічних засобів.

Параметр MTBF протестованих дисків становить 800 000 годин, що в 1,5 рази нижче, ніж у, наприклад, NAS-дисків. Великий обсяг дисків значно збільшує час відновлення і унеможливлює регулярний media-скан. Ми рекомендуємо при проектуванні сховища з такими дисками покладатися на RAID з кількістю parity, більшою за 2 та/або підходи, що дозволяють скоротити час відновлення (Наприклад, Parity Declustering).

Розроблена фахівцями компанії Seagate технологія Shingled Magnetic Recording (SMR) вже найближчим часом дозволить збільшити питому щільність запису даних на пластинах жорстких дисків на 25% за рахунок нової схеми розташування доріжок. Наступного року буде запущено серійне виробництво 3,5-дюймових вінчестерів ємністю 5 Тбайт, а до 2020-го максимальний обсяг подібних накопичувачів досягне позначки 20 Тбайт.

Інформаційний вибух

За оцінкою експертів, в даний час населення нашої планети, що становить близько 7 млрд людей, щорічно генерує загалом 2,7 зетабайт даних. І не потрібно бути спеціалістом у галузі інформаційних технологій, щоб зрозуміти, що з кожним наступним роком цей показник лише зростатиме. Одним із сприятливих факторів є збільшення пропускної спроможності каналів, що використовуються для підключення до Інтернету як по фіксованих лініях зв'язку, так і через публічні зони бездротового доступу і стільникові мережі. Рік від року зростають обсяги даних (і насамперед медіафайлів), що завантажуються в хмарні сховища, а також зберігаються на жорстких дисках домашніх ПК та NAS-накопичувачів. І це цілком закономірно. По-перше, збільшується роздільна здатність побутових фото- і відеокамер, а отже, і обсяг зображень, що зберігаються, і відеозаписів при тій же кількості знімків і хронометражі відео. По-друге, завдяки підвищенню пропускної спроможності каналів доступу до Інтернету стало можливим транслювати в потоковому режимі медіаконтент набагато вищої якості. Природно, для зберігання відео високої чіткості (і тим більше у стереоскопічному форматі) потрібно набагато більше дискового простору, ніж для файлів у форматі стандартної чіткості.

Серйозним фактором, що створює додаткове навантаження на системи зберігання даних, є швидке зростання парку мобільних пристроїв – насамперед смартфонів та планшетних ПК. Оскільки подібні гаджети, як правило, оснащуються відносно невеликим обсягом вбудованої пам'яті, у їх власників часто виникає необхідність задіяти зовнішні накопичувачі для зберігання як генерованого самостійно, так і медіаконтенту, що завантажується ззовні.

За словами Джона Райднінга (John Rydning), який займає посаду віце-президента з досліджень ринку жорстких дисків в аналітичній компанії IDC, нині галузь жорстких дисків переживає період значного зростання. Сукупна ємність накопичувачів вимірюється петабайтами, а щорічний приріст цього показника становить близько 30%. Однак при цьому розробникам вдається збільшувати питому щільність магнітного запису менш ніж на 20% на рік.

Таким чином, незважаючи на постійне вдосконалення технологій, що застосовуються в жорстких дисках, виробники цих компонентів не встигають за зростаючими потребами ринку. Однак навряд чи можна звинувачувати в цьому розробників, які і так не покладаючи рук, шукають все нові і нові способи збільшення щільності магнітного запису.

Наприклад, компанія Seagate у 2007 році першою впровадила технологію перпендикулярного магнітного запису (Perpendicular Magnetic Recording, PMR) у жорстких дисках, що серійно випускаються. Завдяки орієнтації магнітних доменів не паралельно площині диска, а перпендикулярно до неї, вдалося зменшити розміри доріжки і за рахунок цього збільшити ємність однієї пластини до 250 Гбайт.

Через п'ять років завдяки планомірному розвитку даної технології вдалося збільшити питому щільність магнітного запису в чотири рази і вмістити 1 Тбайт даних на одній пластині. Це досягнення дозволило запустити у серійне виробництво 3,5-дюймові жорсткі диски ємністю 4 Тбайт. Однак у нинішніх умовах цього вже виявляється недостатньо.

Одним із способів скоротити збільшений розрив між потребами користувачів і технічними характеристиками жорстких дисків, що випускаються, є впровадження технології так званого черепичного магнітного запису (Shingled Magnetic Recording, SMR), яку розробили фахівці Seagate. Давайте розберемося, у чому суть цього рішення.

Принцип черепиці

Більшості читачів відомо, що дані на поверхні пластин жорсткого диска записуються на так званих доріжках, які можна спрощено представити у вигляді сукупності концентричних кіл (рис. 1). Чим менше ширина доріжок та інтервалів між ними, тим вище питома щільність запису, а значить, і ємність накопичувача при тих же формфакторі та кількості пластин.

Рис. 1. Схема розташування доріжок
на поверхні магнітної пластини

При традиційному способі магнітного запису мінімальна ширина доріжки визначається фізичними розмірами елемента, що записує головки жорсткого диска (рис. 2). До теперішнього часу вже досягнуто межі мініатюризації елементів магнітних головок, і подальше зменшення їх розмірів при використанні існуючих технологій неможливе.

Рис. 2. При традиційній схемі розташування доріжок їхня мінімальна ширина
обмежується розміром записуючого елемента магнітної головки накопичувача

Технологія SMR дозволяє обійти дане обмеження та збільшити питому щільність запису за рахунок більш щільного розташування доріжок, які частково накладаються одна на іншу подібно до елементів черепичної покрівлі (рис. 3). У процесі запису нових даних доріжки з раніше збереженими даними обрізаються. Оскільки ширина зчитує елемента магнітної головки менше, ніж записуючого, всі наявні на пластині дані, як і раніше, можна вважати з обрізаних доріжок без шкоди для цілісності та збереження цієї інформації.

Рис. 3. При використанні технології SMR доріжки розташовуються щільніше,
частково перекриваючи одна одну

Поки що все просто і зрозуміло. Однак за необхідності записати нові дані поверх вже наявних виникає проблема. Адже в цьому випадку доведеться перезаписати не тільки цей фрагмент, а й блоки даних на наступних доріжках. Оскільки записуючий елемент магнітної головки ширше зчитує, у процесі перезапису будуть знищені дані, раніше збережені на сполучених ділянках прилеглих доріжок (рис. 4). Таким чином, для забезпечення цілісності раніше записаної інформації ці блоки необхідно попередньо зберегти буфер і потім записати назад на відповідну доріжку. Причому цю операцію доведеться послідовно повторити всім наступних доріжок - до того часу, поки буде досягнуто межа робочої області магнітної пластини.

Рис. 4. У процесі перезапису даних на одній
з доріжок торкнеться ділянка сусідньої доріжки

З огляду на цю особливість доріжки в жорстких дисках з технологією SMR розділені на невеликі групи - звані пакети (рис. 5). Такий підхід забезпечує можливість більш гнучкого управління процесом додавання та перезапису даних, а головне, дозволяє зменшити кількість додаткових циклів перезапису та за рахунок цього підвищити продуктивність накопичувача. Навіть якщо пакет вже заповнено, то при заміні блоку даних у ньому потрібно перезаписати ділянки лише обмеженої кількості доріжок (до межі пакета).

Рис. 5. Схема розташування доріжок у пакеті

Структура пакетів на накопичувачі може бути різною залежно від сфери застосування тієї чи іншої моделі. Таким чином, для кожного сімейства жорстких дисків можна створити унікальну структуру пакетів, яка оптимізована з урахуванням специфіки використання цих накопичувачів.

Важливо відзначити, що для впровадження технології SMR не потрібно вносити значних змін у конструкцію магнітних головок та розбудовувати процес виробництва цих комплектуючих. Це дозволить зберегти собівартість нових накопичувачів на колишньому рівні, а за рахунок вищої ємності досягти ще привабливіших показників питомої вартості зберігання даних.

Висновок

Отже, технологія SMR є дуже ефективним рішенням, що дозволяє в короткі терміни і з мінімальними витратами задовольнити зростаючу потребу збільшення максимальної ємності жорстких дисків. На першому етапі впровадження технології SMR вона дозволить збільшити питому щільність запису даних на 25% - з 1 до 1,25 Тбайт на одну пластину 3,5-дюймового формфактора. Таким чином, вже наступного року стане можливим випуск жорстких дисків місткістю 5 Тбайт.

Важливо відзначити, що у разі впровадження технології SMR збільшення ємності накопичувачів досягається без нарощування кількості магнітних головок та/або пластин жорсткого диска. Таким чином, нові вінчестери більшої ємності будуть настільки ж надійні, як і моделі аналогічного формфактора, що раніше випускалися. Крім того, як вже було згадано вище, впровадження технології SMR не потребує внесення значних змін у конструкцію жорсткого диска. Це, зокрема, дозволяє використовувати такі ж магнітні головки і пластини, які встановлюються в моделях, що нині випускаються.

Ще однією перевагою SMR є можливість комбінування цього рішення з різними технологіями магнітного запису. В даний час вона застосовується в жорстких дисках з перпендикулярним магнітним записом, однак у перспективі може бути використана у поєднанні з іншими рішеннями, які дозволять досягти ще більшої питомої густини запису.

Стаття підготовлена ​​за матеріалами компанії Seagate

Світ навколо стає все мобільнішим, і людям потрібно все більше ємності на пристроях, за допомогою яких вони створюють цифрову інформацію та користуються нею. Аналітики компанії Seagate прогнозують, що до 2015 р. в 20 разів збільшиться кількість сімей, які створюють не менше 1 ТБ даних на місяць — потокового відео, що записується і переглядається, фотографій, музичних записів і т. д. 1

Свого часу компанія Seagate однією з перших представила на ринку диск, що підтримує технологію перпендикулярного запису. Завдяки цій технології до 2007 року компанії вдалося розробити дискові пластини ємністю до 250 ГБ (серія ® ). П'ять років по тому та ж технологія дозволила розмістити на диску рекордну кількість доріжок на дюйм і підвищити щільність запису до 1 ТБ на пластину. Але навіть таку виняткову ємність (1 ТБ на пластину, що в сумі дає 4 ТБ на диск), сучасні користувачі вже вважають недостатньою.

Базові відомості про технологію Seagate SMR
Технологія черепичного магнітного запису Seagate SMR (Shingled Magnetic Recording) – це вихід на новий рівень щільності запису, що дозволяє збільшити ємність диска на 25% завдяки збільшенню кількості доріжок на дюйм для кожної пластини.

При використанні традиційних технологій ширина доріжок та відстань між ними визначаються розмірами зчитуючого та записуючого елементів на дисковій голівці (рис. 1).

Рис. 1. Традиційний спосіб поділу доріжок.

Технологічно зчитуючі та записуючі елементи в сучасних жорстких дисках на основі перпендикулярного магнітного запису досягли межі своїх можливостей. У рамках існуючих технологій подальше зменшення розмірів як цих елементів, так і доріжок, на яких вони роблять читання та запис, неможливі.

Технологія SMR дозволяє підвищити густину запису шляхом скорочення відстані між доріжками. Доріжки розміщуються один над одним, подібно до черепиці на даху, дозволяючи записати більше даних на тому ж просторі. При записі нових даних доріжки частково накладаються один на одного, або "усікаються". Зважаючи на те, що елемент, що зчитує на дисковій голівці менше записуючого, він може зчитувати дані навіть з усіченої доріжки, не порушуючи їх цілісності та достовірності. Більше того, при черепичному магнітному записі цілком можуть застосовуватися традиційні типи елементів, що зчитують і записують. Завдяки цьому виробництво нового продукту не вимагатиме суттєвих інвестицій, а отже, немає потреби підвищувати ціну на жорсткі диски, що підтримують нову технологію.

Рис. 2. Поділ доріжок за технологією SMR

Однак із технологією SMR пов'язана наступна проблема: якщо потрібно перезаписати або оновити частину інформації, переписати доведеться не тільки необхідний фрагмент, а й дані на наступних доріжках. Оскільки записуючий елемент ширше області доріжки, що не перекривається, він захоплюєтакож дані на доріжках, що межують, а значить, потім доведеться перезаписати і їх (рис. 3). Таким чином, при зміні даних на нижній доріжці потрібно скоригувати дані на найближчій накладеній доріжці, потім на наступній, і так далі, поки не буде переписана вся пластина.

Рис. 3. Записуючий елемент перекриває доріжки, що накладаються.

Тому доріжки SMR-диска об'єднані в невеликі групи, звані стрічками. Накладаються одна на одну, відповідно, лише доріжки в межах однієї стрічки (рис. 4). Завдяки такому групуванню у разі оновлення деяких даних перезаписувати доведеться не всю пластину, а лише обмежену кількість доріжок, що спрощує та прискорює процес.

Рис. 4. Структура стрічки на SMR-диску

До кожного типу дисків розробляється своя архітектура стрічки з урахуванням сфери його застосування. Кожна лінійка продуктів Seagate розрахована на певну сферу застосування та конкретні умови роботи, і технологія SMR дозволяє досягти за такого використання найкращих результатів.

Підбиваючи підсумки
Seagate SMR - це ефективна технологія, що дозволяє задовольнити попит на додаткову ємність. Технологія SMR на сьогоднішній день активно удосконалюється і у поєднанні з іншими інноваційними методами може бути використана для підвищення густини запису на жорстких дисках наступних поколінь.

Компанія Seagate спільно з партнерами продовжує тестування та вдосконалення методу черепичного магнітного запису, щоб повною мірою використати його переваги для різних типів дисків. Спеціалісти Seagate вже сьогодні є провідними учасниками робочих груп зі стандартизації найефективніших способів застосування технології SMR.

У 2014 році Seagate представила свою чергову інноваційну розробку — перші у світі, завдяки якій їхня ємність вже в першому поколінні на 25% перевищує ємність традиційних рішень. Впровадження технології SMR дозволить розробникам компанії Seagate удосконалити архітектуру існуючих накопичувачів, зробивши їх придбання вигіднішим з економічної точки зору.

1 Маркетингове дослідження Seagate, серпень 2013

Сьогодні багато хто впевнений, що магнітні жорсткі диски занадто повільні, ненадійні та технічно застаріли. Водночас твердотільні накопичувачі, навпаки, знаходяться на піку своєї слави: у кожному мобільному пристрої є носій інформації на основі флеш-пам'яті, і навіть настільні ПК використовують такі диски. Проте їхні перспективи дуже обмежені. Згідно з прогнозом CHIP, SSD ще трохи впадуть у ціні, щільність запису даних і, отже, ємність дисків, швидше за все, подвоїться, а потім настане кінець. Твердотільні накопичувачі ємністю 1 Тбайт завжди будуть дуже дорогими. На їх фоні жорсткі магнітні диски аналогічної місткості виглядають дуже привабливо, тому говорити про занепад епохи традиційних накопичувачів рано. Проте сьогодні вони стоять на роздоріжжі. Потенціал поточної технології – методу перпендикулярного запису – допускає ще два річні цикли, протягом яких будуть випущені нові моделі збільшеної ємності, а потім буде досягнуто межі.

Якщо три основні виробники - Seagate, Western Digital і Toshiba - зможуть виконати перехід на одну з представлених у цій статті нових технологій, то 3,5-дюймові жорсткі диски ємністю 60 Тбайт і вище (що у 20 разів більше в порівнянні з поточними моделями) перестануть бути недосяжною розкішшю. Одночасно з цим зросте і швидкість читання, досягнувши рівня SSD, так як вона залежить безпосередньо від щільності даних, що записуються: чим менше відстань, яку необхідно долати зчитувальній голівці, тим швидше працює диск. Тому, якщо наш «інформаційний голод» продовжить зростати, всі «лаври» дістануться жорстких магнітних дисків.

Метод перпендикулярного запису

З деяких пір у жорстких дисках використовується метод перпендикулярного запису (на вертикально розташовані домени), що забезпечує більшу щільність даних. Нині він є нормою. Наступні технології збережуть цей метод.

6 Тбайт: ліміт майже досягнуто

Через два роки диски з методом перпендикулярного запису дійдуть межі щільності даних на пластині.

У сучасних жорстких дисках ємністю до 4 Тб щільність запису магнітних пластин не перевищує 740 Гбіт на квадратний дюйм. Виробники обіцяють, що накопичувачі, що використовують метод перпендикулярного запису, зможуть забезпечити показник в 1 Тбіт на квадратний дюйм. Через два роки вийде останнє покоління таких дисків: ємність моделей форм-фактора 3,5 дюйма досягне 6 Тбайт, а 2,5-дюймові зможуть надати трохи більше 2 Тбайт дискового простору. Однак такі скромні темпи зростання щільності запису вже не встигають за нашим інформаційним голодом, що постійно посилюється, що демонструють наступні графіки.

Проблема вибору матеріалів

Вінчестери з перпендикулярним способом запису не здатні задовольнити зростаючі потреби у сфері зберігання даних, тому що при щільності запису трохи більше 1 Тбіт на квадратний дюйм вони змушені боротися з ефектом суперпарамагнетизму. Цей термін означає, що певного розміру частинки магнітних матеріалів не здатні тривалий час зберігати стан намагніченості, який може раптово змінитись під дією тепла з навколишнього середовища. Те, при якому розмірі частинок настає даний ефект, залежить від матеріалу, що використовується (див. таблицю нижче). Пластини сучасних HDD з перпендикулярним записом виготовляються із сплаву кобальту, хрому та платини (CoCrPt), частинки якого мають діаметр 8 нм та довжину 16 нм. Для запису одного біта головки необхідно намагнітити близько 20 таких частинок. При діаметрі 6 нм та меншому частинки даного сплаву не здатні надійно зберігати стан свого магнітного поля.

У промисловості виробництва жорстких дисків часто говорять про «трилемі». Виробники можуть використовувати три основні способи збільшення щільності запису: зміна розміру частинок, їх кількості та типу сплаву, з якого вони складаються. Але при розмірі частинок CoCrPt-сплаву від 6 нм використання одного зі способів призведе до того, що два інші виявляться марними: якщо зменшити розмір частинок, вони втрачатимуть свою намагніченість. Якщо зменшити їх кількість на біт, їхній сигнал «розчиниться» в навколишньому шумі сусідніх бітів. Головка, що зчитує, не зможе визначити, чи має вона справу з «0» або «1». Сплав з більш високими магнітними характеристиками дозволяє використовувати частинки менших розмірів, а також допускає скорочення їх кількості, проте в даному випадку, що записує голівка, не в змозі змінити їх намагніченість. Цю трилему можна вирішити лише в тому випадку, якщо виробники відмовляться від методу перпендикулярного запису. Для цього напоготові вже є кілька технологій.

До 60 Тбайт: нові технології запису

Щільність запису майбутніх HDD можна збільшити в десять разів – за допомогою мікрохвиль, лазерів, SSD-контролерів та нових сплавів.

Найбільш перспективною розробкою, здатною забезпечити щільність запису понад 1 Тбіт на квадратний дюйм, є технологія магнітного запису з частковим перекриттям доріжок (метод «черепного» запису – Shingled Magnetic Recording, SMR). Її принцип полягає в тому, що магнітні доріжки SMR-диску частково накладаються одна на одну, подібно до черепиці на даху. Ця технологія дозволяє подолати властиве методу перпендикулярного запису утруднення: подальше зменшення ширини доріжок неминуче призведе до неможливості запису даних. Сучасні диски мають роздільні доріжки завширшки від 50 до 30 нм. Мінімально можлива ширина доріжок при перпендикулярному записі становить 25 нм. У технології SMR, завдяки частковому перекриттю, ширина доріжки для головки зчитування може становити до 10 нм, що відповідає щільності запису в 2,5 Тбіт на квадратний дюйм. Хитрість у тому, щоб збільшити ширину записів до 70 нм, забезпечивши при цьому стовідсоткову намагнічуваність краю доріжки. Край доріжки не зазнає змін, якщо записати наступну зі зміщенням 10 нм. Крім того, головка, що записує, оснащується захисним екраном, щоб її потужне магнітне поле не пошкодило розташовані під нею дані. Щодо голівки, вона вже розроблена
компанією Hitachi. Однак існує ще одна проблема: зазвичай на магнітному диску проводиться прямий роздільний перезапис бітів, а в рамках технології SMR це можливо лише на верхній доріжці пластини. Для зміни бітів, розташованих на нижній доріжці, потрібно повторне перезаписування всієї пластини, що знижує продуктивність.

Перспективний наступник: HAMR

Тим часом міжнародна організація з дискових накопичувачів, матеріалів та обладнання IDEMA віддає перевагу магнітному запису (HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording) і розглядає саме його як найбільш ймовірного претендента на роль наступника технології перпендикулярного запису. Марк Гінен із ради директорів IDEMA прогнозує появу у продажу перших HAMR-дисків у 2015 році.
На відміну від SMR, технологія HAMR вирішує трилему шляхом зменшення магнітних частинок, а для цього потрібен перехід на новий матеріал. Для HAMR-дисків необхідно використовувати матеріал з вищою анізотропною енергією – найбільш перспективним є сплав заліза та платини (FePt). Анізотропія визначає, скільки потрібно енергії для усунення намагніченості матеріалу. У FePt вона настільки висока, що тільки частинки розміром 2,5 нм стикаються із суперпарамагнетичною межею (див. таблицю в наступному розділі). Ця обставина дозволило б виробляти жорсткі диски ємністю 30 Тбайт із щільністю запису 5 Тбіт на квадратний дюйм.

Проблема полягає в тому, що самостійно записує головка не здатна змінити магнітну орієнтацію частинок сплаву FePt. Тому в HAMR-дисках в неї вбудовується лазер, який на мить розігріває частинки на ділянці площею кілька нанометрів до температури приблизно в 400 °С. В результаті записуючої голівки потрібно менше енергії для зміни магнітного поля частинок. Виходячи зі значень щільності запису, диски з магнітним записом, що термоассистируется, можуть мати високу швидкість читання (близько 400-500 Мбайт/с), яка сьогодні досяжна тільки для SSD-накопичувачів з інтерфейсом SATA 3.

Крім лазера забезпечити можливість запису на пластинах зі сплаву FePt також здатний генератор моменту спина (Spin Torque Oscillator), що випромінює мікрохвилі. Мікрохвилі змінюють характеристики магнітного поля частинок таким чином, що слабка головка, що записує, легко їх перемагнічує. В цілому, генератор збільшує ефективність записуючої головки втричі. Технологія мікрохвильового магнітного запису (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR), на відміну від HAMR, поки що знаходиться на стадії розробки.

Новий сплав металів для дисків з магнітним записом, що теромасистується.

Сплаву FePt у HAMR-диску властивий більш високий показник анізотропної енергії та підвищена здатність до намагнічування. Порівняно з методом перпендикулярного запису, тут можуть бути використані частинки менших розмірів.

Що буде після HAMR?

Технологія бітових масивів (Bit-Patterned Media, BPM) тривалий час вважалася найперспективнішою. Вона передбачає інше рішення трилеми: у разі магнітні частинки відділені друг від друга ізоляційним шаром з оксиду кремнію. На відміну від традиційних магнітних дисків області, що намагнічуються, наносяться за допомогою літографії, як при виробництві чіпів. Це робить виробництво BPM носіїв досить дорогим. BPM дозволяє зменшити кількість частинок на біт і уникнути впливу шуму сусідніх частинок на сигнал. Єдиною проблемою на сьогоднішній день є створення головки читання/запису, яка б змогла забезпечувати високу точність управління BPM-бітами. Тому нині BPM сприймається як найімовірніший наступник HAMR. Якщо об'єднати обидві технології, можна досягти щільності запису 10 Тбіт на квадратний дюйм і виробляти диски ємністю 60 Тбайт.

Новим предметом досліджень є технологія двовимірного магнітного запису (Two Dimensional Magnetic Recording, TDMR), яка дозволяє вирішити трилему шляхом усунення утруднення, пов'язаного з відношенням сигнал/шум. При невеликій кількості частинок на біт головка, що зчитує, отримує нечіткий сигнал, так як він має низьку потужність і губиться в шумі сусідніх частинок. Особливість технології TDMR полягає у можливості відновлення втраченого сигналу. Для цього потрібні кілька відбитків зчитуючої голівки або відбиток кількох зчитувальних голівок, які формують 2D-зображення поверхні. На основі цих зображень декодер відновлює відповідні біти.