Waarom harde schijven nog lang bij ons zullen blijven. MAMR: een nieuwe benadering van gegevensregistratie

De wereld wordt mobieler en mensen eisen meer capaciteit van de apparaten die ze gebruiken om digitale informatie te creëren en te openen. Analisten van Seagate voorspellen dat er in 2015 een vertwintigvoudige toename zal zijn van het aantal huishoudens dat minstens 1 TB aan data per maand creëert – opgenomen en bekeken streaming video, foto's, muziek, enz. 1

Ooit was Seagate een van de eersten die een drive op de markt bracht die loodrechte opnametechnologie ondersteunde. Dankzij deze technologie kon het bedrijf in 2007 schijfplatters ontwikkelen met een capaciteit tot 250 GB (®-serie). Vijf jaar later zorgde dezelfde technologie ervoor dat de schijf een recordaantal nummers per inch kon bevatten en de opnamedichtheid kon worden verhoogd tot 1 TB per platter. Maar zelfs zo’n uitzonderlijke capaciteit (1 TB per schijf, wat een totaal van 4 TB per schijf oplevert) wordt door moderne gebruikers niet langer als voldoende beschouwd.

Basisprincipes van Seagate SMR-technologie
Seagate SMR-technologie (Shingled Magnetic Recording) tilt de opnamedichtheid naar een nieuw niveau en verhoogt de schijfcapaciteit met 25% door het aantal tracks per inch per platter te verhogen.

Bij gebruik van traditionele technologieën worden de breedte van de sporen en de afstand daartussen bepaald door de afmetingen van de lees- en schrijfelementen op de schijfkop (Fig. 1).

Rijst. 1. Traditionele spoorscheidingsmethode.

De technologische lees- en schrijfelementen in moderne harde schijven op basis van loodrechte magnetische opname hebben de limiet van hun mogelijkheden bereikt. Binnen het raamwerk van de bestaande technologieën is een verdere verkleining van de omvang van zowel deze elementen als de sporen waarop ze lezen en schrijven onmogelijk.

Met SMR-technologie kunt u de opnamedichtheid verhogen door de afstand tussen de tracks te verkleinen. De sporen worden op elkaar gestapeld, als dakspanen op een dak, waardoor er meer gegevens in dezelfde ruimte kunnen worden vastgelegd. Wanneer er nieuwe data worden geschreven, overlappen de tracks elkaar gedeeltelijk, of worden ze ‘afgekapt’. Vanwege het feit dat het leeselement op de schijfkop kleiner is dan het schrijfelement, kan het zelfs gegevens lezen van een afgeknot spoor zonder de integriteit en betrouwbaarheid ervan te schenden. Bovendien kan bij betegelde magnetische opname eenvoudig gebruik worden gemaakt van traditionele soorten lees- en schrijfelementen. Dankzij dit zal de productie van een nieuw product geen aanzienlijke investeringen vergen, wat betekent dat het niet nodig is om de prijs te verhogen van harde schijven die de nieuwe technologie ondersteunen.

Rijst. 2. Volg scheiding met behulp van SMR-technologie

Het volgende probleem houdt echter verband met SMR-technologie: als u een deel van de informatie moet herschrijven of bijwerken, zult u niet alleen het vereiste fragment moeten herschrijven, maar ook de gegevens op volgende tracks. Omdat het opname-element breder is dan het niet-overlappende gebied van de track, is het vangt ook data op aangrenzende tracks, wat betekent dat u deze later ook zult moeten overschrijven (Fig. 3). Wanneer u dus de data op de onderste track wijzigt, moet u de data op de dichtstbijzijnde overlappende track aanpassen, vervolgens op de volgende, enzovoort, totdat de hele plaat is herschreven.

Rijst. 3. Het opname-element overlapt overlappende tracks

Om deze reden zijn de tracks op een SMR-schijf georganiseerd in kleine groepen die tapes worden genoemd. Dienovereenkomstig overlappen alleen de nummers binnen één band elkaar (Fig. 4). Dankzij deze groepering hoeft, als sommige gegevens worden bijgewerkt, niet de hele plaat herschreven te worden, maar slechts een beperkt aantal nummers, wat het proces aanzienlijk vereenvoudigt en versnelt.

Rijst. 4. Tapestructuur op een SMR-schijf

Voor elk type schijf wordt een eigen tape-architectuur ontwikkeld, rekening houdend met de reikwijdte van de toepassing ervan. Elke Seagate-productlijn is ontworpen voor een specifieke toepassing en werkomgeving, en met de SMR-technologie kunt u voor deze toepassingen de beste resultaten behalen.

Opsommen
Seagate SMR is een effectieve technologie om te voldoen aan de steeds toenemende vraag naar extra capaciteit. SMR-technologie wordt momenteel actief verbeterd en kan, in combinatie met andere innovatieve methoden, worden gebruikt om de opnamedichtheid op harde schijven van de volgende generatie te vergroten.

Seagate en zijn partners blijven de magnetische opnamemethode testen en verbeteren om ten volle te profiteren van de voordelen ervan voor verschillende typen schijven. Seagate-experts zijn al leidende leden van werkgroepen die de meest effectieve manieren om SMR-technologie te gebruiken moeten standaardiseren.

In 2014 introduceerde Seagate zijn volgende innovatieve ontwikkeling - de eerste ter wereld, waardoor hun capaciteit al in de eerste generatie 25% hoger is dan de capaciteit van traditionele oplossingen. De introductie van SMR-technologie zal Seagate-ontwikkelaars in staat stellen de architectuur van bestaande schijven te verbeteren, waardoor hun aankoop vanuit economisch oogpunt winstgevender wordt.

1 Seagate-marktonderzoek, augustus 2013

Tegenwoordig groeit de datagroei per persoon exponentieel, en bedrijven die opslagoplossingen voor deze data aanbieden, streven ernaar al het mogelijke te doen om de beschikbare capaciteit van hun apparaten te vergroten. Seagate SMR-technologie (Shingled Magnetic Recording) verhoogt de opnamedichtheid, waardoor de schijfcapaciteit met 25% toeneemt. Dit is mogelijk door het aantal tracks op elke plaat te vergroten en de afstand ertussen te verkleinen. De tracks zijn op elkaar gestapeld (zoals dakspanen op een dak), waardoor er meer gegevens kunnen worden opgenomen zonder het platteroppervlak te vergroten. Wanneer er nieuwe data worden geschreven, overlappen de tracks elkaar gedeeltelijk, of worden ze ‘afgekapt’. Vanwege het feit dat het leeselement op de schijfkop kleiner is dan het schrijfelement, kan het zelfs gegevens lezen van een afgeknot spoor zonder de integriteit en betrouwbaarheid ervan te schenden.

Het volgende probleem houdt echter verband met SMR-technologie: om informatie te herschrijven of bij te werken, is het noodzakelijk om niet alleen het vereiste fragment te herschrijven, maar ook de gegevens op de laatste nummers. Omdat het opname-element breder is, legt het data op aangrenzende tracks vast, dus het is noodzakelijk om deze ook te overschrijven. Als u dus de data op de onderste track wijzigt, moet u de data op de dichtstbijzijnde overlappende track aanpassen, vervolgens op de volgende, enzovoort, totdat de hele plaat is herschreven.

Om deze reden zijn de tracks op een SMR-schijf georganiseerd in kleine groepen die tapes worden genoemd. Dienovereenkomstig overlappen alleen nummers binnen dezelfde band elkaar. Dankzij deze groepering hoeft, als sommige gegevens worden bijgewerkt, niet de hele plaat herschreven te worden, maar slechts een beperkt aantal nummers, wat het proces aanzienlijk vereenvoudigt en versnelt. Voor elk type schijf wordt een eigen tape-architectuur ontwikkeld, rekening houdend met de reikwijdte van de toepassing ervan. Elke Seagate-productlijn is ontworpen voor een specifieke toepassing en werkomgeving, en met de SMR-technologie kunt u de beste resultaten behalen als u deze op de juiste manier gebruikt.

Seagate SMR is een technologie die helpt te voldoen aan de steeds toenemende vraag naar extra capaciteit. Tegenwoordig wordt het actief verbeterd en kan het, in combinatie met andere innovatieve methoden, worden gebruikt om de opnamedichtheid op harde schijven van de volgende generatie te vergroten.

Maar eerst en vooral is het noodzakelijk om enkele nuances van de toepassing ervan te begrijpen.

Er zijn drie typen apparaten die tegelopnamen ondersteunen:

Autonoom (Drive-beheerd)

Voor het gebruik van deze apparaten zijn geen wijzigingen aan de hostsoftware vereist. Alle schrijf-/leeslogica wordt door het apparaat zelf georganiseerd. Betekent dit dat we ze gewoon kunnen installeren en ontspannen? Nee.

Schijven die Drive Managed-opnametechnologie implementeren, hebben doorgaans een grote terugschrijfcache (vanaf 128 MB per schijf). In dit geval worden opeenvolgende verzoeken verwerkt in de write-around-modus. De belangrijkste problemen waarmee ontwikkelaars van apparaten en opslagsystemen op basis van deze opnametechnologie worden geconfronteerd, zijn de volgende:

1. De cachegrootte is beperkt en naarmate deze vol raakt, kunnen we onvoorspelbare apparaatprestaties krijgen.
2. Tijdens intensieve cache-flushes worden soms aanzienlijke latentieniveaus ervaren.
3. Het bepalen van reeksen is niet altijd een triviale taak, en in complexe gevallen kunnen we prestatievermindering verwachten.

Het belangrijkste voordeel van deze aanpak is de volledige achterwaartse compatibiliteit van apparaten met bestaande besturingssystemen en applicaties. Als u uw taak goed begrijpt, kunt u nu Drive Managed-apparaten kopen en profiteren van het gebruik van de technologie. Verderop in het artikel ziet u de resultaten van het testen van dergelijke apparaten en kunt u beslissen hoe geschikt ze voor u zijn.

Host beheerd

Deze apparaten gebruiken een reeks uitbreidingen op ATA en SCSI om met schijven te communiceren. Dit is een ander type apparaat (14 uur) dat grote veranderingen aan de gehele Storage Stack vereist en niet compatibel is met klassieke technologieën, wat betekent dat u deze schijven niet kunt gebruiken zonder speciale aanpassing van applicaties en besturingssystemen. De host moet strikt opeenvolgend naar apparaten schrijven. Tegelijkertijd zijn de prestaties van de apparaten 100% voorspelbaar. Maar de software op een hoger niveau moet correct werken om ervoor te zorgen dat de prestaties van het opslagsubsysteem echt voorspelbaar zijn.

Gastheer bewust

Dit zijn hybride oplossingen die de voordelen van Device Managed en Host Managed technologieën combineren. Door dergelijke schijven aan te schaffen, ontvangen we ondersteuning voor achterwaartse compatibiliteit met de mogelijkheid om speciale ATA- en SCSI-extensies te gebruiken voor een optimale werking met SMR-apparaten. Dat wil zeggen dat we eenvoudigweg kunnen opnemen op apparaten, zoals we eerder deden, en dit op de meest optimale manier.

Om het werken met Host Managed en Host Aware-apparaten te garanderen, worden een paar nieuwe standaarden ontwikkeld: ZBC en ZAC, die zijn opgenomen in T10/T13. ZBC is een SCSI-extensie en wordt bekrachtigd door T10. De standaarden worden ontwikkeld voor SMR-schijven, maar kunnen in de toekomst ook op andere apparaten worden toegepast.

ZBC/ZAC definiëren een logisch apparaatmodel waarbij het kernelement een zone is, die wordt toegewezen als een LBA-bereik.

De normen specificeren drie soorten logische zones waarin apparaten zijn verdeeld:

1. Conventionele zone - een zone waarmee we op de traditionele manier kunnen werken, zoals met conventionele harde schijven. Dat wil zeggen dat we opeenvolgend en willekeurig kunnen schrijven.

2. Twee soorten schrijfwijzerzones:

2.1. Sequentieel schrijven heeft de voorkeur - het belangrijkste type zones voor Host Aware-apparaten heeft de voorkeur; Willekeurige schrijfbewerkingen naar apparaten worden behandeld als apparaatbeheerde apparaten en kunnen prestatieverlies veroorzaken.

2.2. Alleen sequentieel schrijven - het hoofdtype zones voor door de host beheerde apparaten is alleen sequentieel schrijven mogelijk; Per ongeluk opnemen is niet toegestaan; pogingen daartoe zullen een fout opleveren.

Elke zone heeft zijn eigen schrijfwijzer en zijn eigen status. Voor alle apparaten die het HM-schrijftype ondersteunen, moet de eerste LBA van het volgende schrijfcommando overeenkomen met de positie van de Write Pointer. Voor HA-apparaten is Write Pointer informatief en dient om het schijfwerk te optimaliseren.

Naast de nieuwe logische structuur verschijnen er nieuwe commando's in de standaarden:

REPORT_ZONES is de belangrijkste methode waarmee u informatie kunt verkrijgen over bestaande zones op het apparaat en hun status. Als reactie op deze opdracht rapporteert de schijf over bestaande zones, hun typen (conventioneel, sequentieel schrijven vereist, sequentieel schrijven voorkeur), zonestatus, grootte en informatie over de locatie van de schrijfaanwijzer.

RESET_WRITE_POINTER is de opvolger van de TRIM-opdracht voor ZBC-apparaten. Wanneer er gebeld wordt, wordt de zone gewist en wordt de schrijfwijzer naar het begin van de zone verplaatst.

Om de zonestatus te controleren, worden 3 optionele commando’s gebruikt:

OPEN_ZONE
SLUIT_ZONE
FINISH_ZONE

De VPD-pagina's bevatten nu nieuwe informatie, waaronder het maximale aantal zones dat open is voor betere prestaties en het maximale aantal zones dat beschikbaar is voor willekeurige schrijfbewerkingen voor betere prestaties.

Opslagleveranciers moeten zorgen voor de ondersteuning van HA/HM-apparaten door wijzigingen aan te brengen op alle niveaus van de stapel: bibliotheken, planners, RAID-engines, logische volumes, bestandssystemen.

Bovendien is het noodzakelijk om twee soorten interfaces te bieden voor de werking van applicaties: een traditionele interface, waarbij de array wordt georganiseerd als een apparaatbeheerd apparaat, evenals de implementatie van een virtueel volume als een HOST AWARE-apparaat. Dit is nodig omdat er naar verwachting applicaties zullen verschijnen die rechtstreeks met HM/HA-apparaten werken.

Over het algemeen is het algoritme voor het werken met HA-apparaten als volgt:

1. Definieer de apparaatconfiguratie met REPORT_ZONES
2. Definieer gebieden voor willekeurige opname
2.1. Aantal beperkt door apparaatmogelijkheden
2.2. In deze zones is het niet nodig om de positie van de schrijfwijzer te volgen
3. Gebruik de resterende zones voor sequentieel schrijven en gebruik van de positie-informatie van de Write-Pointer en voer alleen sequentieel schrijven uit
4. Beheers het aantal open gebieden
5. Gebruik Garbage Collection om de zonepool vrij te geven

Sommige opnametechnieken kunnen worden gebruikt vanuit bestaande all-flash-opslagsystemen, waarvoor de problemen van prostaatsequentiële opname en garbagecollection zijn opgelost.

RAIDIX heeft Seagate SMR-schijven in zijn laboratorium getest en doet verschillende aanbevelingen voor het gebruik ervan. Deze schijven onderscheiden zich doordat ze Device Managed zijn en geen grote veranderingen in de werking van applicaties vereisen.

Het testen was een poging om de prestatieverwachtingen van dergelijke schijven te testen en te begrijpen waarvoor we ze zouden kunnen gebruiken.

Bij de tests waren twee Seagate Archive HDD's met een capaciteit van 8000 GB betrokken.
Er zijn tests uitgevoerd op het Debian-besturingssysteem versie 8.1
CPU Intel i7 met een frequentie van 2,67 MHz
16 GB RAM
De schijven hebben een SATA 3-interface; we hebben de controller in AHCI-modus ingeschakeld.

Om te beginnen verstrekken wij informatie over de apparaten door een onderzoeksverzoek uit te voeren.

Hiervoor hebben we de set hulpprogramma's sg3-utils gebruikt.

sg_inq /dev/sdb
standaard AANVRAAG:
PQual=0 Device_type=0 RMB=0 versie=0x05
NormACA=0 HiSUP=0 Resp_data_format=2
SCCS=0 ACC=0 TPGS=0 3PC=0 Beveiligen=0 BQue=0
EncServ=0 MultiP=0 Addr16=0
WBus16=0 Sync=0 Gekoppeld=0 CmdQue=0
lengte=96 (0x60) Type randapparaat: schijf
Leveranciersidentificatie: ATA
Productidentificatie: ST8000AS0002-1NA
Productrevisieniveau: AR13
Serienummer van het apparaat: Z84011LQ

Op pagina 83 staat de VPD.

sg_inq /dev/sdb -p 0x83
VPD-ONDERZOEK: pagina Apparaatidentificatie
Benaming descriptor nummer 1, descriptorlengte: 24
designator_type: leverancierspecifiek, code_set: ASCII

leverancierspecifiek: Z84011LQ
Benaming descriptor nummer 2, descriptorlengte: 72
designator_type: T10-leveranciersidentificatie, code_set: ASCII
geassocieerd met de geadresseerde logische eenheid
leverancier-ID: ATA
leverancierspecifiek: ST8000AS0002-1NA17Z Z84011LQ

Wij hebben niets bijzonders gezien. Pogingen om informatie over de zones te lezen, bleken niet succesvol.

RAIDIX maakt software voor opslagsystemen die in verschillende sectoren actief zijn, en we hebben ernaar gestreefd geen gespecialiseerde of betaalde benchmarks te gebruiken.

We beginnen met het controleren van de streamingprestaties van schijven op interne en externe tracks. De testresultaten geven de maximaal verwachte prestaties van het apparaat en komen voornamelijk overeen met taken zoals gegevensarchivering.

We hebben de instellingen van het bloksubsysteem niet aangeraakt. We voeren tests uit door gegevens naar schijven te schrijven in blokken van 1 megabyte. Hiervoor gebruiken we de fio v.2.1.11 benchmark.

Taken verschillen alleen van elkaar in hun offset vanaf het begin van het apparaat en worden na elkaar gestart. libaio is geselecteerd als de I/O-bibliotheek.

De resultaten lijken redelijk goed:

De prestaties op externe en interne tracks verschillen bijna 2 keer.
We zien af ​​en toe een dip in de prestaties. Ze zijn niet essentieel voor archivering, maar kunnen een probleem vormen voor andere taken. Als de terugschrijfcache van het opslagsysteem correct werkt, gaan we ervan uit dat we een dergelijke situatie niet zullen waarnemen. We hebben een soortgelijke test uitgevoerd door een RAID 0-array van beide schijven te maken, 2 GB RAM-cache aan elke schijf toe te wijzen, en we zagen geen prestatieverlies.

Bij het lezen zijn de gaten niet zichtbaar. En daaropvolgende tests zullen aantonen dat de prestaties van SMR-schijven bij leesbewerkingen niet verschillen van gewone.

Nu zullen we interessantere tests uitvoeren. Laten we tegelijkertijd 10 threads met verschillende offsets lanceren. We doen dit om de juistheid van de buffering te controleren en om te zien hoe de schijven zullen werken bij CCTV, Video Ingest en soortgelijke taken.
De grafieken tonen de totale productiviteit voor alle banen:

De schijf kon de belasting goed aan!

De prestaties blijven op 90 MB/s, gelijkmatig verdeeld over de threads, en er zijn geen grote dalingen. Het leesschema is absoluut hetzelfde, alleen verhoogd met 20 MB. Voor het opslaan en distribueren van video-inhoud en het uitwisselen van grote bestanden zijn de prestaties geschikt en verschillen ze praktisch niet van de prestaties van conventionele schijven.

Zoals verwacht presteerden de schijven goed bij het streamen van lees- en schrijfbewerkingen, en het werken in meerdere threads was een aangename verrassing voor ons.

Laten we verder gaan met “willekeurig” lezen en schrijven. Laten we eens kijken hoe de schijven zich gedragen bij klassieke bedrijfstaken: het opslaan van DBMS-bestanden, virtualisatie, enz. Bovendien omvatten "willekeurige" bewerkingen veelvuldig werken met metadata en bijvoorbeeld het inschakelen van deduplicatie op de array.

We voeren tests uit in blokken van 16 kilobyte en fio is nog steeds correct.
In de test hebben we verschillende taken met verschillende wachtrijdieptes geconfigureerd, maar we zullen niet de volledige resultaten presenteren. Alleen het begin van de test is indicatief.

De eerste 70,5 seconden zien we een onrealistische 2500 IOps voor een harde schijf. In dit geval treden er regelmatig storingen op. Blijkbaar wordt er op dit moment naar de buffer geschreven en periodiek gereset. Vervolgens is er een scherpe daling naar 3 IOps, die aanhoudt tot het einde van de test.

Als u een paar minuten wacht, herhaalt de situatie zich nadat de cache is gereset.

Met een klein aantal willekeurige bewerkingen kunt u ervan uitgaan dat de schijf goed presteert. Maar als we een intense belasting van het apparaat verwachten, is het beter om af te zien van het gebruik van SMR-schijven. RAIDIX raadt aan om, indien mogelijk, al het werk met metadata op externe apparaten uit te voeren.

Hoe zit het met willekeurig lezen?
In deze test hebben we de responstijd beperkt tot 50 ms. Onze apparaten doen het goed.

De aflezing lijkt binnen het bereik van 144-165 IOP's te liggen. De cijfers op zich zijn niet slecht, maar de spreiding van 20 IOP’s is een beetje beangstigend. Focus op de onderrand. Het resultaat is niet slecht, vergelijkbaar met klassieke schijven.

Laten we de aanpak een beetje veranderen. Laten we nog eens kijken naar het werken met een groot aantal bestanden.
Het frametest-hulpprogramma van SGI zal ons hierbij helpen. Deze benchmark is gemaakt om de prestaties van het opslagsysteem te testen bij het bewerken van ongecomprimeerde video. Elk frame is een afzonderlijk bestand.

We hebben een xfs-bestandssysteem gemaakt en dit met de volgende parameters aangekoppeld:
-o noatime,nodiratime,logbufs=8,logbsize=256k,largeio,inode64,swalloc,allocsize=131072k,geenbarrière

We voeren frametest uit met de volgende parameters:

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

De benchmark maakt 2000 bestanden van 8 MB groot.

De test begint goed:

Gemiddelde gegevens:

Laatste 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

Maar na het opnemen van 1500 frames verslechtert de situatie aanzienlijk:

Gemiddelde gegevens:
Open I/O Frame Gegevenssnelheid Framesnelheid
Laatste 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

Gemiddelde gegevens:
Open I/O Frame Gegevenssnelheid Framesnelheid
Laatste 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

Laten we een leestest doen:

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

De prestaties zijn uitstekend tijdens de test:

Gemiddelde gegevens:
Laatste 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

Er wordt momenteel gewerkt aan gespecialiseerde bestandssystemen voor SMR-schijven.
Seagate ontwikkelt ext4-gebaseerde SMR_FS-EXT4. Er zijn verschillende log-gestructureerde bestandssystemen die speciaal zijn ontworpen voor Device Managed SMR-schijven, maar geen daarvan kan een volwassen, aanbevolen product voor implementatie worden genoemd. Seagate ontwikkelt ook een Host Aware-versie van de SMR-schijf, die tegen het einde van het jaar klaar zou moeten zijn.

Welke conclusies kunnen we trekken uit de resultaten van prestatiemetingen?
Device Managed apparaten kunnen veilig worden gebruikt voor taken waarvoor geen intensieve opname vereist is. Ze kunnen heel goed overweg met single-threaded en multi-threaded opnametaken. Ze zijn geweldig voor het lezen van gegevens. Periodieke “willekeurige” zoekopdrachten naar schijven bij het bijwerken van metagegevens worden geabsorbeerd door de grote cache.

Dergelijke apparaten zijn niet erg geschikt voor het oplossen van problemen waarbij sprake is van intensief “willekeurig” opnemen of bijwerken van een groot aantal bestanden, althans zonder gebruik van aanvullende technische middelen.

De MTBF van de geteste schijven bedraagt ​​800.000 uur, wat 1,5 keer lager is dan bijvoorbeeld NAS-schijven. Een groot schijfvolume verlengt de hersteltijd aanzienlijk en maakt het regelmatig scannen van media vrijwel onmogelijk. We raden u aan om bij het ontwerpen van opslag met dergelijke schijven te vertrouwen op RAID met een pariteitsgetal groter dan 2 en/of benaderingen die de hersteltijd verkorten (bijvoorbeeld pariteitsdeclustering).

Het lot van het harde schijfsegment leek de afgelopen jaren duidelijk. Om de capaciteit van magnetische media te vergroten, hebben fabrikanten hun ontwikkeling gericht op warmteondersteunde magnetische opnametechnologie (HAMR), waarbij een laser wordt gebruikt om lokale verwarming te genereren.

De vereniging SNIA heeft de rol van deze technologie zo duidelijk gedefinieerd dat tot voor kort alle grootschalige presentaties rond de HAMR-standaard waren gebouwd. Dus toen Western Digital onlangs aankondigde dat het in de toekomst volledig zou overstappen op magnetische microgolfopname (MAMR), was de verbazing van iedereen grenzeloos.

Bewolkte dorst naar geheugen

De consumentensector zal wellicht verrast reageren op dit debat. Bijna alle goede laptops zijn tegenwoordig verkrijgbaar met SSD’s, en voor mobiele apparaten waren HDD-schijven sowieso niet belangrijk. Maar tegelijkertijd vormen solid-state drives voor grote bedrijven zelden een goed alternatief voor harde schijven. Voor zakelijke klanten is het aantal petabytes dat op de minst dure manier in een serverrack past van het grootste belang. Solid State-schijven worden voornamelijk gebruikt voor het uitvoeren van taken waarvoor zeer frequente geheugentoegang vereist is.

De toekomst van harde schijven
Western Digital is van plan om binnen een paar jaar harde schijven met een capaciteit tot 40 TB op de markt te brengen. Met MAMR-technologie op basis van microgolfstraling en met helium gevulde schijfbehuizingen is de voorspelling redelijk realistisch.

Voor archiefdiensten zijn goedkope harde schijven met hoge capaciteit van bijzonder belang. ‘Persistente’ data zijn gegevens die moeten worden bewaard, ondanks de waarschijnlijkheid dat toegang daartoe nooit nodig zal zijn (facturen van vijf jaar geleden, belastingdocumentatie), en die bedrijven ergens op hun servers of in de cloud moeten bewaren.

Met andere woorden: de vooruitzichten voor fabrikanten van harde schijven zijn nog steeds rooskleurig. Maar donkere wolken naderen de wolkenloze hemel: de magnetische opnametechnologie bereikt nu fysiek zijn grenzen.

Links - MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). De spin-torsiegenerator zendt microgolven uit nabij het hoofd. De resulterende resonantie versterkt het magnetische veld. Hierdoor ontstaat er een hogere veldsterkte, wat het weer mogelijk maakt om de grootte van het gebied waarin één bit wordt opgeslagen te verkleinen.

Rechts - HAMR (hitteondersteunde magnetische opname). Een technologie waarvan de essentie de snelle verwarming van de HDD-plaat door een laser is. Om dezelfde opnamedichtheid als bij MAMR te bereiken, heb je een kleiner magnetisch veld nodig. Maar de technologie vereist aanzienlijke middelen en is niet plug-and-play.

Harde schijven bestaan ​​uit een reeks gestapelde metalen platen, elk met een eigen lees- en schrijfkop. Het is verantwoordelijk voor het schrijven, lezen en verwijderen van bits van de schotel. Hoe meer bits er naar de schijf kunnen worden geschreven, hoe groter de capaciteit van de schijf.

Maar de afmetingen van de gebieden waarin individuele bits zijn opgeslagen, kunnen niet willekeurig worden verkleind, aangezien de opnamedichtheid op een dag zo veel zal toenemen dat de dragers van individuele bits zullen veranderen of de magnetisatierichting zullen verliezen. Dit is de reden waarom de longitudinale opnamemethode (LRS) werd vervangen door de efficiëntere methode voor loodrechte magnetische opname (PMR). Figuurlijk gesproken werden de bitdragers die voorheen lagen naar een verticale positie gebracht, loodrecht op het vlak van de schotel, waardoor het mogelijk werd de opnamedichtheid te vergroten totdat het effect van superparamagnetisme werd bereikt.

Paden gelegd in de vorm van tegels

Maar de PMR-middelen zijn ook eindig. Twee jaar geleden werd Tiled Magnetic Recording (SMR) geïntroduceerd om de gegevensopslagdichtheid verder te vergroten. Tracks worden opgenomen die elkaar gedeeltelijk overlappen binnen dezelfde groep. De methode is mogelijk vanwege het feit dat de leeskop van de harde schijf kleiner is dan de schrijfkop.

Maar als u een schijf moet herschrijven, wordt eerst de hele band met nummers gelezen, de gegevens ervan worden opgeslagen in een tussenbuffer en vervolgens wordt de band met nummers opnieuw geschreven. Deze omstandigheid pleit voor het feit dat SMR-technologie bij uitstek toepasbaar is op harde schijven voor de opslag van archiefgegevens die zelden zullen worden overschreven.

Meer wafels dankzij helium

Om de capaciteit te vergroten worden er ook pogingen ondernomen om het aantal platen te vergroten, maar dit is alleen onder bepaalde omstandigheden haalbaar. Door wrijving tussen de plaat en de leeskop kan de afstand tussen de schijven niet oneindig verkleind worden.

Momenteel worden er maximaal vijf tot zes platen gebruikt. De schijfbehuizing kan ook niet willekeurig worden gewijzigd. Er is een oplossing gevonden: het lichaam wordt gevuld met helium. Momenteel gebruiken fabrikanten deze methode voor harde schijven van 14 TB. Helium dat in de behuizing wordt gepompt, vermindert de wrijving van de schijfcomponenten, maar vereist een goede en daarom vrij dure afdichting.

Registreer compressie met behulp van microgolven

Het veranderen van de magnetische toestand van de wafer vereist enige magnetische veldenergie, die uiteindelijk de grootte bepaalt van het gebied waarin één bit wordt opgeslagen. Met HAMR-technologie verwarmt de laser het overeenkomstige gebied van de wafer tot 400–700 °C voordat er wordt geschreven, waardoor de coërciviteit van het materiaal wordt verminderd en het mogelijk wordt gemaakt om de grootte van het bitgebied te verkleinen. Maar deze technologie vereist veel middelen, evenals software-aanpassing.

De essentie van MAMR is als volgt. De magneetkop is uitgerust met een spin-torsiegenerator die microgolven uitzendt. Het resultaat is een resonantie-effect dat het magnetische veld van de kop versterkt dat nodig is voor de opname. Door de hoge magnetische veldsterkte kan de kop kortere lengtes magnetiseren. De temperatuur van de plaat overschrijdt de kamertemperatuur niet - deze wordt niet blootgesteld aan thermische effecten.

Western Digital verwacht dat MAMR-technologie, gecombineerd met SMR en met gel gevulde behuizingen, goedkope harde schijven zal produceren die ook Plug and Play-compatibel zijn. De marktintroductie van schijven met een capaciteit tot 40 TB is aangekondigd voor 2019.

Bij magnetische opname (SMR) van een harde schijf worden tracks op elkaar geplaatst, zoals tegels op een dak. Hierdoor kunt u de opnamedichtheid verhogen. Het aantal tracks per inch (TPI) neemt toe. Loodrechte magnetische opname (PMR), gebruikt in de meeste moderne schijfstations, plaatst gegevens op parallelle sporen. Het verhogen van de TPI door de afstand tussen de tracks te verkleinen dankzij de SMR-technologie opent enorme mogelijkheden voor het vergroten van de capaciteit van harde schijven. Het eindproduct ziet er fysiek uit en gedraagt ​​zich als een gewone PMR-harde schijf, maar met een grotere capaciteit.

Problemen met PMR-schaling

Ingenieurs worden geconfronteerd met uitdagingen bij het vergroten van de capaciteit van PMR-harde schijven vanwege fysieke beperkingen in het opnameproces. Naarmate de opnamedichtheid toeneemt, neemt de grootte van de bits op het oppervlak van de schijf af. Om bij het lezen een acceptabele signaal-ruisverhouding te behouden, moeten fabrikanten het aantal magnetische elementen op het oppervlak van de media verminderen. De energie die nodig is om de toestand van de bit te veranderen wordt verminderd, zodat de bit onder invloed van warmte spontaan van toestand kan veranderen, wat resulteert in het verlies van informatie die naar de schijf wordt geschreven. Om het energieniveau dat nodig is om de toestand van de bit te veranderen te verhogen, worden materialen met een hoge coërciviteitswaarde geselecteerd, dat wil zeggen het vermogen om magnetisme in permanente magneten vast te houden. Dit verkleint het risico dat de status van elke bit verandert, dat wil zeggen dat de informatie behouden blijft. Naarmate de opnamedichtheid toeneemt, neemt de schijfkop echter ook af. Hoe kleiner de kop, hoe minder energie elke bit beïnvloedt, dus bij een constante toename van de opnamedichtheid was de kopenergie op een gegeven moment niet genoeg om naar de schijf te schrijven.

Impact van SMR

SMR-technologie lost het probleem op zonder de grootte van de opnamekop te verkleinen. SMR-schijven doen dit zelfs nog beter dan PMR-schijven. Hoe groter de schrijfkop van de schijf, hoe efficiënter deze op de bits kan reageren zonder de betrouwbaarheid van de gegevensopslag en leesbaarheid in gevaar te brengen.

De onderstaande afbeeldingen helpen u het verschil tussen PMR en SMR te begrijpen. Zoals reeds vermeld, bevinden de tracks op PMR-schijven zich parallel aan elkaar:

SMR-sporen overlappen elkaar gedeeltelijk. In dit geval heeft de opnamekop dezelfde breedte als de PMR en is de leeskop iets kleiner.

De grote breedte van de opnamekop biedt meer dan alleen voordelen. Bij het opnemen herschrijft de brede kop gegevens op de sporen die grenzen aan het spoor dat wordt gewijzigd, dus voor betrouwbare opslag is het noodzakelijk om gegevens naar het einde van de plaat te herschrijven. Om onnodig herschrijven te voorkomen, worden de sporen van SMR-schijven gecombineerd in kleine groepen die banden worden genoemd. Dankzij deze combinatie is het bij het wijzigen van gegevens niet nodig om de hele schijf te herschrijven, maar slechts enkele nummers gegroepeerd in een band.

Seagate Technology begon ongeveer twee jaar geleden met het leveren van harde schijven met shingled magnetische opnametechnologie (SMR). Gedurende deze periode verkocht het bedrijf ongeveer vier miljoen overeenkomstige schijven, wat nauwelijks één procent is van alle HDD's die het bedrijf in deze periode heeft verzonden. Seagate is echter positief over deze apparaten en heeft hoge verwachtingen van SMR.

Tegelvormige magnetische opnametechnologie verhoogt de opnamedichtheid op de platen met ongeveer 25% vanwege de gedeeltelijke overlap van de sporen met elkaar. Overlappende tracks vertragen het opnameproces, omdat wanneer u één track opneemt, u de inhoud van aangrenzende tracks moet overschrijven (meer precies, in dezelfde groep tracks, een band genoemd). Om de lage schrijfsnelheid van harde schijven met SMR-platters te compenseren, moeten schijffabrikanten speciale firmware maken die sequentiële schrijfbewerkingen optimaliseert. Als alternatief moeten het besturingssysteem en/of de applicaties die de harde schijven gebruiken, begrijpen dat ze te maken hebben met een SMR-harde schijf en alleen sequentiële schrijfbewerkingen uitvoeren op bepaalde delen van de harde schijven.

Op de een of andere manier zijn harde schijven die gebruikmaken van tegelopnametechnologie langzamer dan HDD's die gebruikmaken van loodrechte opnametechnologie. Omdat harde schijven met een maximale capaciteit in de eerste plaats nodig zijn voor datacenters, zijn dergelijke prestatiebeperkingen zeer acceptabel. Datacenters die SMR-harde schijven gaan gebruiken om de volumes van gegevensopslag te vergroten, worden echter gedwongen hun eigen software aan te passen, wat de verspreiding van dergelijke harde schijven vertraagt.

Hoewel het gebruik van harde schijven met SMR-platters een aantal kenmerken heeft, zullen harde schijven op basis van SMR-platters totdat harde schijven op basis van TDMR (tweedimensionale opnametechnologie) en HAMR-technologieën (thermomagnetische opnametechnologie) op de markt verschijnen, blijven bestaan. ontwikkelen. Inmiddels heeft Seagate geleerd de tekortkomingen van tegelopnametechnologie voor datacentertoepassingen te verbergen.

"We hebben ongeveer vier miljoen tegelbare harde schijven verzonden", zei Dave Mosley, executive vice-president operations en technologie bij Seagate, tijdens een ontmoeting met investeerders en financiële analisten. “Wij beschouwen dit als een zeer succesvolle prestatie omdat we veel hebben geleerd over de toepassingen van onze klanten. We zijn klaar om de tekortkomingen van betegelde opnametechnologie te verbergen met behulp van gegevensopslagsystemen op meerdere niveaus, cachingsystemen, enz.[zodat onze klanten] geen moeilijke wijzigingen in hun programma's hoeven aan te brengen."

Seagate werkt samen met zijn klanten die applicaties willen aanpassen voor betegelde harde schijven, maar het bedrijf werkt ook voortdurend aan zijn eigen firmware die SMR-functies kan verbergen in gevallen waarin applicatiewijzigingen moeilijk of onmogelijk zijn.

"We zijn erg blij met de vooruitgang die we hebben geboekt [met SMR-schijven], we leveren betegelde harde schijven voor verschillende platforms en zijn klaar om hun productie in 2016 uit te breiden", zei de heer Mosley.

Naast het archiveren van harde schijven (de Seagate Archive-serie) maakt Seagate al gebruik van op tegels gebaseerde platters voor opnametechnologie in externe en mobiele schijven van clients (verkocht onder de merken Samsung en Seagate) en is van plan SMR te gebruiken voor andere harde schijven. Omdat clientbesturingssystemen en -applicaties niet van de ene op de andere dag zullen veranderen, zal het bedrijf een speciale harde schijfarchitectuur voor personal computers moeten ontwikkelen die rekening houdt met de kenmerken van tegeltechnologie en de lage schrijfsnelheid van cachingsystemen en gegevenslocatie op magnetische platen compenseert. .