Черепичной записи smr второго поколения. Технология SMR от Seagate — подробный обзор

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.

проста.

Чтобы записать данные, надо приложить большее воздействие к магнитному слою, чем чтобы данные прочитать. Традиционно ширина дорожки ограничивается шириной возможной записи. А при SMR - шириной чтения, которая уже. А при записи дорожки для записи частично накладываются одна на другую.

Слайд 6 из Зелёная - дорожка чтения, сизая - дорожка записи. Сверху традиционная, снизу - черепичная.

В результате доступно произвольное чтание, но НЕ произвольная запись. Если таким образом записывать весь диск, то при каждом изменении уже записанного придётся переписывать всё. Что не приемлимо. Поэтому поверхность делять на ленты (bands) ограниченного размера. Как раз такая лента показана на рис выше. Лента отделена от соседних промежутком и может быть записана независимо от соседок.

Но ленты - это внутренняя машинерия диска. Внешнему миру диск представляется разделённым на зоны (zones)

Слайд 18 из

Зоны создаются двух типов. Основная часть поверхности - черепичные зоны. Меньшая часть - зоны с традиционной записью. Сюда возможна случайная запись. Используются эти зоны для разных целей. Но прежде всего - как кеш для срочной случайной записи. А потом, в момент низкой нагрузки, диск перенесёт данные из кеша в черепичную зону. Напомним, эту идею Сигейт впервые использовал ещё на своих AF дисках - лень вспоминать каким именно звучным словом маркетологи её назвали.

Вся эта штука очевидно непростая с точки зрения софта. Как быть? Вы не поверите, индустрия затрудняется с чётким ответом на это вопрос. Типа э-э-э, можно сделать, чтобы всё это у диска было внутри (узнаём AF диски, которые прятали настояший размер сектора. Но на принципиально новом уровне). Называется Drive Managed - DM. Правда, можно ожидать сильных тормозов. Софт же не знает, что диски стали неспособны к произвольной записи...

Слайд 40 из

Можно поручить расшивать все сложности хосту. Называется HM, Host Managed. Но, как видно из картинки, это уже даже не жёсткий диск - это другой тип накопителя - зонированное блочное устройство. Новые команды и пр. Ну и, конечно, можно совместить то и другое. Диск может работать как обычный, но понимает и новый набор команд. Первые выпущенные на рынок черепичные диски относятся к DM типу. Совсем недавно пошли и HA. Но, в принципе, различия в прошивке и не исключена техническая возможность изменить тип устройства даже для ранее выпущенных дисков.

"Seagate manufactures and supports SMR Drive Managed (DM) and SMR
Host Aware (HA) drives. Seagate does not currently manufacture SMR
Host Managed (HM) drives. Seagate has 2 drives shipping that are
SMR-DM. Seagate"s new 8TB Archive HDD v2 drive is SMR-HA."

В принципе, после небольшой доработки, файловые системы с CoW очень неплохо подходят для хранения холодных данных на черепичных дисках. Действительно, данные пишем в черепичные зоны. Перезаписывать кусочек - и не надо, сама идея CoW предполагает новую запиь сделать в новой зоне. А старую зону - освободить. Надо только что-то сделать с метаданными, которых много и они мелкие. Например, научить систему хранить их в зоне с возможностью случайной записи.

Слайд 14 из

Вон на картинке в лабораторных тестах zfs на двух дисках показывает наивысшие по сравнению с аналогами цифры. Но на одном из тестовых дисков похоже, просто не завелась - работать и работать. Есть и трудности ср.

ZFS (and other COW filesystems) is actually well suited to work on SMR devices, since it can write sequentially into new segments, and doesn"t overwrite data in place (scrub excluded).

However, the ZFS block allocator would need to be updated to take this into account, so that it leaves segments idle until (mostly) empty before allocating new data there.

The main difficulty is that ZFS has no mechanism to relocate data in a segment that is being overwritten, since it might be referenced by a snapshot. Ideally it could reallocate the remaining data in an almost-empty segment to the currently written segment, then mark the segment free for later use.

The HGST He8 HDDs completed its rebuild in 19 hours and 46 minutes. The Seagate Archive HDDs completed their rebuild in 57 hours and 13 minutes

Трудно назвать это достоверным экспериментом - не указаны ни марки дисков, ни параметры нагрузки, ни чем заполнены диски, ни размеры записи. Но трёхкратная разница между 19ч 46 мин и 57ч 13 мин - она всё же даёт представление о степени деградации производительности, если SMR диски использовать без готовой к ним файловой системы. Лучше всё же подождать.

PS Есть ещё нудное длинное кино

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

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

⇡#Эволюция продолжается, возникают новые вызовы

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

Вызовы для производителей HDD сегодня

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

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

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

⇡#Seagate планирует расширить использование SMR-пластин

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

Черепичная магнитная запись: основные принципы

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

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

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

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

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

⇡#Гелий останется эксклюзивом для HDD высокой ёмкости

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

Основные преимущества заполненных гелием HDD. Слайд HGST

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные преимущества двухмерной магнитной записи

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

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

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

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

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

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

Сервер Dell PowerEdge. Фото Dell

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

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

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

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

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

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

⇡#HAMR: более 2 Тбит/дюйм 2 и далее

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

Основные преимущества технологии HAMR

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

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

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

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

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

⇡#Подводя итоги

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

Жёсткий диск Seagate

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

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

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

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

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

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

Облачная жажда памяти

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

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

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

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

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

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

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

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

Дорожки, наложенные в виде черепицы

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

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

Больше пластин благодаря гелию

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

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

Уплотнение записи с помощью ­микроволн

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

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

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

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

Проблемы с масштабированием PMR

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

Влияние SMR

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

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

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

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