La tecnologia SMR apre nuovi orizzonti per la registrazione magnetica. Registrazione magnetica piastrellata alias SMR

I moderni computer domestici sono dotati sia di veloci unità a stato solido (SSD), con la velocità di cui nessun HDD meccanico può competere, sia di HDD convenzionali, che hanno un prezzo incomparabilmente più conveniente.

Si è verificata una sorta di specializzazione: per eseguire i programmi vengono utilizzati SSD costosi e veloci e per archiviare i dati vengono utilizzati HDD capienti e lenti. Pertanto, il fronte di battaglia dei dischi meccanici è l'aumento di capacità dovuto alla compattazione dei dati.

Alla ricerca della densità, nel 2007 Seagate ha proposto la tecnologia di registrazione perpendicolare. All'epoca ci furono molte critiche a riguardo. Ma ora questo modo di organizzare i dati è diventato lo standard e senza di esso non è possibile creare dischi di grandi dimensioni.

Ora Seagate ha proposto una nuova tecnologia: la registrazione affiancata.

Principio di funzionamento di base

Il termine "shingled recording" deriva dalla parola inglese - shingled magnetic recording (SMR). La tecnologia aiuta a comprimere i dati in modo che la capacità dell'unità diventi un quarto più grande. Nel classico schema di layout della superficie del disco, tutti i dati vengono scritti su tracce che scorrono lungo la superficie una dopo l'altra.

Quando si utilizza SMR, le tracce sono anche disposte una sopra l'altra. Risulta un tale tipo di dimensione parzialmente terza nel posizionamento dei dati.

I percorsi si sovrappongono solo parzialmente, come le tegole di un tetto. Pertanto, una tale registrazione non può essere definita uno stile tridimensionale a tutti gli effetti. La registrazione sequenziale scrive i dati in sequenza sulle tracce che sono impilate l'una sull'altra.

In questo caso la disposizione del disco non subisce modifiche sostanziali e si possono utilizzare testine magnetiche standard. Tutto ciò aiuta a mantenere basso il prezzo dei dischi rigidi.

Svantaggio di SMR

Il collo di bottiglia della tecnologia SMR è la procedura di riscrittura stessa. Quando riscrivi una delle tracce, dovrai riscrivere tutte quelle vicine con cui si sovrappone. E questo, a sua volta, aumenta notevolmente il tempo di registrazione.

Più in basso si trova la traccia nella serie affiancata, più tracce dovranno essere sovrascritte. Si scopre che, indipendentemente dalla deframmentazione del volume logico, la velocità di scrittura può diminuire in modo significativo.

Per ridurre il numero di tracce riscrivibili aggiuntive, sono raggruppate in strutture chiamate nastri. Le tracce sovrapposte si verificano solo all'interno dello stesso nastro. Pertanto, se improvvisamente i dati si trovano sulla "riquadro" più bassa, il numero di tracce riscrivibili sarà prevedibile e la velocità di riscrittura minima verrà determinata in anticipo.

Il partizionamento in nastri viene eseguito individualmente per ogni modello di disco specifico, a seconda dello scopo del dispositivo. I nastri più lunghi vengono utilizzati su dispositivi in cui non è previsto che i dati vengano sovrascritti di rado. Saranno utilizzati come unità di archiviazione o come dispositivi per la lettura dei dati.

La riduzione della lunghezza del nastro comporterà una perdita nell'aumento delle dimensioni dell'unità, ma aumenterà la velocità di accesso ai dati che si trovano sull'HDD.

Applicazione pratica nel segmento budget

Nella tecnologia sopravvissuta di registrazione dei dati su HDD magnetici, i produttori stanno ancora cercando di aumentare in qualche modo la loro capacità. Tuttavia, è troppo presto per cancellare gli HDD meccanici: il costo di un gigabyte di memoria su di essi è significativamente inferiore a quello delle unità a stato solido.

Nella lotta per lo spazio di archiviazione e la riduzione dei prezzi, nel 2014 Seagate ha rilasciato un modello di unità relativamente economico e capiente: ST8000AS002.

Il disco ha una dimensione di 8 TB, che può essere utile come libreria multimediale domestica. Allo stesso tempo, il prezzo è la metà di quello di altri modelli della stessa dimensione (10 volte inferiore a un SSD dello stesso volume).

Questo HDD è progettato specificamente per l'archiviazione dei dati. Se inizialmente viene scritto, i dati verranno scritti a una velocità non significativamente inferiore agli altri dischi. E la lettura verrà eseguita a velocità abbastanza accettabili.

Questo modello ha suscitato un atteggiamento controverso tra gli utenti, e finora una cosa è chiara: la tecnologia non è passata ed interessa a se stessa.

Riassumendo

La tecnologia SMR continua a migliorare: i principi in essa stabiliti danno spazio alla realizzazione di diverse varianti di dischi, ottimizzate sia nelle dimensioni che nella velocità. E se combinato con tecniche come il riempimento della camera del disco con elio, la produttività complessiva può essere aumentata.

Per quanto riguarda il prezzo, sono più economici, circa 1000-2000r rispetto ad altri HDD. A seconda del negozio e di dove vivi.

Seagate ha dichiarato alla fine dello scorso anno che i dischi rigidi continueranno ad evolversi nei prossimi 20 anni, durante i quali rimarranno un supporto di archiviazione rilevante. La dichiarazione suggerisce chiaramente che l'azienda sta sviluppando una serie di tecnologie che aumenteranno la capacità e le prestazioni dei dischi rigidi per molti anni a venire. Successivamente, Seagate ha annunciato i primi HDD con registrazione magnetica "piastrellata", quindi ha introdotto la sua prima piattaforma per dischi rigidi pieni di elio e una serie di modelli con una capacità di 10 TB. Inoltre, non è un segreto che nei prossimi anni ci saranno dischi rigidi basati su tecnologie di registrazione magnetica bidimensionale (registrazione magnetica bidimensionale, TDMR) e registrazione magnetica termica (registrazione magnetica assistita dal calore, HAMR).

Qualche tempo fa, Mark Re, vicepresidente senior e chief technology officer di Seagate, la persona responsabile della ricerca e sviluppo, ha accettato un colloquio con AnandTech per discutere i piani di Seagate per i prossimi anni. Pubblichiamo una trascrizione della conversazione.

⇡#L'evoluzione continua, sorgono nuove sfide

Sebbene le unità dati a stato solido si evolvano rapidamente e aumentino le prestazioni ogni anno, in termini di costo per gigabyte, esse nel prossimo futuro non può competere con i dischi rigidi. Dato questo modello economico, gli HDD devono semplicemente continuare ad evolversi, aumentando la capacità di archiviazione e le prestazioni.

Sfide per i produttori di HDD oggi

L'evoluzione degli hard disk ha sempre comportato lo sviluppo di una serie di parametri: materiali (piatti), meccanica (motori, motori per testine, struttura interna, ecc.), testine di lettura e scrittura, controller e firmware. I fattori chiave che influenzano la crescita delle prestazioni e della capacità dei dischi rigidi non sono cambiati nel corso degli anni. Si tratta della dimensione della cella per la memorizzazione della quantità minima di informazioni, della larghezza della pista (traccia), della velocità di rotazione del mandrino. Lo sviluppo di questi componenti porta inevitabilmente al miglioramento dell'elettronica, delle interfacce di trasferimento dati e di altro hardware all'interno e all'esterno dell'HDD.

Tecnologie di densità di registrazione HDD da utilizzare nel prossimo futuro

L'evoluzione dei dischi rigidi in futuro si baserà principalmente sull'aumento della densità di registrazione delle lastre, sulle nuove testine e sulle capacità di elaborazione dei controller. Inoltre, è quest'ultimo parametro che giocherà un ruolo fondamentale nei prossimi anni. Ma cosa aspettarsi esattamente e quando? In realtà, questo è l'argomento della conversazione con il signor Ree.

⇡#Seagate prevede di espandere l'uso delle lastre SMR

Oggi, la stragrande maggioranza dei dischi rigidi si basa sulla tecnologia di registrazione magnetica perpendicolare (PMR). Le capacità di PMR sono abbastanza sufficienti per le applicazioni odierne in termini di densità di registrazione e prestazioni. Alcuni anni fa, i produttori di dischi rigidi ritenevano che la tecnologia PMR non avrebbe consentito di registrare più di un terabit di dati per pollice quadrato (Tbps). Tuttavia, ci sono stati alcuni progressi negli ultimi due anni e sembra che la tecnologia sia ancora in evoluzione. Tuttavia, un aumento più serio della densità di registrazione richiede la tecnologia di registrazione magnetica shingled (SMR), che Seagate Technology Corporation ha iniziato a utilizzare diversi anni fa per le unità specializzate.

Registrazione magnetica piastrellata: principi di base

La tecnologia SMR può aumentare la densità di registrazione oltre 1 Tbps, ma comporta una serie di problemi che devono essere affrontati. Quindi, i dischi rigidi che utilizzano la registrazione affiancata registrano nuove tracce che "sovrappongono" parte delle tracce magnetiche registrate in precedenza. Le tracce "sovrapposte" rallentano la registrazione perché l'architettura del disco SMR richiede la scrittura di nuovi dati e quindi la sovrascrittura delle tracce adiacenti. Per ridurre al minimo la sovrascrittura, il controller del disco rigido basato su SMR dispone le tracce "affiancate" in gruppi (le cosiddette bande). Ciò ottimizza il numero di tracce che devono essere riscritte dopo le operazioni di scrittura e quindi può aiutare a garantire prestazioni prevedibili delle unità SMR in scenari tipici.

Raggruppare le tracce in nastri non è l'unico modo per nascondere le caratteristiche della registrazione magnetica affiancata. In effetti, ogni disco rigido basato su piatto SMR ha zone che utilizzano la tecnologia di registrazione PMR con una velocità di scrittura relativamente elevata. Queste zone vengono utilizzate per la registrazione rapida dei dati e una serie di altre operazioni quando necessario. Successivamente, le informazioni dalle zone PMR vengono automaticamente spostate nelle zone SMR senza alcuna azione da parte dell'utente o del sistema operativo (che è simile alle operazioni di garbage collection SSD). Seagate non rivela le configurazioni effettive delle sue corsie SMR o delle capacità della zona PMR, ma osserva che tali configurazioni dipendono dai tipi di applicazioni per cui sono destinati modelli di dischi rigidi specifici (ad es. caratteristiche simili differiscono per gli HDD consumer e le unità di archiviazione a freddo). ).

Per garantire ulteriormente prestazioni ottimali, i dischi rigidi basati su SMR utilizzano anche grandi cache basate su DRAM e/o NAND flash. Ad esempio, il disco rigido Seagate Mobile da 2,5" da 2 TB annunciato all'inizio di quest'anno include 128 MB di DRAM e una quantità non specificata di flash NAND a cella a bit singolo (SLC). Il buffer SLC NAND ha una velocità di scrittura abbastanza elevata, il che significa che, nel caso di lavorare con piccole quantità di dati, l'unità di cui sopra vanterà una velocità di scrittura molto elevata. Poiché la quantità di NAND non è molto grande (meno di un gigabyte nel caso del modello citato), questo non aiuterà in alcun modo nel caso di scrittura di file di grandi dimensioni. Ma per le esigenze domestiche, una tale architettura dovrebbe essere abbastanza utile.

Una delle cose di cui Seagate è orgogliosa è il suo approccio iterativo all'ottimizzazione delle prestazioni di scrittura dei dischi rigidi basati su piatti SMR. Si può affermare che i dati sulle prestazioni dichiarati per Seagate Archive 8 TB e Seagate Mobile 2 TB non sono impressionanti. Tuttavia, non si può non notare l'implementazione della cache a tre livelli in Seagate Mobile 2 TB, che include zone PMR, NAND e DRAM, che dimostra la complessità piuttosto elevata di tali HDD. Chiaramente, l'architettura delle unità client basate su SMR richiede controller ad alte prestazioni per gestire i buffer, trasferire dati dalle zone PMR alle zone SMR ed eseguire altre operazioni, il tutto per garantire le prestazioni previste in una varietà di carichi di lavoro. Abbiamo già visto qualcosa di simile con gli SSD basati su NAND TLC, che utilizzano buffer basati su pseudo-SLC per abilitare scritture veloci. A seconda dei piani di Seagate, l'architettura dei dischi rigidi basati su SMR (ovvero le cosiddette unità gestite dal dispositivo che gestiscono completamente il proprio lavoro senza la partecipazione di applicazioni, sistema operativo e/o hardware di terze parti) può essere ampliata per aumentare ulteriormente prestazione.

Per il prossimo futuro, Seagate prevede di espandere l'uso di piatti magnetici piastrellati. Seagate introdurrà presto dischi rigidi basati su SMR per applicazioni di sorveglianza (ovvero ottimizzati per la registrazione in streaming da un gran numero di telecamere di sorveglianza, almeno 32-64). Seguiranno ulteriori dischi rigidi "piastrellati" per i dispositivi client. Non vi è alcuna certezza che la tecnologia SMR verrà utilizzata per applicazioni ad alte prestazioni. Primo, perché la PMR continua ad evolversi; in secondo luogo, per l'inevitabile emergere di nuove tecnologie, di cui parleremo in seguito. Tuttavia, potremmo benissimo vedere un qualche tipo di unità ibrida che utilizzerebbe sia SMR che PMR per garantire prestazioni elevate. In ogni caso, Seagate non crede che SMR possa essere utilizzato esclusivamente per archiviare dati "freddi" usati raramente.

⇡#L'elio rimarrà un'esclusiva degli HDD ad alta capacità

In genere, le aziende tendono a introdurre prima le nuove tecnologie nei prodotti di fascia alta (appassionati o aziendali), quindi applicarle a tutte le altre famiglie di prodotti, come PC client o dispositivi specializzati. Nel tempo, qualcosa che una volta era una caratteristica esclusiva di dispositivi costosi ed "estremi" diventa parte integrante dei prodotti di massa. In una certa misura, lo vedremo nel caso di dischi rigidi pieni di elio. Tuttavia, non tutto così semplice.

I principali vantaggi degli HDD riempiti di elio. Diapositiva HGST

La densità dell'elio è sette volte inferiore alla densità dell'aria, il che riduce la forza di attrito che agisce sulle piastre magnetiche all'interno dei dischi rigidi e riduce anche la forza dei flussi di gas che influenzano la precisione di posizionamento di testine e piatti. Il riempimento di dischi rigidi con elio consente di installare fino a sette piatti al loro interno, ridurre la potenza dei motori del mandrino, aumentare la precisione del posizionamento della testina e ridurre il rumore e la generazione di calore. Tutti questi vantaggi sono essenziali per i data center di oggi. HGST ha introdotto il primo disco rigido a elio commerciale al mondo nel 2013 e Seagate ha iniziato a vendere i suoi dischi a elio da 10 TB questa primavera.

Nel novembre dello scorso anno, Seagate ha affermato di aver iniziato a sperimentare con l'elio all'inizio degli anni 2000 e di aver avuto 12 anni di esperienza con esso alla fine dello scorso anno. Mark Rea ha ribadito che Seagate conosce molto bene l'elio e che la sua piattaforma HDD sigillata è molto affidabile. Tuttavia, la commercializzazione di quest'ultimo è in una fase iniziale. Quindi, al momento, Seagate non ha nemmeno un nome commerciale per questo (Western Digital chiama le sue piattaforme HelioSeal).

Mentre il riempimento dei dischi rigidi con elio aiuta a posizionare le testine in modo più accurato (importante in quanto le larghezze dei binari e le dimensioni delle celle si riducono), Seagate afferma che l'azienda utilizza soluzioni puramente meccaniche per ridurre la forza dei flussi di gas all'interno dei dischi rigidi e prevede di migliorarli ulteriormente in futuro . Pertanto, l'uso dell'elio non è obbligatorio per le prossime generazioni di dischi rigidi, che utilizzeranno HAMR, TDMR e altre tecnologie per aumentare la densità di scrittura e la velocità di lettura.

Seagate ritiene che l'ottimizzazione della capacità del disco rigido (che aumenta automaticamente la capacità del rack del server e del data center) e la riduzione al minimo del consumo energetico siano essenziali in primo luogo per i data center (che è esattamente il motivo per cui sette piatti e motori a bassa potenza hanno senso in questo segmento di mercato). Tuttavia, poiché la riduzione delle forze del flusso di gas può essere ottenuta in vari modi, l'uso dell'elio potrebbe non essere necessario per quelle piattaforme HDD che non sono progettate per creare prodotti di massima capacità.

Sebbene Seagate possa non sembrare molto entusiasta degli HDD sigillati, va ricordato che le grandi aziende sviluppano sempre un'intera gamma di tecnologie e piattaforme e poi le utilizzano quando arriva il momento. Pertanto, se Seagate non utilizzerà ora l'elio per HDD client relativamente economici, ciò non significa che l'azienda non sarà in grado di introdurre tali dispositivi in futuro. Più recentemente, la società ha annunciato la sua serie di dischi rigidi Data Guardians, i cui modelli di punta da 10 terabyte - BarraCuda, IronWolf e SkyHawk - sono pieni di elio. Naturalmente, stiamo parlando di riutilizzare la piattaforma server introdotta all'inizio di quest'anno, ma è abbastanza chiaro che l'azienda è abbastanza pronta a utilizzare l'elio al di fuori del segmento delle unità del data center.

La concorrente di Seagate, Western Digital Corporation, fa ampio uso della tecnologia HelioSeal per un'ampia varietà di applicazioni. Pertanto, nella primavera di quest'anno, l'azienda ha introdotto i dischi rigidi a elio WD Red, WD Red Pro e WD Purple per NAS e sistemi di videosorveglianza. In aggiunta a questo, ha annunciato un disco rigido esterno My Book da 8 TB, che è riempito di elio, ma ha una velocità del mandrino di soli 5400 giri/min. Ciò suggerisce che la tecnologia HelioSeal sta diventando meno costosa.

Vale la pena notare che mentre Seagate non sta rivelando un piano in avanti per i suoi HDD pieni di elio in questo momento, Mark Rea ha chiarito che un tale piano esiste.

⇡#I dischi rigidi TDMR arriveranno sul mercato nel 2017

La registrazione magnetica bidimensionale (TDMR) è un'altra tecnologia che dovrebbe aiutare ad aumentare la densità di registrazione e le prestazioni dei dischi rigidi. Seagate ritiene che TDMR contribuirà ad aumentare la densità di registrazione del 5-10% (tuttavia, l'essenza della tecnologia è molto più importante di un aumento immediato della densità di registrazione, di cui parleremo più dettagliatamente di seguito). I piani per utilizzare TDMR per dischi rigidi commerciali sono stati annunciati lo scorso settembre e Mark Rea ha confermato che Seagate è sulla buona strada per implementarli. I primi HDD che utilizzano la tecnologia di registrazione magnetica 2D arriveranno sul mercato già nel 2017.

Vantaggi principali della registrazione magnetica 2D

TDMR promette di consentire ai produttori di dischi rigidi di aumentare la densità dei piatti HDD rendendo le tracce più strette e le celle più piccole. Le nuove tecnologie consentono di ridurre al minimo le dimensioni della testa dello scrittore (scrittore), tuttavia la lettura in questo caso diventa un compito difficile. Con un aumento significativo della densità delle tracce sulla piastra magnetica, la testina del lettore (lettore) risulta essere più larga della traccia e diventa più difficile "leggere" i dati su ciascuna traccia a causa dell'interferenza delle tracce adiacenti (interferenza tra le tracce, ITI), che interferisce con il riconoscimento del segnale. Per combattere l'effetto ITI, la tecnologia TDMR prevede l'uso di una serie di lettori che leggeranno i dati da una o più tracce contemporaneamente (il metodo è stato descritto in numerose pubblicazioni scientifiche). La lettura dei dati dalla stessa traccia da parte di due lettori consente al controller dell'HDD di ridurre il rapporto di rumore (rapporto segnale-rumore) da tracce diverse e di leggere i dati correttamente. Ovviamente, ciò richiederà un'elevata potenza di elaborazione dai controller, nonché il controllo degli errori (probabilmente possiamo vedere il metodo LDPC nel caso dei controller del disco rigido). Naturalmente, in teoria, una singola testina di lettura può effettuare più di un "passaggio" sui settori necessari durante le operazioni di lettura, a seguito delle quali il controllore riceverà la quantità di dati richiesta. Tuttavia, un tale algoritmo aumenterà inevitabilmente i ritardi, richiederà una grande quantità di memoria interna e una maggiore potenza di calcolo. Inoltre, può causare una diminuzione delle prestazioni complessive.

L'aumento del numero di lettori sulla testina dell'HDD diventerà più importante nei periodi di registrazione magnetica assistita dal calore (HAMR): il riscaldamento della superficie del wafer ridurrà la larghezza della traccia e la dimensione della cella, il che porterà ad un aumento della densità di registrazione e dell'ITI. Pertanto, la tecnologia HAMR direttamente aumenterà la densità di registrazione e TDMR fornirà l'opportunità di risolvere i problemi con l'interferenza ITI.

Inoltre, Mark Rea ha affermato che con una programmazione adeguata, i dischi rigidi con più lettori sulla stessa testina otterranno prestazioni migliori. Stiamo parlando del fatto che i lettori saranno in grado di leggere contemporaneamente i dati dalle tracce adiacenti, il che aumenterà la velocità di lettura per grandi quantità di dati. Questo ovviamente non renderà i nuovi dischi rigidi veloci quanto gli SSD, ma aiuterà i clienti Seagate ad aumentare le prestazioni dei loro sistemi di storage. Al momento, l'azienda non sta parlando dei suoi piani per utilizzare più lettori per aumentare le prestazioni negli HDD commerciali, dal momento che tali dispositivi non appariranno domani, se non del tutto, ma sta valutando tale possibilità.

Mark Rea ha confermato che TDMR consente ai produttori di HDD di aumentare la densità di registrazione di circa il 10%, il che è abbastanza significativo rispetto ai tradizionali piatti di tipo PMR. Tuttavia, la capacità di archiviazione aggiuntiva non sarà "gratuita", almeno in termini di potenza di elaborazione dei controller del disco rigido. Una serie di lettori in testa aumenta i requisiti di larghezza di banda del controller, nonché la quantità di informazioni che devono essere elaborate. Di conseguenza, l'intera piattaforma TDMR diventa molto costosa: utilizza un gran numero di lettori, nuovi piatti, nuovi motori e nuovi controller. Questo è il motivo per cui Seagate prevede di utilizzare tali piattaforme principalmente per le unità server all'inizio del 2017. Seagate non ha confermato se tali dischi rigidi utilizzeranno sia TDMR che elio, ma Mark Rea ha affermato che praticamente tutte le tecnologie possono essere utilizzate insieme all'interno di un'unica piattaforma HDD per creare soluzioni pertinenti per una varietà di applicazioni. Tuttavia, ricorda che stiamo parlando di piani e spesso cambiano.

⇡#Nuova generazione di dischi rigidi da 10K e 15K in arrivo

Oggi, i dischi rigidi ad alta velocità non sono i dispositivi di archiviazione più veloci. Tuttavia, vengono utilizzati per server a funzionamento continuo, la cui sostituzione è piuttosto rara a causa dell'uso di software specializzati e dell'estrema complessità del processo. L'aumento delle prestazioni per tali sistemi è una componente importante. Ecco perché Seagate Corporation sta preparando una nuova generazione di dischi rigidi con una velocità del mandrino di 10 e 15 mila giri al minuto (10.000 e 15.000 giri al minuto, RPM).

Server Dell PowerEdge. Foto Dell

Molti server in esecuzione ad azione continua (mission critical, MC) continueranno a fare affidamento su dischi rigidi con velocità del mandrino elevate. Tali HDD utilizzano l'interfaccia SAS (Serial Attached SCSI) con tutti i suoi vantaggi per tali macchine: queste unità non stupiscono per le prestazioni, ma sono utilizzate ovunque. Non verranno ritirati dal servizio a breve, il che è un buon segno per i produttori di HDD. Tuttavia, il mercato (total available market, TAM) degli hard disk ultra veloci da 10K e 15K si è ridotto negli ultimi anni proprio a causa degli SSD. Ma ciò non significa che i dischi rigidi veloci non vengano più sviluppati. dappertutto - infatti, Seagate sta preparando un'altra generazione di tali dispositivi.

Disco rigido Seagate Enterprise Performance da 10.000 giri/min

La nuova generazione di dischi rigidi Seagate Enterprise Performance 10K avrà non solo una velocità del mandrino di 10.000 giri/min, ma più lettori per testa. Entrambe le testine leggeranno la stessa traccia a causa dell'altissima densità di registrazione (ricordiamo che i dischi rigidi da 2,5 pollici possono utilizzare piatti più piccoli, quindi possiamo gestire qualcosa al di sopra di 1 Tbps2), garantendo così le prestazioni attese di un'unità da 10K eliminando ITI. Considerando che nel caso di dischi rigidi da 10K abbiamo a che fare con dispositivi di archiviazione dati critici, dovremmo aspettarci che si basino su piatti PMR o SMR già familiari. Tuttavia, le testine multi-lettore possono eventualmente apparire negli HDD basati su HAMR.

Disco rigido Seagate Cheetah da 15.000 giri/min

Per quanto riguarda i dischi rigidi con una velocità del mandrino di 15mila giri al minuto, Seagate si comporta in modo un po' più modesto e riservato. La società conferma che sta lavorando su un'altra generazione di HDD da 15K, ma è riluttante a rivelare i dettagli. Va ricordato che ci sono molte aziende che utilizzano un gran numero di dischi rigidi SAS da 15K nel data center e quindi un'altra generazione di tali unità sarebbe utile. Allo stesso tempo, la SNIA ha un ambizioso piano a lungo termine per sviluppare l'interfaccia SAS e aumentare le velocità di trasferimento dei dati a 24 Gb/s entro il 2020 e oltre. Pertanto, è importante per Seagate offrire sia SSD che HDD per questo segmento di mercato. Va ricordato che le vendite di HDD da 15K sono diminuite negli ultimi anni e la nuova generazione di tali dispositivi potrebbe essere l'ultima, motivo per cui dovrebbe offrire un certo insieme di funzionalità e tecnologie di cui Seagate non vuole discutere. Forse non tanto a causa della concorrenza, ma perché l'azienda sta lavorando con i suoi clienti per includere le funzionalità nel nuovo HDD che sono davvero necessarie.

Tuttavia, con l'emergere di nuove piattaforme di data center, la necessità di dischi rigidi da 10K/15K diminuirà inevitabilmente. Ad esempio, tutti i nuovi SSD prodotti da Intel per data center e server continui sono progettati per l'interfaccia PCIe e il protocollo NVMe. In qualità di uno dei maggiori produttori di SSD NVMe di fascia alta (famiglia di acceleratori Seagate Nytro), Seagate seguirà le tendenze del mercato. Inoltre, le recenti dimostrazioni SSD dell'azienda (come l'SSD da 60 GB e l'SSD da 10 GB/s) confermano la comprensione e lo sviluppo degli SSD da parte di Seagate.

⇡#HAMR: oltre 2 Tbps e oltre

Come accennato in precedenza, le tecnologie SMR e TDMR sono in grado di aumentare la densità di registrazione su dischi rigidi del 10-20% rispetto alla densità di registrazione odierna. Seagate ha fatto molto per rendere la tecnologia SMR la più praticabile per un'ampia varietà di tipi di dischi rigidi e in futuro vedremo i frutti di TDMR. Tuttavia, date le limitazioni fisiche di SMR e TDMR, nonché il costo relativamente elevato degli HDD riempiti di elio, è necessaria una nuova tecnologia di registrazione magnetica per aumentare significativamente la capacità di archiviazione. Finalmente (sappiamo che stavi aspettando questa particolare sezione :)), è il momento di parlare della tecnologia di registrazione termomagnetica - HAMR.

Vantaggi chiave della tecnologia HAMR

Seagate afferma che i prototipi dei suoi dischi rigidi basati su HAMR utilizzano testine che riscaldano il piatto localmente a 450°C utilizzando un laser da 20 mW a 810 nm. Attualmente, i dischi rigidi basati su HAMR hanno una densità di registrazione di circa 2 Tbps, che è significativamente superiore rispetto ai dischi rigidi odierni basati su piatti PMR o SMR. Potenzialmente, ciò significa che Seagate può raddoppiare la capacità dei dischi rigidi semplicemente utilizzando la tecnologia HAMR. In realtà, non tutto è così semplice.

Un dispositivo che trasmette radiazioni termiche per riscaldare un supporto dati è chiamato trasduttore ottico di campo vicino (NFT). Quando esposto a un laser, l'NFT trasferisce l'energia termica alla piastra, espandendo così le celle e consentendo la registrazione. I produttori di dischi rigidi utilizzano l'oro come materiale principale per gli NFT grazie alle sue eccellenti proprietà ottiche. D'altra parte, l'oro ha una resistenza meccanica relativamente bassa e tali NFT possono deformarsi se esposti a temperature elevate per lungo tempo. A sua volta, la deformazione può portare a una diminuzione della capacità di trasferire energia termica al supporto, il che, di fatto, significa un guasto del disco rigido. Questo è il motivo per cui Seagate e altri produttori di dischi rigidi hanno ricercato e brevettato vari materiali (leghe a base d'oro, per la precisione) per NFT nel corso degli anni. Naturalmente, Seagate non rivela la lega che viene utilizzata nei prototipi di HDD HAMR in questo momento.

Tuttavia, Mark Rea sottolinea che quando l'azienda spedirà i primi dischi rigidi basati su HAMR ai suoi partner per la valutazione nel 2017 e poi ai sistemi commerciali nel 2018, saranno costruiti per durare a lungo, proprio come gli HDD di oggi. Seagate non rivela dati specifici sulle capacità dei dischi rigidi basati su HAMR, ma afferma che saranno in grado di sovrascrivere i dati più volte al giorno per cinque anni, il che indica un'affidabilità abbastanza elevata. Alla fine, anche le unità del PC client utilizzeranno HAMR, ma tali dispositivi appariranno relativamente presto.

Oltre a un solido NFT, i dischi rigidi basati su HAMR avranno bisogno di nuove testine (con un riscaldatore, uno scrittore e possibilmente più lettori per combattere l'effetto ITI), il che significa molto lavoro hardware su più fronti. Inoltre, saranno necessari controller e firmware più potenti. Come previsto, HAMR consentirà di aumentare non solo la capacità, ma anche le prestazioni dei dischi rigidi. Tuttavia, Seagate dovrà sviluppare una piattaforma piuttosto complessa per questo, che includerà nuovi materiali multimediali, nuove testine, controller avanzati e una serie di altre cose.

Va notato che HAMR è una sfida per l'intero settore, non solo per Seagate. Di conseguenza, una volta che l'industria avesse capito come rendere i dischi rigidi con tecnologia HAMR affidabili quanto i dischi rigidi tradizionali, la tecnologia avrebbe iniziato a essere prodotta in serie.

⇡#Riassumendo

L'evoluzione dei dischi rigidi consumer negli ultimi anni non è stata particolarmente entusiasmante, ma quest'anno le cose hanno iniziato a cambiare. L'uso di SMR aiuterà ad aumentare la capacità del disco rigido nei prossimi trimestri, quindi TDMR aprirà nuove porte per i prossimi anni. C'è una cosa che dovrebbe essere chiara a questo punto: l'evoluzione dei dischi rigidi in futuro sarà diversa dalla loro evoluzione in passato. La ragione di ciò era la segmentazione del mercato degli HDD e la necessità di specializzazione dei modelli.

Disco rigido Seagate

Ad esempio, i dischi rigidi per l'archiviazione, le applicazioni nearline, NAS e DAS devono avere una maggiore capacità. Tuttavia, le prestazioni non sono importanti per i dischi rigidi di archiviazione o DAS. Allo stesso tempo, nearline e NAS dovrebbero offrire sia capacità che prestazioni relativamente elevate poiché possono essere utilizzati da un gran numero di client contemporaneamente. Il modo più logico per garantire la massima capacità e prestazioni oggi è utilizzare una piattaforma a elio con un motore da 7200 giri/min. Come si può vedere dagli ultimi annunci di Seagate e Western Digital, questo approccio viene utilizzato per dischi rigidi da 10 TB (nel caso di Seagate, si tratta di dispositivi Enterprise Capacity, Barracuda Pro, SkyHawk e IronWolf), quando i modelli di punta sono costruiti su una piattaforma speciale. Se stiamo parlando solo della capacità massima per un PC, la piattaforma client SMR di Seagate è la più adatta per tali unità.

È improbabile che la situazione cambi nei prossimi anni, poiché lo sviluppo di tecnologie per la prossima generazione di dischi rigidi richiede investimenti significativi in un contesto in cui la domanda di dischi rigidi è in calo. Di conseguenza, una serie di tecnologie o combinazioni di tecnologie non verranno utilizzate per costruire tutto tipi di dischi rigidi (non vedremo HDD pieni di elio nel segmento di prezzo basso). Alcune cose rimarranno principalmente nel data center, unità specializzate e costose (come l'elio), altre saranno strettamente dirette ai computer client (unità ibride).

Inoltre, Seagate e i suoi concorrenti sanno che gli HDD non possono competere con gli SSD in termini di prestazioni, specialmente in situazioni di lettura/scrittura casuali. Pertanto, sebbene i dischi rigidi acquisiranno velocità e capacità aggiuntive nei prossimi anni, non dovremmo aspettarci che le loro prestazioni d'ora in poi saranno il principale motivo di preoccupazione per i produttori. La densità di registrazione e il consumo energetico stanno diventando nuovi fattori di cui si occupano Seagate, Toshiba e Western Digital.

Il piano avanzato di Seagate include SMR, TDMR, HAMR e vari altri metodi di registrazione dei piatti. L'azienda sta sviluppando una serie di tecnologie che dovrebbero aumentare la capacità, le prestazioni, l'affidabilità e la durata dei futuri dischi rigidi utilizzando i suddetti metodi di registrazione. Sebbene Seagate sia fiduciosa che i suoi dispositivi saranno richiesti, ci sono cose difficili da prevedere: ad esempio, non siamo sicuri di come si svilupperà il mercato dello storage client. Comunque sia, il tempo lo dirà.

Oggi, la crescita dei dati per persona sta crescendo in modo esponenziale e le aziende che offrono soluzioni di archiviazione per questi dati si stanno impegnando a fare tutto il possibile per aumentare la capacità disponibile dei propri dispositivi. La tecnologia di registrazione magnetica per piastrelle Shingled Magnetic Recording (SMR) di Seagate migliora la densità di registrazione, aumentando la capacità del disco del 25%. Ciò è possibile aumentando il numero di tracce su ciascuna piastra e riducendo la distanza tra loro. Le tracce sono posizionate una sopra l'altra (come le tegole su un tetto), il che consente di registrare più dati senza aumentare l'area della lastra. Quando vengono scritti nuovi dati, le tracce si sovrappongono o vengono "troncate". A causa del fatto che l'elemento di lettura sulla testina del disco è più piccolo dell'elemento di scrittura, può leggere i dati anche da una traccia troncata senza violarne l'integrità e l'affidabilità.

Tuttavia, il seguente problema è associato alla tecnologia SMR: per sovrascrivere o aggiornare le informazioni, è necessario sovrascrivere non solo il frammento richiesto, ma anche i dati sulle ultime tracce. Poiché il registratore è più ampio, acquisisce i dati sulle tracce adiacenti, quindi è necessario sovrascrivere anche quelle. Pertanto, quando si cambiano i dati sulla traccia inferiore, è necessario correggere i dati sulla traccia sovrapposta più vicina, quindi su quella successiva e così via, fino a quando l'intera lastra non viene riscritta.

Per questo motivo, le tracce su un disco SMR sono raggruppate in piccoli gruppi chiamati nastri. Sovrapposte l'una all'altra, rispettivamente, solo le tracce all'interno dello stesso nastro. Grazie a questo raggruppamento, se si aggiornano alcuni dati, non sarà necessario riscrivere l'intera targa, ma solo un numero limitato di tracce, il che semplifica e velocizza notevolmente il processo. Per ogni tipo di disco viene sviluppata la propria architettura a nastro, tenendo conto dell'ambito della sua applicazione. Ogni linea di prodotti Seagate è progettata per un'applicazione e un ambiente specifici e la tecnologia SMR offre i migliori risultati se utilizzata correttamente.

Seagate SMR è la tecnologia per soddisfare la domanda sempre crescente di capacità aggiuntiva. Oggi viene attivamente migliorato e, in combinazione con altri metodi innovativi, può essere utilizzato per aumentare la densità di registrazione sui dischi rigidi di prossima generazione.

Ma prima di tutto, è necessario comprendere alcune delle sfumature della sua applicazione.

Esistono tre tipi di dispositivi che supportano la registrazione affiancata:

Autonomo (Drive Managed)

L'utilizzo di questi dispositivi non richiede modifiche al software host. Tutta la logica di scrittura/lettura è organizzata dal dispositivo stesso. Significa che possiamo semplicemente installarli e rilassarci? No.

Le unità che implementano la tecnologia di scrittura Drive Managed di solito hanno una grande quantità di cache di write-back (da 128 MB per disco). In questo caso, le richieste sequenziali vengono elaborate in modalità write-around. Le principali difficoltà incontrate dagli sviluppatori di dispositivi e sistemi di archiviazione basati su questa tecnologia di registrazione sono le seguenti:

1. La dimensione della cache è limitata e man mano che si riempie, possiamo ottenere prestazioni del dispositivo imprevedibili.
2. Talvolta si verificano livelli di latenza significativi quando si svuota pesantemente la cache.
3. La determinazione delle sequenze non è sempre un compito banale e in casi complessi possiamo aspettarci un degrado delle prestazioni.

Il vantaggio principale di questo approccio è la completa compatibilità con le versioni precedenti dei dispositivi con i sistemi operativi e le applicazioni esistenti. Con una buona comprensione della tua attività, puoi acquistare ora i dispositivi Drive Managed e beneficiare della tecnologia. Più avanti nell'articolo, vedrai i risultati del test di tali dispositivi e sarai in grado di decidere come si adattano a te.

Gestito dall'host

Questi dispositivi utilizzano una serie di estensioni ATA e SCSI per interagire con i dischi. Si tratta di un diverso tipo di dispositivo (14h), che richiede importanti modifiche all'intero Storage Stack ed è incompatibile con le tecnologie classiche, ovvero senza particolari adattamenti di applicazioni e sistemi operativi non sarà possibile utilizzare queste unità. L'host deve scrivere sui dispositivi in modo rigorosamente sequenziale. Allo stesso tempo, le prestazioni del dispositivo sono prevedibili al 100%. Ma è necessario il corretto funzionamento del software di livello superiore affinché le prestazioni del sottosistema di archiviazione siano veramente prevedibili.

Consapevole dell'ospite

Si tratta di soluzioni ibride che combinano i vantaggi delle tecnologie Device Managed e Host Managed. Acquistando tali unità, otteniamo il supporto per la compatibilità con le versioni precedenti con la possibilità di utilizzare estensioni ATA e SCSI speciali per un lavoro ottimale con i dispositivi SMR. Cioè, possiamo sia scrivere semplicemente sui dispositivi, come abbiamo fatto prima, sia farlo nel modo più ottimale.

Per fornire il lavoro con i dispositivi Host Managed e Host Aware, sono in fase di sviluppo un paio di nuovi standard: ZBC e ZAC, che sono inclusi in T10 / T13. ZBC è un'estensione di SCSI ed è ratificato da T10. Gli standard sono in fase di sviluppo per le unità SMR, ma potrebbero essere applicati ad altri dispositivi in futuro.

ZBC/ZAC definisce un modello di dispositivo logico in cui l'elemento principale è una zona, mappata come un intervallo LBA.

Gli standard definiscono tre tipi di zone logiche in cui sono suddivisi i dispositivi:

1. Zona convenzionale - una zona con la quale possiamo lavorare in modo tradizionale, come con i normali dischi rigidi. Cioè, possiamo scrivere in modo sequenziale e casuale.

2. Due tipi di zona del puntatore di scrittura:

2.1. Scrittura sequenziale preferita: il tipo di zona principale per i dispositivi Host Aware, è preferita la scrittura sequenziale. Le scritture casuali sui dispositivi vengono gestite come i dispositivi Device Managed e possono causare un degrado delle prestazioni.

2.2. Solo scrittura sequenziale: il tipo di zona principale per i dispositivi gestiti dall'host, è possibile solo la scrittura sequenziale. Le scritture casuali non sono consentite e i tentativi di farlo restituiranno un errore.

Ogni zona ha il proprio puntatore di scrittura e il proprio stato. Per tutti i dispositivi che supportano il tipo di scrittura HM, il primo LBA del comando di scrittura successivo deve corrispondere alla posizione del puntatore di scrittura. Per i dispositivi HA, Write Pointer è informativo e serve per ottimizzare la gestione del disco.

Oltre alla nuova struttura logica, negli standard compaiono nuovi comandi:

REPORT_ZONES è il metodo principale attraverso il quale è possibile ottenere informazioni sulle zone esistenti sul dispositivo e sul loro stato. In risposta a questo comando, il disco segnala le zone esistenti, i loro tipi (convenzionale, scrittura sequenziale richiesta, scrittura sequenziale preferita), lo stato della zona, le dimensioni e le informazioni sulla posizione del puntatore di scrittura.

RESET_WRITE_POINTER è il successore del comando TRIM per i dispositivi ZBC. Quando viene chiamato, la zona viene cancellata e il puntatore di scrittura viene spostato all'inizio della zona.

Per gestire lo stato della zona vengono utilizzati tre comandi opzionali:

OPEN_ZONE
CLOSE_ZONE
FINISH_ZONE

Sono state aggiunte nuove informazioni alle pagine VPD, incluso il numero massimo di zone aperte per prestazioni migliori e il numero massimo di zone disponibili per scritture casuali con prestazioni migliori.

I produttori di storage devono occuparsi di supportare i dispositivi HA/HM apportando modifiche a tutti i livelli dello stack: librerie, scheduler, motore RAID, volumi logici, file system.

Inoltre, è necessario fornire due tipi di interfacce per il funzionamento delle applicazioni: un'interfaccia tradizionale, che organizza un array come dispositivo gestito dal dispositivo e un'implementazione di volume virtuale come dispositivo HOST AWARE. Ciò è necessario poiché le applicazioni dovrebbero funzionare direttamente con i dispositivi HM/HA.

In generale, l'algoritmo per lavorare con i dispositivi HA è il seguente:

1. Definire la configurazione del dispositivo utilizzando REPORT_ZONES
2. Definire le aree per la registrazione casuale
2.1. La quantità è limitata dalle capacità del dispositivo
2.2. In queste zone non è necessario tenere traccia della posizione del puntatore di scrittura
3. Utilizzare il resto delle zone per la scrittura sequenziale e utilizzare le informazioni sulla posizione del puntatore di scrittura ed eseguire solo la scrittura sequenziale
4. Controllare il numero di zone aperte
5. Utilizzare Garbage Collection per Deallocare il pool di zone

Alcune tecniche di scrittura possono essere applicate dai sistemi di storage all-flash disponibili, per i quali sono stati risolti i problemi di scrittura sequenziale prostatica e garbage collection.

RAIDIX ha testato le unità SMR di Seagate nel proprio laboratorio e fornisce alcuni consigli per il loro utilizzo. Queste unità differiscono in quanto sono gestite dal dispositivo e non richiedono modifiche importanti all'applicazione.

Durante i test, è stato fatto un tentativo di testare le aspettative sulle prestazioni di tali unità e capire per cosa possiamo usarle.

I test hanno coinvolto due HDD Seagate Archive con una capacità di 8000 GB.
Il test è stato eseguito sul sistema operativo Debian versione 8.1
CPU Intel i7 c 2,67 MHz
16 GB di RAM
Le unità hanno un'interfaccia SATA 3, abbiamo trasformato il controller in modalità AHCI.

Per cominciare, forniamo informazioni sui dispositivi eseguendo una query di richiesta.

Per fare ciò, abbiamo utilizzato il set di utilità sg3-utils.

sg_inq /dev/sdb
standard RICHIESTA:
PQual=0 Tipo_dispositivo=0 RMB=0 versione=0x05
NormACA=0 HiSUP=0 Resp_data_format=2
SCCS=0 ACC=0 TPGS=0 3PC=0 Proteggi=0 BQue=0
EncServ=0 MultiP=0 Addr16=0
WBus16=0 Sync=0 Collegato=0 CmdQue=0
length=96 (0x60) Tipo di periferica: disco
Identificazione del venditore: ATA
Identificazione del prodotto: ST8000AS0002-1NA
Livello di revisione del prodotto: AR13
Numero di serie dell'unità: Z84011LQ

A pagina 83 c'è il VPD.

sg_inq /dev/sdb -p 0x83
RICHIESTA VPD: pagina di identificazione del dispositivo
Descrittore di designazione numero 1, lunghezza del descrittore: 24
designator_type: specifico del fornitore, code_set: ASCII

specifico del fornitore: Z84011LQ
Descrittore di designazione numero 2, lunghezza del descrittore: 72
designator_type: identificazione del fornitore T10, code_set: ASCII
associato all'unità logica indirizzata
ID fornitore: ATA
specifico del fornitore: ST8000AS0002-1NA17Z Z84011LQ

Non abbiamo visto niente di speciale. I tentativi di leggere le informazioni sulla zona non sono riusciti.

RAIDIX produce software per sistemi di archiviazione che funzionano in vari settori e abbiamo cercato di non utilizzare benchmark specializzati oa pagamento.

Iniziamo controllando le prestazioni di streaming dei dischi su tracce interne ed esterne. I risultati del test forniranno le massime prestazioni attese del dispositivo e sono principalmente coerenti con attività come l'archiviazione dei dati.

Non abbiamo toccato le impostazioni del sottosistema di blocco. Eseguiamo i test scrivendo i dati sui dischi in blocchi da 1 megabyte. Per questo utilizziamo il benchmark fio v.2.1.11.

I lavori differiscono l'uno dall'altro solo per il loro offset dall'inizio del dispositivo e vengono avviati uno dopo l'altro. libaio viene scelto come libreria di I/O.

I risultati sembrano buoni:

Le prestazioni sulle tracce esterne e interne differiscono di quasi 2 volte.
Vediamo cali di prestazioni intermittenti. Non sono fondamentali per l'archiviazione, ma possono rappresentare un problema per altre attività. Con il corretto funzionamento della cache di write-back del sistema di archiviazione, assumiamo che non osserveremo una situazione del genere. Abbiamo avuto un'esperienza simile, creando un array RAID 0 di entrambe le unità, allocando 2 GB di cache RAM a ciascuna unità e non abbiamo riscontrato cali di prestazioni.

Durante la lettura gli errori non sono visibili. E i test successivi mostreranno che i dischi SMR non differiscono in termini di prestazioni dai normali dischi nelle operazioni di lettura.

Ora condurremo test più interessanti. Eseguiamo 10 thread con offset diversi contemporaneamente. Lo facciamo per verificare la correttezza del buffering e vedere come funzioneranno i dischi su CCTV, Video Ingest e attività simili.
I grafici mostrano la produttività totale per tutti i lavori:

Il disco ha gestito bene il carico!

Le prestazioni rimangono a 90 MB/s, distribuite uniformemente tra i thread e non ci sono cali importanti. Il programma di lettura è assolutamente simile, sollevato solo di 20 MB. Per l'archiviazione e la distribuzione di contenuti video, lo scambio di file di grandi dimensioni, le prestazioni sono adatte e praticamente non differiscono dalle prestazioni dei dischi convenzionali.

Come previsto, i dischi si sono comportati bene in lettura e scrittura in streaming e il multithreading è stata una piacevole sorpresa per noi.

Passiamo alla lettura e alla scrittura "casuali". Vediamo come si comportano i dischi nelle classiche attività aziendali: archiviazione di file DBMS, virtualizzazione, ecc. Inoltre, il lavoro frequente con i metadati e, ad esempio, la deduplica abilitata su un array rientrano nelle operazioni "casuali".

Stiamo testando in blocchi di 16 kilobyte e siamo ancora corretti fio.
Nel test, abbiamo impostato diversi lavori con diverse profondità della coda, ma non forniremo i risultati completi. Solo l'inizio della prova è indicativo.

I primi 70,5 secondi vediamo 2500 IOps non realistici per un disco rigido. Ciò causa frequenti guasti. Apparentemente, in questo momento, il buffer viene scritto e periodicamente ripristinato. Poi c'è un forte calo a 3 IOps, che dura fino alla fine del test.

Se aspetti qualche minuto, dopo che la cache è stata ripristinata, la situazione si ripeterà.

Ci si può aspettare che con un piccolo numero di operazioni casuali, il disco si comporterà bene. Ma se ci aspettiamo un carico intenso sul dispositivo, è meglio astenersi dall'utilizzare i dischi SMR. RAIDIX consiglia di spostare tutto il lavoro con i metadati su dispositivi esterni quando possibile.

E la lettura casuale?
In questo test, abbiamo limitato il tempo di risposta a 50 ms. I nostri dispositivi stanno andando bene.

La lettura è nell'intervallo 144-165 IOP. I numeri in sé non sono male, ma la diffusione di 20 IOP fa un po' paura. Concentrati sulla linea di fondo. Il risultato non è male, a livello di dischi classici.

Cambiamo un po' il nostro approccio. Diamo un'altra occhiata al lavoro con un gran numero di file.
L'utilità frametest di SGI ci aiuterà in questo. Questo benchmark è progettato per testare le prestazioni del tuo sistema di archiviazione durante la modifica di video non compressi. Ogni frame è un file separato.

Abbiamo creato un filesystem xfs e lo abbiamo montato con le seguenti opzioni:
-o noatime,nodiratime,logbufs=8,logbsize=256k,largeio,inode64,swalloc,allocsize=131072k,nobarrier

Esegui frametest con i seguenti parametri:

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

Il benchmark crea 2000 file da 8 MB.

L'inizio del test va bene:

Dettagli medi:

Ultimi 1 secondo: 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

Ma dopo aver registrato 1500 fotogrammi, la situazione peggiora notevolmente:

Dettagli medi:
Apri Frame I/O Data Rate Frame Rate
Ultimi 1 secondo: 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

Dettagli medi:
Apri Frame I/O Data Rate Frame Rate
Ultimi 1 secondo: 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

Facciamo una prova di lettura:

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

Durante tutto il test, le prestazioni sono eccellenti:

Dettagli medi:
Ultimi 1 secondo: 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

Attualmente sono in corso lavori su file system specializzati per dischi SMR.
Seagate sta sviluppando un SMR_FS-EXT4 basato su ext4. È possibile trovare diversi file system strutturati in log progettati specificamente per le unità SMR gestite dal dispositivo, ma nessuno di essi può essere definito un prodotto maturo e consigliato per l'implementazione. Seagate sta inoltre sviluppando una versione Host Aware dell'unità SMR, che dovrebbe essere completata entro la fine dell'anno.

Quali conclusioni possiamo trarre dai risultati delle misurazioni delle prestazioni?
I dispositivi gestiti dal dispositivo possono essere utilizzati in sicurezza per attività che non differiscono nella registrazione intensiva. Affrontano molto bene le attività di registrazione a thread singolo e multi-thread. Sono ottimi per leggere i dati. Le richieste periodiche "casuali" del disco per gli aggiornamenti dei metadati vengono consumate da una cache di grandi dimensioni.

Per risolvere problemi caratterizzati da un'intensa registrazione "casuale" o dall'aggiornamento di un numero elevato di file, tali dispositivi non sono molto adatti, almeno senza l'utilizzo di mezzi tecnici aggiuntivi.

Il parametro MTBF delle unità testate è 800.000 ore, che è 1,5 volte inferiore a quello, ad esempio, delle unità NAS. L'ampio volume di dischi aumenta notevolmente il tempo di ripristino e rende quasi impossibili le normali scansioni dei supporti. Quando si progetta lo storage con tali unità, si consiglia di fare affidamento su RAID con una parità maggiore di 2 e/o approcci che riducono i tempi di ricostruzione (ad esempio, Parity Declustering).

La tecnologia Shingled Magnetic Recording (SMR) sviluppata dagli specialisti di Seagate consentirà presto di aumentare la densità dei dati sui dischi rigidi del 25% grazie a un layout delle tracce fondamentalmente nuovo. L'anno prossimo verrà lanciata la produzione in serie di dischi rigidi da 3,5 pollici con una capacità di 5 TB e entro il 2020 il volume massimo di tali unità raggiungerà i 20 TB.

esplosione di informazioni

Secondo gli esperti, la popolazione mondiale di circa 7 miliardi di persone genera attualmente un totale di 2,7 zettabyte di dati all'anno. E non è necessario essere uno specialista di tecnologia dell'informazione per capire che questa cifra aumenterà solo ogni anno successivo. Uno dei fattori che contribuisce a ciò è l'aumento della larghezza di banda dei canali utilizzati per la connessione a Internet sia tramite linee fisse che tramite aree pubbliche di accesso wireless e reti cellulari. Anno dopo anno, la quantità di dati (e, soprattutto, file multimediali) caricati sul cloud storage, nonché archiviati sui dischi rigidi dei PC domestici e delle unità NAS, è in aumento. E questo è abbastanza naturale. In primo luogo, aumenta la risoluzione delle foto e delle videocamere domestiche e, di conseguenza, il volume delle immagini memorizzate e delle registrazioni video con lo stesso numero di scatti e tempistica video. In secondo luogo, a causa dell'aumento della larghezza di banda dei canali di accesso a Internet, è diventato possibile trasmettere in streaming contenuti multimediali di qualità molto superiore. Naturalmente, i video ad alta definizione (soprattutto in formato stereoscopico) richiedono molto più spazio di archiviazione rispetto ai file a definizione standard.

Un fattore serio che crea un carico aggiuntivo sui sistemi di archiviazione dati è la rapida crescita della flotta di dispositivi mobili, principalmente smartphone e tablet PC. Poiché tali gadget, di norma, sono dotati di una quantità relativamente piccola di memoria interna, i loro proprietari spesso devono utilizzare unità esterne per archiviare contenuti multimediali sia autogenerati che scaricati esternamente.

Secondo John Rydning, vicepresidente delle ricerche di mercato per i dischi rigidi presso la società di ricerche di mercato IDC, il settore dei dischi rigidi sta attualmente attraversando un periodo di crescita significativa. La capacità totale delle unità fornite è misurata in petabyte e l'aumento annuale di questo indicatore è di circa il 30%. Tuttavia, allo stesso tempo, gli sviluppatori riescono ad aumentare la densità specifica della registrazione magnetica di meno del 20% all'anno.

Pertanto, nonostante il costante miglioramento delle tecnologie utilizzate nei dischi rigidi, i produttori di questi componenti non tengono il passo con le esigenze del mercato in rapida crescita. Tuttavia, non si può certo biasimare per questo gli sviluppatori, che stanno già cercando instancabilmente sempre più nuovi modi per aumentare la densità di registrazione magnetica.

Seagate, ad esempio, ha aperto la strada alla tecnologia Perpendicular Magnetic Recording (PMR) nei dischi rigidi commerciali nel 2007. A causa dell'orientamento dei domini magnetici non paralleli al piano del disco, ma perpendicolari ad esso, è stato possibile ridurre le dimensioni della traccia e quindi aumentare la capacità di una piastra fino a 250 GB.

Cinque anni dopo, grazie allo sviluppo sistematico di questa tecnologia, è stato possibile aumentare di quattro volte la densità specifica della registrazione magnetica e inserire 1 TB di dati su una lastra. Questo risultato ha portato alla produzione in serie di dischi rigidi da 3,5 pollici con una capacità di 4 TB. Tuttavia, nelle condizioni attuali, questo non è più sufficiente.

Un modo per colmare il divario crescente tra la domanda degli utenti e le prestazioni del disco rigido consiste nell'introdurre la tecnologia Shingled Magnetic Recording (SMR) sviluppata da Seagate. Vediamo qual è l'essenza di questa soluzione.

Principio dell'herpes zoster

La maggior parte dei lettori probabilmente sa che i dati sulla superficie dei piatti del disco rigido vengono registrati sulle cosiddette tracce, che possono essere semplificate come un insieme di cerchi concentrici (Fig. 1). Minore è la larghezza delle tracce e gli intervalli tra di esse, maggiore è la densità di registrazione specifica e quindi la capacità dell'unità con lo stesso fattore di forma e numero di piatti.

Riso. 1. Disposizione delle tracce
sulla superficie della piastra magnetica

Con il metodo tradizionale di registrazione magnetica, la larghezza minima della traccia è determinata dalle dimensioni fisiche dell'elemento di registrazione della testina del disco rigido (Fig. 2). Ad oggi il limite della miniaturizzazione degli elementi della testina magnetica è già stato raggiunto ed è impossibile un'ulteriore riduzione delle loro dimensioni utilizzando le tecnologie esistenti.

Riso. 2. Con la disposizione tradizionale dei binari, la loro larghezza minima
limitato dalle dimensioni dell'elemento di registrazione della testina magnetica dell'unità

La tecnologia SMR consente di aggirare questa limitazione e aumentare la densità di registrazione specifica grazie a una disposizione più densa dei binari, che sono parzialmente sovrapposti l'uno all'altro come elementi di un tetto in tegole (Fig. 3). Quando vengono scritti nuovi dati, le tracce con dati precedentemente salvati vengono tagliate come se. Poiché la larghezza dell'elemento di lettura della testina magnetica è inferiore alla larghezza dell'elemento di registrazione, tutti i dati sulla targa possono ancora essere letti dalle tracce ritagliate senza compromettere l'integrità e la sicurezza di queste informazioni.

Riso. 3. Quando si utilizza la tecnologia SMR, le tracce sono disposte più da vicino,
sovrapponendosi tra loro

Mentre tutto è semplice e chiaro. Tuttavia, se è necessario scrivere nuovi dati su quelli esistenti, sorge un problema. Dopotutto, in questo caso, dovrai sovrascrivere non solo questo frammento direttamente, ma anche i blocchi di dati sulle tracce successive. Poiché l'elemento di registrazione della testina magnetica è più largo dell'elemento di lettura, il processo di sovrascrittura distruggerà i dati precedentemente memorizzati su aree adiacenti di tracce adiacenti (Fig. 4). Pertanto, per garantire l'integrità delle informazioni registrate in precedenza, questi blocchi devono essere prima memorizzati nel buffer e quindi riscritti nella traccia appropriata. Inoltre, questa operazione dovrà essere ripetuta in sequenza per tutte le tracce successive - fino a raggiungere il confine dell'area di lavoro della piastra magnetica.

Riso. 4. Nel processo di sovrascrittura dei dati su uno
dei binari, sarà interessato un tratto del binario adiacente

Tenendo presente questa caratteristica, le tracce nei dischi rigidi con tecnologia SMR sono divise in piccoli gruppi: i cosiddetti pacchetti (Fig. 5). Questo approccio fornisce un controllo più flessibile sul processo di aggiunta e sovrascrittura dei dati e, soprattutto, consente di ridurre il numero di cicli di sovrascrittura aggiuntivi e quindi aumentare le prestazioni dell'unità. Anche se il pacchetto è già pieno, quando si sostituisce un blocco dati al suo interno, sarà necessario riscrivere sezioni di un numero limitato di tracce (fino al bordo di questo pacchetto).

Riso. 5. Disposizione dei binari nel pacchetto

La struttura dei pacchetti sull'unità può essere diversa a seconda dell'ambito di un particolare modello. Pertanto, per ogni famiglia di dischi rigidi, è possibile creare una struttura di pacchetto unica, ottimizzata per l'uso specifico di questi dischi.

È importante notare che l'introduzione della tecnologia SMR non richiede modifiche significative nella progettazione delle testine magnetiche e la ristrutturazione del processo produttivo di questi componenti. Ciò manterrà il costo delle nuove unità allo stesso livello e, grazie alla maggiore capacità, si otterranno indicatori ancora più interessanti per il costo unitario dell'archiviazione dei dati.

Conclusione

La tecnologia SMR è quindi una soluzione molto efficace che consente di soddisfare la crescente esigenza di aumentare la capacità massima degli hard disk in tempi brevi e con costi minimi. Nella prima fase di implementazione della tecnologia SMR, aumenterà la densità di registrazione dei dati del 25%, da 1 a 1,25 TB per lastra da 3,5 pollici. Così, il prossimo anno sarà possibile produrre hard disk con una capacità di 5 TB.

È importante notare che nel caso dell'introduzione della tecnologia SMR, si ottiene un aumento della capacità delle unità senza aumentare il numero di testine magnetiche e/o dischi rigidi. Pertanto, i nuovi dischi rigidi con una capacità maggiore saranno affidabili quanto i modelli prodotti in precedenza con un fattore di forma simile. Inoltre, come accennato in precedenza, l'introduzione della tecnologia SMR non richiede modifiche significative al design del disco rigido. Questo, in particolare, consente l'utilizzo delle stesse testine e piastre magnetiche che vengono installate nei modelli attuali.

Un altro vantaggio di SMR è la possibilità di combinare questa soluzione con varie tecnologie di registrazione magnetica. Attualmente viene utilizzato negli hard disk con registrazione magnetica perpendicolare, ma in futuro potrà essere utilizzato in combinazione con altre soluzioni che consentiranno di ottenere una densità di registrazione specifica ancora più elevata.

Articolo basato su materiali di Seagate