Почему жесткие диски останутся с нами надолго. MAMR: Новый подход к записи данных

Мир вокруг становится все мобильнее, и людям требуется все больше емкости на устройствах, с помощью которых они создают цифровую информацию и пользуются ею. Аналитики компании Seagate прогнозируют, что к 2015 г. в 20 раз увеличится количество семей, которые создают не менее 1 ТБ данных в месяц — записываемого и просматриваемого потокового видео, фотографий, музыкальных записей и т. д. 1

В свое время компания Seagate одной из первых представила на рынке диск, поддерживающий технологию перпендикулярной записи. Благодаря этой технологии к 2007 г. компании удалось разработать дисковые пластины емкостью до 250 ГБ (серия ® ). Пять лет спустя та же технология позволила разместить на диске рекордное количество дорожек на дюйм и повысить плотность записи до 1 ТБ на пластину. Но даже такую исключительную емкость (1 ТБ на пластину, что в сумме дает 4 ТБ на диск) современные пользователи уже считают недостаточной.

Базовые сведения о технологии Seagate SMR
Технология черепичной магнитной записи Seagate SMR (Shingled Magnetic Recording) — это выход на новый уровень плотности записи, позволяющий увеличить емкость диска на 25% благодаря увеличению количества дорожек на дюйм для каждой пластины.

При использовании традиционных технологий ширина дорожек и расстояние между ними определяются размерами считывающего и записывающего элементов на дисковой головке (рис. 1).

Рис. 1. Традиционный метод разделения дорожек.

Технологически считывающие и записывающие элементы в современных жестких дисках на основе перпендикулярной магнитной записи достигли предела своих возможностей. В рамках существующих технологий дальнейшее уменьшение размеров как этих элементов, так и дорожек, на которых они производят чтение и запись, невозможны.

Технология SMR позволяет повысить плотность записи путем сокращения расстояния между дорожками. Дорожки размещаются друг над другом, подобно черепице на крыше, позволяя записать больше данных на том же пространстве. При записи новых данных дорожки частично накладываются друг на друга, или «усекаются». Ввиду того, что считывающий элемент на дисковой головке меньше записывающего, он может считывать данные даже с усеченной дорожки, не нарушая их целостности и достоверности. Более того, при черепичной магнитной записи вполне могут применяться традиционные типы считывающих и записывающих элементов. Благодаря этому производство нового продукта не потребует существенных инвестиций, а значит, нет нужды повышать цену на жесткие диски, поддерживающие новую технологию.

Рис. 2. Разделение дорожек по технологии SMR

Однако с технологией SMR связана следующая проблема: если нужно перезаписать либо обновить часть информации, переписать придется не только требуемый фрагмент, но и данные на последующих дорожках. Поскольку записывающий элемент шире неперекрывающейся области дорожки, он захватывает также данные на граничащих дорожках, а значит, потом придется перезаписать и их (рис. 3). Таким образом, при изменении данных на нижней дорожке, нужно скорректировать данные на ближайшей наложенной дорожке, потом на следующей, и так далее, пока не будет переписана вся пластина.

Рис. 3. Записывающий элемент перекрывает накладывающиеся дорожки

По этой причине дорожки SMR-диска объединены в небольшие группы, называемые лентами. Накладываются друг на друга, соответственно, только дорожки в пределах одной ленты (рис. 4). Благодаря такому группированию в случае обновления некоторых данных перезаписывать придется не всю пластину, а лишь ограниченное количество дорожек, что существенно упрощает и ускоряет процесс.

Рис. 4. Структура ленты на SMR-диске

Для каждого типа дисков разрабатывается своя архитектура ленты с учетом сферы его применения. Каждая линейка продуктов Seagate рассчитана на определенную сферу применения и конкретные условия работы, и технология SMR позволяет достичь при таком использовании наилучших результатов.

Подводя итоги
Seagate SMR — это эффективная технология, позволяющая удовлетворить всевозрастающий спрос на дополнительную емкость. Технология SMR на сегодняшний день активно совершенствуется и в сочетании с другими инновационными методами может быть использована для повышения плотности записи на жестких дисках следующих поколений.

Компания Seagate совместно с партнерами продолжает тестирование и совершенствование метода черепичной магнитной записи, чтобы в полной мере использовать его преимущества для различных типов дисков. Специалисты Seagate уже сегодня являются ведущими участниками рабочих групп по стандартизации наиболее эффективных способов применения технологии SMR.

В 2014 г. Seagate представила свою очередную инновационную разработку — первые в мире , благодаря которой их емкость уже в первом поколении на 25% превышает емкость традиционных решений. Внедрение технологии SMR позволит разработчикам компании Seagate усовершенствовать архитектуру существующих накопителей, сделав их приобретение более выгодным с экономической точки зрения.

1 Маркетинговое исследование Seagate, август 2013 г.

Сегодня рост объема данных на человека растет в геометрической прогрессии, а компании, предлагающие решения для хранения этих данных, стремятся сделать все возможное, чтобы увеличить доступную емкость своих устройств. Технология черепичной магнитной записи Seagate SMR (Shingled Magnetic Recording) позволяет повысить плотность записи, за счет чего емкость диска увеличивается на 25%. Это возможно благодаря увеличению количества дорожек на каждой пластине и сокращению расстояния между ними. Дорожки размещаются друг над другом (как черепица на крыше), что позволяет записать больше данных, не увеличивая площади пластины. При записи новых данных дорожки частично накладываются друг на друга, или «усекаются». Ввиду того, что считывающий элемент на дисковой головке меньше записывающего, он может считывать данные даже с усеченной дорожки, не нарушая их целостности и достоверности.

Однако с технологией SMR связана следующая проблема: чтобы перезаписать или обновить информацию, необходимо переписать не только требуемый фрагмент, но и данные на последних дорожках. Из-за того, что записывающий элемент шире, он захватывает данные на граничащих дорожках, поэтому необходимо перезаписать и их. Таким образом, при изменении данных на нижней дорожке нужно скорректировать данные на ближайшей наложенной дорожке, потом на следующей, и так далее, пока не будет переписана вся пластина.

По этой причине дорожки SMR-диска объединены в небольшие группы, называемые лентами. Накладываются друг на друга, соответственно, только дорожки в пределах одной ленты. Благодаря такому группированию в случае обновления некоторых данных перезаписывать придется не всю пластину, а лишь ограниченное количество дорожек, что существенно упрощает и ускоряет процесс. Для каждого типа дисков разрабатывается своя архитектура ленты с учетом сферы его применения. Каждая линейка продуктов Seagate рассчитана на определенную сферу применения и конкретные условия работы, и технология SMR позволяет достичь при правильном использовании наилучших результатов.

Seagate SMR - это технология, позволяющая удовлетворить постоянно растущий спрос на дополнительную емкость. На сегодняшний день она активно совершенствуется и в сочетании с другими инновационными методами может быть использована для повышения плотности записи на жестких дисках следующих поколений.

Но прежде всего, необходимо разобраться в некоторых нюансах ее применения.

Выделяют три типа устройств, поддерживающих черепичную запись:

Автономные (Drive Managed)

Работа с этими устройствами не требует никаких изменений в программном обеспечении хоста. Вся логика записи/чтения организована самим устройством. Значит ли, что мы можем просто установить их и расслабиться? Нет.

Диски, в которых реализована Drive Managed технология записи, обычно обладают большим объемом write-back кэша (от 128МБ на диск). При этом последовательные запросы обрабатываются в режиме write-around. Основные сложности, c которыми сталкиваются разработчики устройств и СХД, основанных на данной технологии записи, следующие:

1. Размер кэша лимитирован и по мере его заполнения мы можем получить непредсказуемую производительность устройств.
2. Иногда возникают значительные уровни задержек при интенсивном сбросе кэша.
3. Определение последовательностей - далеко не всегда тривиальная задача, и в сложных случаях мы можем ожидать деградацию производительности.

Основным достоинством данного подхода является полная обратная совместимость устройств с существующими ОС и приложениями. Хорошо понимая вашу задачу, вы можете уже сейчас покупать Drive Managed устройства и получать преимущества от использования технологии. Дальше в статье вы увидите результаты тестирования подобных устройств и сможете определиться, насколько они вам подходят.

Управляемые хостом (Host Managed)

В данных устройствах используется набор расширений к ATA и SCSI для взаимодействия с дисками. Это устройство другого типа (14h), которое требует серьезных изменений во всем Storage Stack и несовместимо с классическими технологиями, то есть без специальной адаптации приложений и операционных систем вы не сможете использовать эти диски. Хост должен выполнять запись на устройства строго последовательно. При этом производительность устройств на 100% предсказуема. Но необходима корректность работы более высокоуровневого ПО для того, чтобы производительность подсистемы хранения была действительно предсказуемой.

Поддерживаемые хостом (Host Aware)

Это гибридные решения, объединяющие преимущества Device Managed и Host Managed технологий. Приобретая такие диски, мы получаем поддержку обратной совместимости с возможностью использования специальных расширений ATA и SCSI для оптимальной работы с SMR-устройствами. То есть мы можем, как просто выполнять запись на устройства, как делали это раньше, так и делать это наиболее оптимальным образом.

Для того, чтобы обеспечить работу с Host Managed и Host Aware устройствами, разрабатывается пара новых стандартов: ZBC и ZAC, которые входят в T10/T13. ZBC является расширение SCSI и ратифицируется T10. Стандарты разрабатываются для SMR дисков, но в будущем могут быть применены и для других устройств.

ZBC/ZAC определяют логическую модель устройств, где основным элементом является зона, которая отображается как диапазон LBA.

Стандарты задают три типа логических зон, на которые разбиты устройства:

1. Conventional zone - зона, с которой мы можем работать традиционным образом, как с обычными жесткими дисками. То есть, можем писать последовательно и случайно.

2. Два типа Write Pointer Zone:

2.1. Sequential write preferred - основной тип зон для Host Aware устройств, отдается предпочтение последовательной записи. Случайная запись на устройства обрабатывается как в Device Managed устройствах и может стать причиной потери производительности.

2.2. Sequential write only - основной тип зон для Host Manged устройств, возможна только последовательная запись. Случайная запись недопустима, при попытках её произвести будет возвращена ошибка.

Каждая зона обладает своим Write Pointer и своим статусом. Для всех устройств, поддерживающих HM тип записи, первый LBA следующей команды записи обязательно должен соответствовать положению Write Pointer. Для HA устройств Write Pointer является информационным и служит для оптимизации работы с диском.

Кроме новой логической структуры в стандартах появляются и новые команды:

REPORT_ZONES является основным методом, благодаря которому можно получить информацию о существующих зонах на устройстве и их статусе. Диск в ответ на эту команду сообщает о существующих зонах, их типах (Conventional, Sequential Write Required, Sequential Write Preferred), состоянии зон, размере, информацию о нахождении Write Pointer.

RESET_WRITE_POINTER является преемником команды TRIM для ZBC устройств. При ее вызове происходит стирание зоны и перемещение Write Pointer на начало зоны.

Для управления статусом зоны используются 3 опциональные команды:

OPEN_ZONE
CLOSE_ZONE
FINISH_ZONE

В VPD страницах появилась новая информация, включая максимальное количество открытых зон, обеспечивающее лучшую производительность и максимальное количество зон, доступных для случайной записи с лучшей производительностью.

Производителям СХД необходимо позаботиться о поддержке устройств HA/HM, внося изменения на всех уровнях стека: библиотеки, планировщики, RAID engine, логические тома, файловые системы.

Кроме того, нужно обеспечить два типа интерфейсов для работы приложений: традиционный интерфейс, организовав массив как device managed устройство, а также реализацию виртуального тома как HOST AWARE устройства. Это необходимо, так как ожидается появление приложений, работающих с HM/HA устройствами напрямую.

В общем виде алгоритм работы с HA устройствами выглядит следующим образом:

1. Определите конфигурацию устройства, использую REPORT_ZONES
2. Определите зоны для случайной записи
2.1. Количество ограничено возможностями устройства
2.2. В этих зонах нет необходимости отслеживать положение Write Pointer
3. Используйте остальные зоны для последовательной записи и используя информацию о положении Write-Pointer и выполняя только последовательную запись
4. Контролируйте количество открытых зон
5. Используйте сборку мусора для высвобождения пула зон

Некоторые техники записи можно применять из имеющихся all-flash СХД, для которых решались проблемы предстательной последовательной записи и сборки мусора.

Компания RAIDIX провела тестирование SMR дисков Seagate у себя в лаборатории и дает несколько рекомендаций по их использованию. Эти диски отличаются тем, что являются Device Managed и не требуют никаких серьезных изменений в работе приложений.

При тестировании была сделана попытка проверить ожидания производительности таких дисков и понять, для чего мы можем их использовать.

В тестах участвовали два диска Seagate Archive HDD объемом 8000GB.
Тестирование выполнялось на операционной системе Debian версии 8.1
CPU Intel i7 c частотой 2,67 MHz
16 GB RAM
Диски имеют интерфейс SATA 3, мы включили контроллер в режим AHCI.

Для начала мы приводим информацию об устройствах, выполнив Inquiry запрос.

Для этого мы использовали набор утилит 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) Peripheral device type: disk
Vendor identification: ATA
Product identification: ST8000AS0002-1NA
Product revision level: AR13
Unit serial number: Z84011LQ

На 83 странице находится VPD.

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

vendor specific: Z84011LQ
Designation descriptor number 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

Ничего особенного мы не увидели. Попытки прочитать информацию о зонах обернулись неудачей.

RAIDIX делает ПО для СХД, работающих в различных индустриях, и мы стремились не использовать специализированные или платные бенчмарки.

Начинаем с того, что проверяем потоковую производительность дисков на внутренних и внешних дорожках. Результаты тестов дадут максимальную ожидаемую производительность устройства и соответствуют в первую очередь таким задачам, как архивирование данных.

Настройки блочной подсистемы мы не трогали. Выполняем тестирование, записывая на диски данные блоками 1 мегабайт. Для этого мы используем бенчмарк fio v.2.1.11.

Джобы (Jobs) отличаются друг от друга только смещением от начала устройства и запускаются один за другим. В качестве библиотеки ввода-вывода выбрана libaio.

Результаты представляются неплохими:

Производительность на внешних и внутренних дорожках отличается практически в 2 раза.
Мы видим периодические провалы производительности. Они не критичны для архивирования, но могут стать проблемой для других задач. При корректной работе write-back кэша СХД мы предполагаем, что не будем наблюдать подобной ситуации. Мы провели схожий опыт, создав массив RAID 0 из обоих дисков, выделив 2ГБ RAM кэша на каждый диск, и не увидели провалов производительности.

При чтении провалов не видно. И последующие тесты покажут, что на операциях чтения SMR диски по производительности ничем не отличаются от обычных.

Теперь мы проведем более интересные тесты. Запустим 10 потоков c разными offset одновременно. Это мы делаем для того, чтобы проверить корректность буферизации и посмотреть, как диски будут работать на задачах CCTV, Video Ingest и подобных.
На графиках приведена суммарная производительность по всем работам:

Диск неплохо справился с нагрузкой!

Производительность держится на уровне 90 МБ/с, равномерно распределена по потокам, и не наблюдается серьезных провалов. График на чтение абсолютно аналогичен, только приподнят на 20 МБ. Для хранения и раздачи видеоконтента, обмена большими файлами производительность подходящая и практически не отличается от производительности обычных дисков.

Как и ожидалось, диски неплохо показали себя на операциях потоковых чтения и записи, а работа в несколько потоков стала для нас приятным сюрпризом.

Переходим к «случайным» чтению и записи. Посмотрим, как диски поведут себя в классических задачах предприятий: хранение файлов СУБД, виртуализация и пр. Кроме того, в «случайные» операции подпадают частая работа с метаданными и, например, включённая дедупликация на массиве.

Тестирование мы проводим блоками 16 килобайт и по-прежнему верны fio.
В тесте мы настроили несколько джобов с разной глубиной очереди, но полностью результаты приводить не будем. Показательно только начало теста.

Первые 70,5 секунд мы видим нереальные для жесткого диска 2500 IOps. При этом происходят частые провалы. Видимо, в этот момент происходит запись в буфер и его периодический сброс. Потом происходит резкое падение до 3 IOps, которые держатся до конца теста.

Если подождать несколько минут, то после того, как сбросится кэш, ситуация повторится.

Можно ожидать, что при наличии небольшого числа случайных операций диск будет вести себя неплохо. Но если мы ожидаем интенсивную нагрузку на устройство, лучше воздержаться от использования SMR дисков. RAIDIX рекомендует при возможности выносить всю работу с метаданными на внешние устройства.

А что же со случайным чтением?
В этом тесте мы ограничили время отклика 50 мс. Наши устройства справляются неплохо.

Чтение оказывается в промежутке 144-165 IOPs. Сами числа неплохи, но немного пугает разброс в 20 IOPs. Ориентируйтесь на нижнюю границу. Результат неплохой, на уровне классических дисков.

Несколько изменим подход. Давайте еще взглянем на работу с большим количеством файлов.
С этим нам поможет утилита frametest от SGI. Этот бенчмарк создан для проверки производительности СХД при выполнении монтажа несжатого видео. Каждый фрейм является отдельным файлом.

Мы создали файловую систему xfs и смонтировали ее со следующими параметрами:
-o noatime,nodiratime,logbufs=8,logbsize=256k,largeio,inode64,swalloc,allocsize=131072k,nobarrier

Запускаем frametest со следующими параметрами:

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

Бенчмарк создает 2000 файлов размером 8МБ.

Начало теста проходит неплохо:

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

Но после записи 1500 фреймов ситуация значительно ухудшается:

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

Проведем тест на чтение:

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

В течение всего теста производительность отличная:

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

Сейчас ведется работа над специализированными файловыми системами для SMR дисков.
Seagate разрабатывает основанную на ext4 SMR_FS-EXT4. Можно обнаружить несколько log-structured файловых систем, спроектированных специально для Device Managed SMR дисков, но ни одну из них нельзя назвать зрелым, рекомендуемым к внедрению продуктом. Также Seagate ведется разработка поддерживаемой хостом (Host Aware) версии SMR диска, которая должна быть завершена до конца года.

Какие мы можем сделать выводы по результатам замеров производительности?
Device Managed устройства можно смело использовать для задач, не отличающихся интенсивной записью. Они очень неплохо справляются с задачами однопоточной и многопоточной записи. Для чтения данных они подходят отлично. Периодические “случайные” запросы к дискам при обновлении метаданных поглощаются большим кэшем.

Для решения задач, отличающихся интенсивной “случайной” записью или обновлением большого количества файлов такие устройства не очень подходят, как минимум, без использования дополнительных технических средств.

Параметр MTBF протестированных дисков составляет 800 000 часов, что в 1,5 раза ниже, чем у, например, NAS-дисков. Большой объем дисков значительно увеличивает время восстановления и делает практически невозможным регулярный media-скан. Мы рекомендуем при проектировании хранилища с такими дисками полагаться на RAID с количеством parity, большим чем 2 и/или подходах позволяющих сократить время восстановления (Например, Parity Declustering).

Судьба сегмента жестких дисков в течение последних лет, казалось, была ясна. Для повышения емкости магнитных носителей производители сосредоточили свои разработки на технологии термоассистируемой магнитной записи (HAMR), использующей лазер для локального нагревания.

Ассоциация SNIA настолько однозначно определила роль этой технологии, что до последнего все крупномасштабные презентации строились вокруг стандарта HAMR. Поэтому, когда Western Digital недавно объявила, что в будущем полностью перейдет на магнитную запись с использованием микроволнового излучения (MAMR - микроволновая магнитная запись), всеобщее изумление было безграничным.

Облачная жажда памяти

Потребительский сектор на эту дискуссию может отреагировать с удивлением. Практически все хорошие ноутбуки и в настоящее время выпускаются с SSD, а для мобильных устройств накопители HDD и так не имели значения. Но вместе с тем для крупных компаний твердотельные накопители редко когда представляют собой хорошую альтернативу жестким дискам. Для корпоративных клиентов исключительную важность имеет количество петабайтов, которые можно уместить в серверной стойке наименее затратным образом. Твердотельные же накопители используются прежде всего для выполнения задач, требующих очень частого обращения к памяти.

Будущее жестких дисков
Компания Western Digital намерена в течение нескольких лет выпустить на рынок жесткие диски емкостью до 40 Тбайт - с технологией MAMR, основанной на излучении микроволн, и гелиевым заполнением корпусов дисков прогноз вполне реалистичный.

Для сервисов архивов особый интерес представляют недорогие жесткие ­диски большой емкости. «Постоянные» данные - это те данные, которые должны быть сохранены, несмотря на вероятность того, что доступ к ним никогда не понадобится (счета-фактуры пятилетней давности, налоговая документация), и которые компании должны держать где-нибудь на своих серверах или в облаке.

Другими словами, для производителей жестких дисков перспективы рисуются по-прежнему радужные. Но на безоблачное небо надвигаются мрачные тучи: технология магнитной записи в настоящее время физически достигает пределов своих возможностей.

Слева — MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Генератор спинового момента излучает микроволны рядом с головкой. Возникающий резонанс усиливает магнитное поле. В итоге создается поле более высокой напряженности, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер области, хранящей один бит.

Справа — HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). Технология, суть которой - в быстром нагреве лазером пластины HDD. Чтобы получить ту же плотность записи, что и с MAMR, нужно не такое большое магнитное поле. Но технология требует значительных ресурсов и не соответствует Plug and Play.

Жесткие диски состоят из ряда наложенных друг на друга металлических пластин, на каждой из которых есть своя считывающая и записывающая головка. Она отвечает за запись, чтение и удаление битов с пластины. Чем больше битов можно записать на пластину, тем больше емкость диска.

Но размеры областей, хранящих отдельные биты, невозможно произвольно уменьшать, поскольку когда-нибудь плотность записи повысится настолько, что носители отдельных битов поменяют или потеряют направление намагниченности. Именно поэтому метод продольной записи (LRS) был заменен на более эффективный метод перпендикулярной магнитной записи (PMR). Образно говоря, носители битов, которые ранее лежали, подняли в вертикальное положение, перпендикулярно плоскости пластины, что позволило повысить плотность записи до достижения эффекта суперпарамагнетизма.

Дорожки, наложенные в виде черепицы

Но ресурсы PMR тоже исчерпаемы. Два года назад был представлен метод черепичной магнитной записи (SMR), позволяющий еще увеличить плотность хранения данных. Дорожки записываются, частично перекрывая друг друга в пределах одной группы. Метод возможен благодаря тому, что считывающая головка жесткого диска меньше в размерах, чем записывающая.

Но если нужно перезаписать диск, сначала считывается целая лента дорожек, данные с них сохраняются в промежуточном буфере, а затем лента дорожек записывается заново. Это обстоятельство - аргумент в пользу того, что технология SMR идеально применима к жестким дискам для архивного хранения данных, которые будут редко перезаписываться.

Больше пластин благодаря гелию

Для повышения емкости также предпринимаются попытки увеличить количество пластин, однако и это становится реальным только при определенных условиях. Из-за возникновения трения между пластиной и считывающей головкой расстояние между дисками невозможно сокращать до бесконечности.

В настоящее время в используется до пяти-шес­ти пластин. Корпус дисков тоже нельзя произвольно менять. Решение нашлось: корпус заполняется гелием. В настоящее время производители применяют этот метод для жестких дисков емкостью 14 Тбайт. Гелий, закачанный в корпус, уменьшает трение компонентов диска, но требует хорошей, а значит, и достаточно дорогой герметизации.

Уплотнение записи с помощью ­микроволн

Для изменения магнитного состояния пластины требуется некоторая энергия магнитного поля, которая в конечном итоге определяет размер области, хранящей один бит. При использовании технологии HAMR лазер перед записью нагревает соответствующую область пластины до 400–700 °C, благодаря чему снижается коэрцитивная сила материала и становится возможным уменьшить размер области бита. Но эта технология требует много ресурсов, а также адаптации ПО.

Суть же MAMR состоит в следующем. Магнитная головка оснащена генератором спинового момента, который излучает микроволны. В результате возникает эффект резонанса, усиливающий магнитное поле головки, необходимое для записи. Высокая напряженность магнитного поля позволяет головке намагничивать более короткие отрезки. Температура пластины при этом не превышает комнатную - она не подвергается термическому воздействию.

Western Digital рассчитывает, что технология MAMR в сочетании с SMR и гелиевым наполнением корпусов позволит выпускать недорогие жесткие диски, к тому же соответствующие Plug and Play. Выход на рынок дисков емкостью до 40 Тбайт анонсирован на 2019 год.

При черепичной магнитной записи (SMR) на жесткий диск дорожки размещаются друг над другом, подобно черепице на крыше. Это позволяет повысить плотность записи. Увеличивается количество дорожек на дюйм (TPI). При перпендикулярной магнитной записи (PMR), используемой в большинстве современных дисков, данные размещаются на параллельных дорожках. Увеличение TPI путем уменьшения расстояния между дорожками благодаря технологии SMR открывает огромный простор для роста емкости жестких дисков. Конечный продукт физически выглядит и ведет себя как обычный жесткий диск с PMR, но при этом имеет большую емкость.

Проблемы с масштабированием PMR

Инженеры сталкиваются с трудностями увеличения ёмкости жестких дисков, выполненных по технологии PMR, из-за физических ограничений в процессе записи. При росте плотности записи уменьшается размер битов на поверхности дисковой пластины. Для поддержания приемлемого соотношения сигнал/шум при чтении производители должны уменьшать магнитные элементы на поверхности носителя. Энергия, необходимая для изменения состояния бита, снижается, поэтому бит может самопроизвольно изменить состояние под действием тепла, что приведет к потере записанной на накопитель информации. Для повышения уровня энергии, необходимой для изменения состояния бита, подбираются материалы с большим значением коэрцитивности, то есть способности удержания магнетизма у постоянных магнитов. Таким образом снижается риск изменения состояния каждого бита, то есть сохраняется информация. Однако при увеличении плотности записи уменьшается и головка диска. Чем головка меньше, тем с меньшей энергией она воздействует на каждый бит, поэтому при постоянном увеличении плотности записи в определенный момент энергии головки оказалось недостаточно для записи на диск.

Влияние SMR

Технология SMR решает проблему без уменьшения размеров записывающей головки. На самом деле в SMR дисках ее делают даже больше, чем в накопителях PMR. Чем больше записывающая головка диска, тем эффективнее она воздействует на биты без снижения надежности хранения и читаемости данных.

Изображения ниже помогут понять разницу между PMR и SMR. Как уже говорилось, дорожки на дисках с PMR расположены параллельно друг другу:

SMR-дорожки частично перекрывают друг друга. При этом записывающая головка имеет ту же ширину что и PMR, а читающая – немного меньше.

Большая ширина записывающей головки дает не только преимущества. При записи широкая головка перезаписывает данные на соседних с изменяемой дорожках, поэтому для надежного хранения необходима перезапись данных до конца пластины. Чтобы избежать лишней перезаписи, дорожки SMR дисков объединяются в небольшие группы, называемые лентами. Благодаря такому объединению при изменении данных необходимо переписать не весь диск, а только несколько сгруппированных в ленту дорожек.

Seagate Technology начала поставки жёстких дисков с черепичной технологией записи (shingled magnetic recording, SMR) примерно два года назад. За этот срок компания продала примерно четыре миллиона соответствующих накопителей, что едва ли составляет один процент от всех HDD компании, поставленных за это время. Тем не менее, Seagate позитивно относится к данным устройствам и возлагает большие надежды на SMR.

Черепичная технология магнитной записи увеличивает плотность записи на пластинах на величину порядка 25 % за счёт частичного перекрытия дорожками друг друга. Перекрывающиеся дорожки замедляют процесс записи, поскольку в ходе записи одной дорожки приходится перезаписывать содержимое дорожек, располагающихся рядом (точнее, в одной группе дорожек, которая называется band). Чтобы скомпенсировать низкую скорость записи на жёстких дисках с SMR-пластинами, производителям накопителей приходится создавать специальные микропрограммы, которые оптимизируют операции последовательной записи. Альтернативно операционная система и/или приложения, использующие жёсткие диски, должны понимать, что имеют дело с SMR-винчестером и делать операции последовательной записи лишь в некоторых областях жёстких дисков.

Так или иначе, жёсткие диски, использующие технологию черепичной записи, медленнее, чем HDD, которые используют технологию перпендикулярной записи. Поскольку жёсткие диски максимального объёма требуются в первую очередь центрам обработки данных, то подобные ограничения производительности вполне допустимы. Тем не менее, ЦОД, которые начинают использовать SMR-винчестеры, чтобы увеличить объёмы хранения данных, вынуждены дорабатывать собственное программное обеспечение, что замедляет распространение подобных HDD.

Хотя использование винчестеров с SMR-пластинами имеет ряд особенностей, до тех пор, пока жёсткие диски на базе технологий TDMR (двухмерная технология записи) и HAMR (термомагнитная технология записи) не появятся на рынке, жёсткие диски на основе SMR-пластин будут развиваться. К настоящему моменту Seagate уже научилась скрывать недостатки технологии черепичной записи для ЦОД-приложений.

«Мы поставили около четырёх миллионов «черепичных» жёстких дисков», — сказал Дейв Мосли (Dave Mosley), исполнительный вице-президент по операциям и технологиям в Seagate, во время встречи с инвесторами и финансовыми аналитиками. «Мы рассматриваем это как очень успешное достижение, потому что мы узнали массу информации о приложениях наших клиентов. Мы готовы скрывать недостатки черепичной технологии записи при помощи многоуровневых систем хранения данных, систем кеширования и т. п., [так, что нашим клиентам] не придётся делать тяжёлых изменений в их программах».

Seagate работает со своими клиентами, которые хотят настроить приложения под «черепичные» жёсткие диски, но компания также постоянно работает над собственными микропрограммами, способными скрыть особенности SMR в случаях, когда изменения приложений затруднительны или невозможны.

«Мы очень довольны прогрессом, который мы сделали [с SMR накопителями], мы поставляем «черепичные» жёсткие диски для разных платформ и готовы расширить их производство в 2016 году», — сказал господин Мосли.

В дополнение к жёстким дискам для архивирования данных (серия Seagate Archive), Seagate уже применяет пластины с черепичной технологией записи внутри клиентских внешних и мобильных накопителей (продающихся под марками Samsung и Seagate) и планирует использовать SMR для других жёстких дисков. Поскольку клиентские операционные системы и приложения не изменятся в одночасье, компании придётся разрабатывать специальную архитектуру жёстких дисков для персональных компьютеров, которая будет учитывать особенности черепичной технологии и нивелировать низкую скорость записи системами кеширования и расположения данных на магнитных пластинах.