Технология SMR открывает новые горизонты магнитной записи. Черепичная магнитная запись aka SMR

Современные домашние компьютеры оснащаются как быстрыми твердотельными накопителями (SSD), со скоростью работы которых не могут тягаться никакие механические HDD, так и обычными HDD, которые по цене несопоставимо дешевле.

Произошла своеобразная специализация: для запуска программ используются дорогие и быстрые SSD, для хранения данных емкие и медленные HDD. Поэтому фронт борьбы механических дисков – увеличение емкости за счет уплотнения данных.

В погоне за плотностью, в 2007 году компанией Seagate была предложена технология перпендикулярной записи. В то время было много критики по этому поводу. Но сейчас такой способ организации данных стал стандартом и без него не представляется возможность создавать объемные диски.

Сейчас же Seagate предложила новую технологию – черепичная запись.

Основной принцип работы

Термин «черепичная запись» происходит от английского слова – shingled magnetic recording (SMR). Технология помогает уплотнить данные настолько, что емкость накопителя станет на четверть больше. В классической схеме разметки дисковой поверхности все данные записываются на дорожки, которые идут вдоль поверхности друг за другом.

При использовании SMR дорожки располагаются еще и друг над другом. Получается такое своеобразное частично третье измерение в размещении данных.

Дорожки лишь частично накрывают другу друга, как черепица на крыше. Поэтому полноценной трехмерной укладкой такую запись назвать нельзя. При последовательной записи данные пишутся последовательно на дорожки, которые размещаются друг над другом.

Разметка диска при этом не претерпевает существенных изменений и могут применяться стандартные магнитные головки. Все это позволяет сохранить низкую цену на жесткие диски.

Недостаток SMR

Тонким горлышком технологии SMR является сама процедура повторной записи. При перезаписи одной из дорожек, придется переписывать и все соседние, которыми она перекрывается. А это, в свою очередь, существенно увеличивает время записи.

Чем ниже будет расположена дорожка в черепичной серии, тем большее число дорожек придется перезаписать. Получается, что вне зависимости от того насколько хорошо дефрагментирован логический том, скорость записи может существенно проседать.

С целью уменьшения числа дополнительно перезаписываемых дорожек, их группируют в структуры, которые носят название – ленты. Наложение дорожек происходит только в пределах одной ленты. Поэтому, если вдруг данные будут расположены на самой нижней «черепице», то число перезаписываемых дорожек будет предсказуемо и минимальная скорость повторной записи заранее будет определена.

Разбиение на ленты выполняется для каждой конкретной модели дисков индивидуально в зависимости от предназначения устройства. Более длинные ленты применяются на устройствах, где данные предполагается редко перезаписывать. Использоваться они будут либо как архивные накопители, либо как устройства для чтения данных.

Уменьшение длины ленты приведет к проигрышу в приросте размера накопителя, но позволит увеличить показатель скорости доступа к расположенным на HDD данным.

Практическое применение в бюджетном сегменте

В выживающей себя технологии записи данных на магнитные HDD производители все еще пытаются хоть каким-нибудь образом увеличить их емкость. Все же механические HDD еще рано списывать со счетов: стоимость одного гигабайта памяти на них существенно ниже, чем у твердотельных накопителей.

В борьбе за размером дискового пространства и уменьшением цены компания Seagate в 2014 г. выпустила относительно недорогую и емкую модель накопителя: ST8000AS002.

Диск имеет размер – 8 Тб, который может пригодиться в качестве домашней медиа-библиотеки. При этом цена на него вдвое ниже, чем на другие модели того же размера (в 10 раз ниже, чем SSD того же объема).

Предназначен такой HDD именно для хранения данных. Если на него производить первичную запись, то данные будут записываться на скорости, не существенно уступающей другим дискам. А чтение будет выполняться на вполне приемлемых скоростях.

У пользователей эта модель вызвала противоречивое отношение и пока понятно одно: технология не прошла стороной и вызывает к себе интерес.

Подведение итогов

Технология SMR все еще продолжает совершенствоваться: заложенные в ней принципы дают простор для построения различных вариантов дисков, оптимизированных как по размеру, так и по скорости работы. И в сочетании с такими методами, как заполнение дисковой камеры гелием, можно увеличить производительность в целом.

Что же касается цены, то они дешевле, порядка на 1000-2000р по сравнению с другими HDD. В зависимости от магазина и места вашего проживания.

Компания Seagate в конце прошлого года заявила, что жёсткие диски будут продолжать развиваться в последующие 20 лет, в течение которых они будут оставаться релевантными средствами хранения данных. Заявление явно намекает на то, что компания разрабатывает целый ряд технологий, которые позволят увеличивать ёмкость и производительность винчестеров ещё долгие годы. Впоследствии, Seagate анонсировала первые HDD с «черепичной» магнитной записью, затем представила свою первую платформу для заполненных гелием винчестеров и целый ряд моделей c ёмкостью в 10 Тбайт. Кроме того, не секрет, что в ближайшие годы появятся жёсткие диски на базе технологий двухмерной магнитной записи (two-dimensional magnetic recording, TDMR) и термомагнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR).

Некоторое время назад Марк Ри (Mark Re), старший вице-президент и директор по технологиям Seagate - человек, который ответственен за научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, согласился дать интервью сайту AnandTech, чтобы обсудить планы Seagate на ближайшие годы. Мы публикуем пересказ беседы.

⇡#Эволюция продолжается, возникают новые вызовы

Хотя твердотельные накопители данных развиваются быстро и увеличивают производительность каждый год, с точки зрения стоимости за гигабайт они в обозримом будущем не смогут конкурировать с жёсткими дисками. Если учесть такую экономическую модель, HDD просто обязаны продолжать развиваться, увеличивая объёмы хранения данных и производительность.

Вызовы для производителей HDD сегодня

Эволюция жёстких дисков всегда включала развитие ряда параметров: материалы (пластины), механика (моторчики, двигатели для головок, внутренняя структура и т. д.), головки для чтения и записи, контроллеры и микропрограммы. Ключевые факторы, влияющие на рост производительности и ёмкости винчестеров, за долгие годы не менялись. Речь идёт о размере ячейки для хранения минимального объёма информации, ширине дорожки (трека), скорости вращения шпинделя. Развитие этих составляющих неизбежно ведёт к совершенствованию электроники, интерфейсов передачи данных и другого аппаратного обеспечения внутри и снаружи HDD.

Технологии увеличения плотности записи для жёстких дисков, которые будут использованы в обозримом будущем

Эволюция жёстких дисков в будущем будет опираться в первую очередь на увеличение плотности записи у пластин, новые головки, а также на вычислительные способности контроллеров. Более того, именно последний параметр получит ключевую роль в ближайшие годы. Но чего именно стоит ожидать и когда? Собственно, этому и посвящён разговор с господином Ри.

⇡#Seagate планирует расширить использование SMR-пластин

Сегодня подавляющее большинство жёстких дисков базируется на технологии перпендикулярной магнитной записи (perpendicular magnetic recording, PMR). Возможностей PMR вполне достаточно для современных приложений с точки зрения плотности записи и производительности. Несколько лет назад производители жёстких дисков считали, что технология PMR не даст возможности записи свыше одного терабита данных на квадратный дюйм (Тбит/дюйм 2). Тем не менее в последние пару лет был достигнут некоторый прогресс, и, судя по всему, технология ещё будет развиваться. Однако для более серьёзного увеличения плотности записи требуется технология черепичной магнитной записи (shingled magnetic recording, SMR), которую корпорация Seagate Technology начала использовать несколько лет назад для специализированных накопителей.

Черепичная магнитная запись: основные принципы

Технология SMR позволяет увеличить плотность записи до показателей свыше 1 Тбит/дюйм 2 , но приносит с собой ряд проблем, которые необходимо решать. Так, жёсткие диски, использующие черепичную запись, записывают новые треки, которые «перекрывают» часть ранее записанных магнитных дорожек. «Перекрывающиеся» дорожки замедляют запись, так как архитектура SMR-дисков требует записать новые данные, а затем перезаписать соседние дорожки. Для минимизации перезаписи контроллер жёстких дисков на базе SMR размещает «черепичные» дорожки группами (так называемыми лентами - bands). Это оптимизирует количество треков, которые должны быть переписаны после операций записи, и, таким образом, может помочь обеспечить предсказуемую производительность SMR-винчестеров в типичных сценариях.

Группирование дорожек в ленты - не единственный способ скрыть особенности черепичной магнитной записи. На самом деле, каждый жёсткий диск на базе SMR-пластин имеет зоны, которые используют технологию записи PMR с относительно высокой скоростью записи. Эти зоны используются для быстрой записи данных и ряда других операций, когда это необходимо. Впоследствии информация из зон PMR автоматически перемещается в зоны SMR без каких-либо действий со стороны пользователя или операционной системы (что сродни операциям garbage collection у SSD). Seagate не раскрывает реальные конфигурации своих SMR-полос или ёмкость зон PMR, но отмечает, что такие конфигурации зависят от типов приложений, для которых предназначены конкретные модели жёстких дисков (т. е. подобные характеристики различаются для потребительских HDD и накопителей для хранения «холодных» данных).

Для дальнейшего обеспечения оптимальной производительности жёсткие диски на базе SMR также применяют кеш большого объёма на базе DRAM- и/или NAND-флеш-памяти. Например, анонсированный ранее в этом году жёсткий диск Seagate Mobile в форм-факторе 2.5” ёмкостью 2 Тбайт оснащён 128 Мбайт памяти DRAM и неопределённым объёмом NAND-флеш-памяти с однобитовой ячейкой (SLC). Буфер SLC NAND имеет довольно высокую скорость записи, а это значит, что, в случае работы с небольшими объёмами данных, указанный выше накопитель сможет похвастаться очень высокой скоростью записи. Поскольку объём NAND не очень велик (менее одного гигабайта в случае упомянутой модели), то это никак не поможет в случае с записью больших файлов. Но для бытовых нужд подобная архитектура должна оказаться довольно полезной.

Одна из вещей, которыми Seagate может гордиться, - это итеративный подход к оптимизации производительности операций записи у жёстких дисков на основе пластин SMR. Можно утверждать, что заявленные показатели производительности для Seagate Archive 8 Тбайт и Seagate Mobile 2 Тбайт не впечатляют. Однако нельзя не отметить реализацию трёхуровневого кеширования у Seagate Mobile 2 Тбайт, которое включает PMR-зоны, NAND и DRAM, что демонстрирует довольно высокую сложность подобных HDD. Очевидно, что архитектура клиентских накопителей на базе SMR требует контроллеров с высокой вычислительной производительностью, чтобы управлять буферами, передавать данные из зон PMR в зоны SMR, а также выполнять другие операции - всё для гарантии ожидаемой производительности в различных рабочих нагрузках. Мы уже видели нечто подобное у SSD на базе TLC NAND, которые используют буферы на базе псевдо-SLC-памяти для того, чтобы обеспечить быструю запись. В зависимости от планов Seagate, архитектура жёстких дисков на базе SMR (имеются в виду т. н. device-managed-накопители, которые полностью управляют своей работой без участия сторонних приложений, операционной системы и/или аппаратного обеспечения) может быть расширена для дальнейшего увеличения производительности.

В обозримом будущем Seagate планирует расширить применение пластин на базе черепичной магнитной записи. В ближайшее время Seagate представит жёсткие диски на основе SMR для приложений видеонаблюдения (т. е. оптимизированные для потоковой записи с большого - как минимум 32–64 - количества камер наблюдения). Далее последуют другие «черепичные» жёсткие диски для клиентских устройств. Уверенности в том, что технология SMR будет применяться для приложений, требующих высокой производительности, нет. Во-первых, потому что PMR продолжает развиваться; во-вторых, по причине неизбежного появления новых технологий, о которых мы поговорим ниже. Тем не менее мы вполне могли бы увидеть разного рода гибридные накопители, которые использовали бы как SMR, так и PMR, чтобы гарантировать высокую производительность. Во всяком случае, Seagate не считает, что SMR может быть применим исключительно для хранения редко используемых «холодных» данных.

⇡#Гелий останется эксклюзивом для HDD высокой ёмкости

Как правило, компании стремятся внедрять новые технологии в первую очередь в продукты высоких ценовых классов (для энтузиастов или предприятий), а затем применять их для всех остальных семейств продукции вроде клиентских ПК или специализированных устройств. Со временем что-то, когда-то бывшее эксклюзивной особенностью дорогих, «экстремальных» устройств, становится неотъемлемой частью массовых изделий. В какой-то мере мы будем наблюдать это в случае с жёсткими дисками, заполненными гелием. Однако не всё так просто.

Основные преимущества заполненных гелием HDD. Слайд HGST

Плотность гелия в семь раз ниже плотности воздуха, что уменьшает силу трения, действующую на магнитные пластины внутри винчестеров, а также снижает силу газовых потоков, воздействующую на точность позиционирования головок и пластин. Заполнение жёстких дисков гелием даёт возможность установить в них до семи пластин, уменьшить мощность электромоторчиков шпинделя, увеличить точность позиционирования головок, снизить уровень шума и тепловыделение. Все указанные преимущества имеют важное значение для современных центров обработки данных. HGST представила первый в мире коммерческий жёсткий диск с гелием внутри ещё в 2013 году, а Seagate начала продажи своих «гелиевых» накопителей ёмкостью 10 Тбайт весной этого года.

В ноябре прошлого года компания Seagate рассказала, что начала эксперименты с гелием ещё в начале 2000-х и на конец прошлого года имела 12-летний опыт работы с ним. Марк Ри вновь подтвердил, что Seagate действительно хорошо знакома с гелием и что её герметичная платформа для HDD очень надёжна. Тем не менее коммерциализация последней находится на ранней стадии. Так, в настоящий момент Seagate не имеет даже маркетингового названия для неё (Western Digital называет свои платформы HelioSeal).

Хотя заполнение жёстких дисков гелием помогает более точно позиционировать головки (это важно по мере уменьшения ширины дорожек и размера ячеек), Seagate утверждает, что для снижения силы газовых потоков внутри жёстких дисков компания использует чисто механические решения и планирует их дальнейшее совершенствование в будущем. Таким образом, применение гелия не является чем-то обязательным для следующих поколений жёстких дисков, которые будут использовать технологии HAMR, TDMR и другие для увеличения плотности записи и скорости чтения.

В Seagate полагают, что максимизация ёмкости жёстких дисков (что автоматически увеличивает ёмкость серверной стойки и центра обработки данных) и минимизация энергопотребления являются крайне важными в первую очередь для ЦОД (ровно поэтому семь пластин и моторчики с уменьшенным энергопотреблением имеют смысл в этом сегменте рынка). Тем не менее, поскольку снижение сил газовых потоков может быть достигнуто различными способами, применение гелия может не быть обязательным для тех платформ HDD, которые не предназначены для создания изделий максимальной ёмкости.

Хотя может показаться, что Seagate не испытывает большого энтузиазма в отношении герметичных HDD, следует помнить, что крупные корпорации всегда разрабатывают целый набор технологий и платформ, а затем используют их, когда приходит время. Таким образом, если Seagate не собирается использовать гелий для относительно недорогих клиентских HDD сейчас, это не означает, что компания не сможет представить подобных устройств в будущем. Совсем недавно компания анонсировала серию жёстких дисков Data Guardians, флагманские 10-терабайтные модели которой - BarraCuda, IronWolf и SkyHawk - заполнены гелием. Разумеется, речь идёт о переиспользовании серверной платформы, представленной ранее в этом году, но довольно очевидно, что компания вполне готова применять гелий вне сегмента накопителей для ЦОД.

Конкурент Seagate, корпорация Western Digital, широко использует технологию HelioSeal для самых различных приложений. Так, весной этого года компания представила заполненные гелием жёсткие диски WD Red, WD Red Pro и WD Purple для NAS и систем видеонаблюдения. В дополнение к этому она анонсировала внешний винчестер My Book 8 Тбайт, который заполнен гелием, но имеет скорость вращения шпинделя всего 5400 оборотов в минуту. Это говорит о том, что технология HelioSeal становится менее дорогой.

Стоит отметить, что, хотя Seagate не раскрывает перспективный план для своих заполненных гелием HDD именно сейчас, Марк Ри дал понять, что подобный план существует.

⇡#Жёсткие диски на базе технологии TDMR появятся на рынке в 2017 году

Двухмерная магнитная запись (two-dimensional magnetic recording, TDMR) - ещё одна технология, которая должна способствовать увеличению плотности записи и производительности жёстких дисков. Seagate считает, что TDMR поможет увеличить плотность записи на 5–10 % (однако сама суть технологии гораздо важнее моментального увеличения плотности записи, о чём подробнее мы поговорим ниже). Планы по использованию TDMR для коммерческих жёстких дисков были озвучены в сентябре прошлого года, а Марк Ри подтвердил, что Seagate находится на пути их реализации. Первые HDD, использующие технологию двухмерной магнитной записи, появятся на рынке уже в 2017 году.

Основные преимущества двухмерной магнитной записи

TDMR обещает дать возможность производителям жёстких дисков увеличивать плотность записи на магнитные пластины HDD, делая дорожки уже, а ячейки меньше. Новые технологии позволяют минимизировать размеры записывающего устройства головки (writer), однако чтение в таком случае становится трудной задачей. При значительном увеличении плотности дорожек на магнитной пластине считывающее устройство головки (reader) оказывается шире трека и ему становится сложнее «читать» данные на каждой дорожке вследствие помех с соседних треков (inter-track interference, ITI), которые мешают распознаванию сигнала. Чтобы бороться с эффектом ITI, технология TDMR предполагает использование массива считывающих устройств, которые будут считывать данные с одной или нескольких дорожек одновременно (метод был описан в ряде научных публикаций). Чтение данных с одного трека двумя считывающими устройствами даёт возможность контроллеру HDD снизить коэффициент помех (отношение «сигнал - шум», signal-to-noise ratio) от разных дорожек и корректно прочесть данные. Разумеется, это потребует высокой вычислительной мощности от контроллеров, а также контроля над ошибками (вероятно, мы можем увидеть метод LDPC в случае с контроллерами для жёстких дисков). Конечно, теоретически головка с одним считывателем может сделать более одного «прохода» над необходимыми секторами при операциях чтения, в результате чего контроллер получит необходимое количество данных. Однако подобный алгоритм неизбежно увеличит задержки, потребует большого количества набортной памяти и увеличенной вычислительной мощности. Кроме того, он может стать причиной снижения общей производительности.

Увеличенное количество считывающих устройств на головке HDD приобретёт большую важность во времена термомагнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR): нагрев поверхности пластины позволит уменьшить ширину трека и размер ячейки, что повлечёт за собой увеличение плотности записи и ITI. Таким образом, непосредственно технология HAMR позволит увеличить плотность записи, а TDMR даст возможность решить проблемы с ITI-помехами.

Кроме того, Марк Ри сказал, что при соответствующем программировании жёсткие диски с несколькими считывающими устройствами на одной головке получат увеличенную производительность. Речь идёт о том, что reader’ы смогут считывать данные с находящихся рядом дорожек одновременно, что поднимет скорость чтения для больших объёмов данных. Это явно не сделает новые жёсткие диски такими же быстрыми, как твердотельные накопители, но зато поможет клиентам Seagate увеличить производительность своих систем хранения данных. В данный момент компания не говорит о своих планах по использованию нескольких считывающих устройств для увеличения производительности в коммерческих HDD, поскольку подобные устройства появятся не завтра, если появятся вообще, - но она рассматривает такую возможность.

Марк Ри подтвердил, что TDMR позволяет производителям HDD увеличить плотность записи примерно на 10 %, а это довольно существенно по сравнению с обычными пластинами типа PMR. Тем не менее дополнительная ёмкость накопителей не будет «бесплатной», по крайней мере в том, что касается вычислительной мощности контроллеров жёстких дисков. Массив считывающих устройств у головок повышает требования к пропускной способности контроллера, а также объём информации, который требуется обработать. В результате вся TDMR-платформа становится весьма дорогой: она использует большое количество reader’ов, новые пластины, новые моторчики и новые контроллеры. Именно поэтому Seagate планирует использовать подобные платформы в первую очередь для серверных накопителей где-то в начале 2017 года. В Seagate не подтвердили, будут ли такие жёсткие диски использовать как TDMR, так и гелий, но Марк Ри сказал, что практически все технологии могут быть использованы совместно в рамках одной платформы для HDD, чтобы создавать релевантные решения для самых разных приложений. Впрочем, помните, что речь идёт о планах, а они часто меняются.

⇡#Новое поколение 10K- и 15K-жёстких дисков на подходе

Сегодня жёсткие диски с высокой скоростью вращения шпинделя не являются самыми быстрыми устройствами для хранения данных. Однако они применяются для серверов непрерывного действия, замена которых происходит довольно редко из-за использования специализированного ПО и крайней сложности процесса. Увеличение производительности для таких систем - важная составляющая. Именно поэтому корпорация Seagate готовит новое поколение жёстких дисков со скоростью вращения шпинделя 10 и 15 тысяч оборотов минуту (10K и 15K revolutions per minute, RPM).

Сервер Dell PowerEdge. Фото Dell

Множество работающих серверов непрерывного действия (mission critical, MC) по-прежнему будет полагаться на жёсткие диски с высокой скоростью вращения шпинделя. Такие HDD используют интерфейс SAS (Serial Attached SCSI) со всеми его преимуществами для подобных машин - эти накопители не изумляют производительностью, но применяются повсеместно . Они не будут выведены из эксплуатации в ближайшее время, что является хорошим знаком для производителей HDD. Тем не менее рынок (total available market, TAM) для сверхбыстрых жёстких дисков со скоростью вращения шпинделя 10K и 15K сократился последние годы именно из-за SSD. Но это не означает, что быстрые жёсткие диски больше не развиваются повсеместно, - на самом деле Seagate готовит еще одно поколение таких устройств.

Жёсткий диск Seagate Enterprise Performance со скоростью вращения шпинделя 10 тысяч оборотов в минуту

Новое поколение жёстких дисков Seagate Enterprise Performance 10K будет иметь не только скорость вращения шпинделя в 10 тысяч оборотов в минуту, но и несколько считывающих устройств (readers) на каждой головке. Обе головки будут считывать один трек вследствие очень высокой плотности записи (помните, что в 2,5-дюймовых винчестерах могут применяться пластины меньшего диаметра, а потому мы можем иметь дело с чем-то плотностью выше 1 Тбит/дюйм 2), тем самым гарантируя ожидаемую производительность у 10K-накопителя посредством ликвидации ITI. Учитывая, что в случае с жёсткими дисками 10K мы имеем дело с устройствами для хранения критически важных данных, следует ожидать, что они будут базироваться на уже знакомых пластинах типа PMR или SMR. Тем не менее головки с несколькими считывающими устройствами со временем могут появится в HDD на базе HAMR.

Жёсткий диск Seagate Cheetah со скоростью вращения шпинделя 15 тысяч оборотов в минуту

Что касается жёстких дисков со скоростью вращения шпинделя 15 тыс. оборотов в минуту, то Seagate ведёт себя несколько более скромно и скрытно. В компании подтверждают, что работают над ещё одним поколением 15K HDD, но не стремятся раскрывать подробности. Следует помнить, что существует много компаний, использующих большое количество 15K-жёстких дисков c интерфейсом SAS в ЦОД, а потому ещё одно поколение подобных накопителей пришлось бы кстати. При этом у SNIA есть обширный перспективный план по развитию интерфейса SAS и увеличению скоростей передачи данных до 24 Гбит/с к 2020 году и далее. Следовательно, для Seagate важно предлагать как SSD, так и HDD для данного сегмента рынка. Следует помнить, что продажи 15K HDD в последние годы падают и новое поколение таких устройств может стать последним - именно поэтому оно должно предложить некий набор возможностей и технологий, которые Seagate не хочет обсуждать. Возможно, не столько из-за соображений конкуренции, сколько потому, что компания работает со своими клиентами, чтобы включить в новые HDD функции, которые действительно необходимы.

Тем не менее по мере появления новых платформ для ЦОД необходимость в жёстких дисках типа 10K/15K неизбежно упадёт. К примеру, все новые SSD производства Intel для ЦОД и серверов непрерывного действия рассчитаны на интерфейс PCIe и протокол NVMe. Как один из крупнейших производителей NVMe-твердотельных накопителей высочайшего класса (семейство ускорителей Seagate Nytro), Seagate будет следовать тенденциям рынка. Более того, последние демонстрации компании в области SSD (например, показ твердотельного накопителя ёмкостью 60 Гбайт, а также SSD со скоростью передачи данных в 10 Гбайт/с) подтверждают тот факт, что в Seagate прекрасно понимают векторы развития твердотельных накопителей и ведут соответствующие разработки.

⇡#HAMR: более 2 Тбит/дюйм 2 и далее

Как говорилось выше, технологии SMR и TDMR способны обеспечить рост плотности записи на пластинах жёстких дисков на 10–20 % по сравнению c плотностью записи сегодня. Seagate сделала многое, чтобы технология SMR оказалась наиболее жизнеспособной для самых различных типов жёстких дисков, а в дальнейшем мы увидим и плоды TDMR. Тем не менее, если принять во внимание физические ограничения SMR и TDMR, а также относительно высокую себестоимость заполненных гелием HDD, для существенного увеличения ёмкости накопителей требуется новая технология магнитной записи. Наконец (мы знаем, вы ждали именного этого раздела:)), пришло время поговорить о технологии термомагнитной записи - HAMR.

Основные преимущества технологии HAMR

По словам Seagate, прототипы её жёстких дисков на базе HAMR используют головки, которые локально нагревают пластину до 450 °C, используя лазер с длиной волны 810 нм и мощностью 20 мВт. В настоящее время плотность записи у винчестеров на базе HAMR составляет примерно 2 Тбит/дюйм 2 , что существенно выше, чем у сегодняшних жёстких дисков на основе пластин PMR или SMR. Потенциально это означает, что Seagate может увеличить ёмкость жёстких дисков в два раза только за счёт использования технологии HAMR. На самом деле, не всё так просто.

Устройство, которое передаёт тепловое излучение для нагревания носителя данных, называется оптическим преобразователем ближнего поля (near field optical transducer, NFT). При воздействии лазера NFT передаёт тепловую энергию пластине, тем самым расширяя ячейки и обеспечивая возможность записи. Производители жёстких дисков используют золото в качестве первичного материала для NFT из-за его превосходных оптических свойств. С другой стороны, золото имеет сравнительно низкую механическую прочность, и такие NFT могут деформироваться при продолжительном воздействии повышенных температур. В свою очередь, деформация может привести к снижению возможности передавать тепловую энергию на носитель, что, по сути, означает поломку жёсткого диска. Именно поэтому Seagate и другие производители жёстких дисков на протяжении долгих лет исследовали и патентовали различные материалы (сплавы на основе золота, чтобы быть точным) для NFT. Разумеется, Seagate не раскрывает сплав, который используется в прототипах HAMR HDD прямо сейчас.

Тем не менее Марк Ри подчёркивает, что, когда компания начнёт поставки первых жёстких дисков на основе технологии HAMR своим партнёрам для оценки в 2017 году, а затем и для коммерческих систем в 2018 году, они будут рассчитаны на работу в течение длительного времени, так же как и сегодняшние HDD. Seagate не раскрывает конкретных данных о возможностях винчестеров на базе HAMR, но утверждает, что они смогут перезаписывать данные несколько раз за день на протяжении пяти лет, что свидетельствует о довольно высокой надежности. В конце концов, накопители для клиентских ПК тоже будут использовать HAMR, однако такие устройства появятся относительно нескоро.

Помимо прочного NFT, жёстким дискам на базе HAMR понадобятся новые головки (с нагревателем, записывающим устройством и, возможно, несколькими считывающими устройствами, чтобы бороться с ITI-эффектом), что означает большое количество работы с аппаратным обеспечением на нескольких фронтах. Кроме того, понадобятся более мощные контроллеры и прошивки. Как ожидается, HAMR позволить увеличить не только ёмкость, но и производительность жёстких дисков. Однако для этого Seagate предстоит разработать довольно сложную платформу, которая будет включать в себя новые материалы для носителей, новые головки, продвинутые контроллеры и ряд других вещей.

Следует отметить, что HAMR является вызовом для всей отрасли, а не только для Seagate. В результате, стоит только индустрии выяснить, как же сделать жёсткие диски с технологией HAMR столь же надежными, что и традиционные винчестеры, технология начнёт использоваться массово.

⇡#Подводя итоги

Эволюция потребительских жёстких дисков в последние годы не особенно впечатляла, но многие вещи начали изменяться в этом году. Использование SMR будет способствовать увеличению ёмкости жёстких дисков в ближайшие кварталы, а затем TDMR откроет новые двери на ближайшие годы. Есть одна вещь, которая должна быть ясна в данный момент: эволюция жёстких дисков в будущем будет отличаться от их развития в прошлом. Причиной этого стала сегментация рынка HDD и потребность в специализации моделей.

Жёсткий диск Seagate

К примеру, винчестеры для архивирования, nearline-приложений, NAS и DAS должны обладать повышенной ёмкостью. Тем не менее производительность едва ли имеет значение для жёстких дисков для архивирования или DAS. При этом nearline и NAS должны предложить как ёмкость, так и относительно высокую производительность в силу того, что они могут быть использованы большим количеством клиентов одновременно. Наиболее логичный способ обеспечить максимальную ёмкость и производительность сегодня - использовать гелиевую платформу с моторчиком на 7200 оборотов в минуту. Как видно из последних анонсов Seagate и Western Digital, такой подход используется для винчестеров ёмкостью 10 Тбайт (в случае Seagate это устройства Enterprise Capacity, Barracuda Pro, SkyHawk и IronWolf), когда топовые модели строятся на базе специальной платформы. Если же речь идёт только о максимальной ёмкости для ПК, то клиентская SMR-платформа Seagate как нельзя лучше подходит для подобных накопителей.

Ситуация едва ли изменится в ближайшие годы, поскольку разработка технологий для следующих поколений винчестеров требует существенных вложений на фоне снижающегося спроса на HDD. В результате ряд технологий или комбинаций технологий не будет использоваться для построения всех типов жёстких дисков (мы не увидим заполненных гелием HDD в низком ценовом сегменте). Некоторые вещи будут оставаться в основном в центре обработки данных, специализированных и дорогих накопителях (например, гелий), другие будут строго направлены на клиентские компьютеры (гибридные диски).

Более того, Seagate и её конкуренты понимают, что жёсткие диски не могут конкурировать с SSD по производительности, особенно в ситуациях случайного чтения/записи. Таким образом, хотя винчестеры получат дополнительную скорость и ёмкость в ближайшие годы, не стоит ожидать, что их производительность отныне станет основной точкой озабоченности производителей. Плотность записи и энергопотребление становятся новыми факторами, о которых стоит заботиться Seagate, Toshiba и Western Digital.

Перспективный план Seagate включает SMR, TDMR, HAMR, а также различные другие способы записи на магнитные пластины. Компания разрабатывает набор технологий, которые должны позволить увеличить ёмкость, производительность, надежность и выносливость будущих жёстких дисков с участием вышеупомянутых методов записи. Хотя Seagate уверена в том, что её устройства будут востребованны, есть вещи, которые сложно предсказать: к примеру, мы не уверены, как будет развиваться рынок клиентских накопителей. Как бы то ни было, всё покажет время.

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).

Разработанная специалистами компании Seagate технология Shingled Magnetic Recording (SMR) уже в ближайшее время позволит увеличить удельную плотность записи данных на пластинах жестких дисков на 25% за счет принципиально новой схемы расположения дорожек. В следующем году будет запущено серийное производство 3,5-дюймовых винчестеров емкостью 5 Тбайт, а к 2020-му максимальный объем подобных накопителей достигнет отметки в 20 Тбайт.

Информационный взрыв

По оценке экспертов, в настоящее время население нашей планеты, составляющее порядка 7 млрд человек, ежегодно генерирует в общей сложности 2,7 зетабайт данных. И не нужно быть специалистом в области информационных технологий, чтобы понять, что с каждым последующим годом этот показатель будет лишь возрастать. Одним из способствующих этому факторов является увеличение пропускной способности каналов, используемых для подключения к Интернету как по фиксированным линиям связи, так и через публичные зоны беспроводного доступа и сотовые сети. Год от года возрастают объемы данных (и прежде всего медиафайлов), загружаемых в облачные хранилища, а также сохраняемых на жестких дисках домашних ПК и NAS-накопителей. И это вполне закономерно. Вопервых, увеличивается разрешающая способность бытовых фото- и видеокамер, а следовательно, и объем сохраняемых изображений и видеозаписей при том же количестве снимков и хронометраже видео. Вовторых, благодаря повышению пропускной способности каналов доступа в Интернет стало возможным транслировать в потоковом режиме медиаконтент гораздо более высокого качества. Естественно, для хранения видеозаписей высокой четкости (и тем более в стереоскопическом формате) требуется гораздо больше дискового пространства, чем для файлов в формате стандартной четкости.

Серьезным фактором, создающим дополнительную нагрузку на системы хранения данных, является быстрый рост парка мобильных устройств - в первую очередь смартфонов и планшетных ПК. Поскольку подобные гаджеты, как правило, оснащаются относительно небольшим объемом встроенной памяти, у их владельцев часто возникает необходимость задействовать внешние накопители для хранения как генерируемого самостоятельно, так и загружаемого извне медиаконтента.

По словам Джона Райднинга (John Rydning), занимающего пост вице-президента по исследованиям рынка жестких дисков в аналитической компании IDC, в настоящее время отрасль жестких дисков переживает период значительного роста. Совокупная емкость поставляемых накопителей измеряется петабайтами, а ежегодный прирост данного показателя составляет порядка 30%. Однако при этом разработчикам удается увеличивать удельную плотность магнитной записи менее чем на 20% в год.

Таким образом, несмотря на постоянное совершенствование технологий, применяемых в жестких дисках, производители этих компонентов не поспевают за быстрорастущими потребностями рынка. Однако вряд ли можно винить в этом разработчиков, которые и так не покладая рук ищут всё новые и новые способы увеличения плотности магнитной записи.

Например, компания Seagate в 2007 году первой внедрила технологию перпендикулярной магнитной записи (Perpendicular Magnetic Recording, PMR) в серийно выпускаемых жестких дисках. Благодаря ориентации магнитных доменов не параллельно плоскости диска, а перпендикулярно ей, удалось уменьшить размеры дорожки и за счет этого увеличить емкость одной пластины до 250 Гбайт.

Спустя пять лет, благодаря планомерному развитию данной технологии, удалось увеличить удельную плотность магнитной записи в четыре раза и уместить 1 Тбайт данных на одной пластине. Это достижение позволило запустить в серийное производство 3,5-дюймовые жесткие диски емкостью 4 Тбайт. Однако в нынешних условиях и этого уже оказывается недостаточно.

Одним из способов сократить увеличивающийся разрыв между потребностями пользователей и техническими характеристиками выпускаемых жестких дисков является внедрение технологии так называемой черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR), которую разработали специалисты Seagate. Давайте разберемся, в чем заключается суть этого решения.

Принцип черепицы

Большинству читателей наверняка известно, что данные на поверхности пластин жесткого диска записываются на так называемых дорожках, которые можно упрощенно представить в виде совокупности концентрических окружностей (рис. 1). Чем меньше ширина дорожек и интервалов между ними, тем выше удельная плотность записи, а значит, и емкость накопителя при тех же формфакторе и количестве пластин.

Рис. 1. Схема расположения дорожек
на поверхности магнитной пластины

При традиционном способе магнитной записи минимальная ширина дорожки определяется физическими размерами записывающего элемента головки жесткого диска (рис. 2). К настоящему времени уже достигнут предел миниатюризации элементов магнитных головок, и дальнейшее уменьшение их размеров при использовании существующих технологий невозможно.

Рис. 2. При традиционной схеме расположения дорожек их минимальная ширина
ограничивается размером записывающего элемента магнитной головки накопителя

Технология SMR позволяет обойти данное ограничение и увеличить удельную плотность записи за счет более плотного расположения дорожек, которые частично накладываются одна на другую подобно элементам черепичной кровли (рис. 3). В процессе записи новых данных дорожки с ранее сохраненными данными как бы обрезаются. Поскольку ширина считывающего элемента магнитной головки меньше, чем записывающего, все имеющиеся на пластине данные по-прежнему можно считать с обрезанных дорожек без ущерба для целостности и сохранности этой информации.

Рис. 3. При использовании технологии SMR дорожки располагаются более плотно,
частично перекрывая одна другую

Пока всё просто и понятно. Однако при необходимости записать новые данные поверх уже имеющихся возникает проблема. Ведь в этом случае придется перезаписать не только непосредственно этот фрагмент, но и блоки данных на следующих дорожках. Поскольку записывающий элемент магнитной головки шире считывающего, в процессе перезаписи будут уничтожены данные, ранее сохраненные на сопряженных участках близлежащих дорожек (рис. 4). Таким образом, для обеспечения целостности ранее записанной информации эти блоки необходимо предварительно сохранить в буфер и затем записать обратно на соответствующую дорожку. Причем эту операцию придется последовательно повторить для всех последующих дорожек - до тех пор, пока не будет достигнута граница рабочей области магнитной пластины.

Рис. 4. В процессе перезаписи данных на одной
из дорожек будет затронут участок соседней дорожки

С учетом этой особенности дорожки в жестких дисках с технологией SMR разделены на небольшие группы - так называемые пакеты (рис. 5). Такой подход обеспечивает возможность более гибкого управления процессом добавления и перезаписи данных, а главное, позволяет уменьшить количество дополнительных циклов перезаписи и за счет этого повысить производительность накопителя. Даже если пакет уже заполнен, то при замене блока данных в нем потребуется перезаписать участки лишь ограниченного количества дорожек (до границы данного пакета).

Рис. 5. Схема расположения дорожек в пакете

Структура пакетов на накопителе может быть разной в зависимости от сферы применения той или иной модели. Таким образом, для каждого семейства жестких дисков можно создать уникальную структуру пакетов, оптимизированную с учетом специфики использования этих накопителей.

Важно отметить, что для внедрения технологии SMR не требуется вносить значительных изменений в конструкцию магнитных головок и перестраивать процесс производства данных комплектующих. Это позволит сохранить себестоимость новых накопителей на прежнем уровне, а за счет более высокой емкости достичь еще более привлекательных показателей удельной стоимости хранения данных.

Заключение

Итак, технология SMR является весьма эффективным решением, позволяющим в короткие сроки и с минимальными затратами удовлетворить растущую потребность в увеличении максимальной емкости жестких дисков. На первом этапе внедрения технологии SMR она позволит увеличить удельную плотность записи данных на 25% - с 1 до 1,25 Тбайт на одну пластину 3,5-дюймового формфактора. Таким образом, уже в следующем году станет возможным выпуск жестких дисков емкостью 5 Тбайт.

Важно отметить, что в случае внедрения технологии SMR увеличение емкости накопителей достигается без наращивания количества магнитных головок и/или пластин жесткого диска. Таким образом, новые винчестеры большей емкости будут столь же надежны, как и ранее выпускавшиеся модели аналогичного формфактора. Кроме того, как уже было упомянуто выше, внедрение технологии SMR не требует внесения значительных изменений в конструкцию жесткого диска. Это, в частности, позволяет использовать такие же магнитные головки и пластины, которые устанавливаются в ныне выпускаемых моделях.

Еще одним достоинством SMR является возможность комбинирования данного решения с различными технологиями магнитной записи. В настоящее время она применяется в жестких дисках с перпендикулярной магнитной записью, однако в перспективе может быть использована в сочетании с другими решениями, которые позволят достичь еще большей удельной плотности записи.

Статья подготовлена по материалам компании Seagate