Однако и развитие «железных» технологий - крайне интересная тема. Будущее в сфере хранения информации не дает покоя визионерам, инженерам и ученым – уже сейчас в мире ведутся разговоры о таких экзотических вариантах хранения данных как, например, генетические хранилища. В этой связи использование «старых добрых» HDD может показаться вчерашним днем, однако представители индустрии не советуют спешить с выводами – ниже мы расскажем, почему.
Накопители на жестких магнитных дисках [англ. hard disc drive, HDD] имеют долгую историю – первые из них были созданы еще в середине 50-х годов ХХ века. И если кто-либо полагает, что с появлением твердотельных накопителей [англ. solid-state drive, SSD] HDD канут в лету, то издание Anandtech.com в своей статье готово с этим поспорить. Авторы ссылается на мнение представителей Seagate Technology, которые полагают, что технология HDD останется актуальной по меньшей мере еще 15-20 лет, правда, не без существенных технических улучшений в ближайшем будущем.
«Я считаю, что жесткие диски просуществуют еще как минимум 15-20 лет», – заявил Дэвид Мортон, главный финансовый директор Seagate, в ходе своего доклада на 33-й конференции Nasdaq Investor Program Conference.
HDD: еще не все потеряно
По оценкам Seagate Technology и Western Digital Corp, общий объем рынка HDD упал до 118 миллионов единиц в третьем квартале 2015 года. Для сравнения: в третьем квартале 2010 года производители жестких дисков продали около 164 миллионов единиц своей продукции, как заявили два ведущих игрока рынка.
Судя по этим цифрам, продажи HDD постепенно сокращаются (из-за падения спроса на ПК, а также популяризации SSD и облачных хранилищ). Однако, как считает Anandtech.com, конкурентам вряд ли удастся превзойти технологию HDD в одном – она имеет наименьшую стоимость за гигабайт, и даже снижение цен на SSD неспособно пошатнуть лидирующее положение HDD в этой области – а значит, жесткие диски еще долго будут использоваться для хранения больших объемов данных. И это не говоря уже о том, что твердотельные накопители иногда оказываются далеко не такими надежными, как может показаться на первый взгляд – о странной истории, произошедшей с SSD-дисками на проекте Algolia, на Хабре уже писали раньше (хотя в том конкретном случае в итоге дело оказалось в ядре Linux).
Для сохранения конкурентоспособности жесткие диски должны увеличивать свою емкость. И, как предсказывают эксперты, именно это и должно произойти в ближайшие годы: издание Anandtech.com приводит в пример организацию Advanced Storage Technology Consortium, которая предсказывает рост емкости HDD до 100 Тб к 2025 году.
Источник: статья Anandtech.com
Технологии записи: PMR, SMR и другие
Основу современных жестких дисков составляют технологии перпендикулярной [англ. perpendicular magnetic recording, PMR] и черепичной магнитной записи [англ. shingled magnetic recording, SMR]. Диски на базе технологии PMR активно использовались в последние десять лет и останутся популярными благодаря относительно высокой производительности последовательной записи, низкой стоимости за гигабайт и высокой надежности.
Диски с технологией SMR проигрывают HDD с технологией PMR в производительности, однако обеспечивают высокую плотность записи HDD (до 1,1 Тбит на квадратный дюйм и выше). Дело в том, что технология SMR предполагает запись новых магнитных дорожек так, что они перекрывают часть ранее записанных дорожек, а это, в свою очередь, снижает скорость записи.
Производители HDD с технологиями PMR и SMR для увеличения их емкости вынуждены устанавливать до шести пластин в стандартный 3,5-дюймовый HDD. Такая операция предполагает заполнение винчестеров гелием – это позволяет поместить до семи пластин в один винчестер и уменьшить расход энергии приводов HDD, правда, требует больших затрат.
По словам автора, массовым выпуском жестких дисков с использованием гелия занимается сейчас только компания HGST, дочернее предприятие Western Digital (в третьем квартале 2015 года компания продала 1,1 млн. таких HDD). Однако, спрос на этот тип жестких дисков сейчас растет, поэтому в нынешнем году производство гелиевых HDD, вероятно, развернут и другие компании.
Новые решения: TDMR и HAMR
Несмотря на успех технологий PMR и SMR, производители пытаются использовать и внедрять новые решения, позволяющие жестким дискам оставаться конкурентоспособными. Например, по словам автора статьи в Anandtech.com, Seagate готовится запустить производство жестких дисков с технологией двухмерной магнитной записи [англ. two dimensional magnetic recording, TDMR].
«Последние два года мы много говорили о технологии двухмерной магнитной записи. Мы будем готовы к ее запуску через один или два года», – заявил Дейв Мосли, президент по операциям и технологиям в Seagate, на сентябрьской конференции аналитиков и инвесторов компании по вопросам стратегических изменений.
Технология двухмерной магнитной записи позволяет повысить плотность записи жестких дисков, делая дорожки винчестеров более узкими. При этом, использование технологии TDMR позволяет избежать «наложения» дорожек друг на друга – данные считываются с нескольких смежных дорожек и затем определяется, какие именно данные были запрошены. Существует несколько способов реализации технологии TDMR: можно использовать описанный выше способ, когда одна головка считывает данные с нескольких смежных дорожек (при этом снижается производительность HDD), а можно использовать несколько головок (этот метод обеспечивает высокую производительность, но сложен в реализации).
По оценкам сотрудников Seagate, технология TDMR позволяет производителям HDD повысить плотность записи на 5-10% […] Логично ожидать, что в скором времени все производители HDD будут использовать в своих накопителях технологию двухмерной магнитной записи.
Другое решение – технология магнитной записи с применением нагрева [англ. heat-assisted magnetic recording, HAMR], еще не готова к массовому производству. Как утверждает автор, «второй по величине производитель HDD в мире считает, что надежность устройства базе HAMR недостаточно высока, поэтому технология пока не будет использоваться в коммерческих целях».
Эта технология основана на применении лазерной термической обработки, которая обеспечивает более высокую плотность записи (от 1,5 Тбит на квадратный дюйм) и в будущем может потеснить существующие решения, несмотря на то, что сегодня результаты по ее внедрению разочаровывают производителей.
«Технология HAMR […] пока не готова к внедрению в массовое производство. Я не очень рад тем результатам, которых мы достигли за предыдущие годы, но определенный прогресс все же был. […] Честно говоря, мы уже решили много проблем, и все производство, благодаря различным консорциумам, теперь сосредоточено на решении оставшихся. После того, как все они будут решены, мы сможем внедрить технологию HAMR в массовое производство», – Дейв Мосли, президент по операциям и технологиям в Seagate.
Первых продаж жестких дисков на базе технологии HAMR от Seagate можно ожидать ориентировочно в 2016-2017 гг., однако массовые поставки таких HDD планируется начать лишь в конце 2017-го – в 2018 году.
Большое будущее HDD
Помимо вышеописанных методов существуют и другие решения, которые, как считается, в перспективе смогут улучшить качество производимых жестких дисков. Одно из самых известных – технология размеченного хранения данных [англ. Bit Patterned Media Recording, BPMR] и магнитная запись с помощью СВЧ-излучения [англ. Microwave-Assisted Magnetic Recording, MAMR]. Производители не исключают, что в дальнейшем для создания HDD будут использоваться комбинации тех или иных решений. Еще одно направление – многослойная 3D-запись или ML-3D – принципиально иной подход к расширению возможностей HDD.
TDMR, HAMR и BPMR уже взяли на вооружение не только Seagate, Western Digital и Toshiba, но и ряд консорциумов и научных учреждений: представители отрасли хорошо понимают, что развитие этих технологий важно для всех ее игроков. В компаниях надеются, что такой подход позволит увеличить вероятность технологических прорывов в этой сфере и приблизит их наступление, а инвестиции, которые уже вложены в данное направление, служат залогом тому, что закат HDD произойдет нескоро – уж точно не в ближайшие 15–20 лет. А если HDD просуществует до 2035 года, то, как справедливо замечает автор, этот тип устройств прослужит человечеству около 80 лет – серьезный возраст для человека, не говоря уже о технологии.
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).
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.
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
