Le premier disque dur au monde, l'IBM RAMAC 305, sorti en 1956, ne contenait que 5 Mo de données, pesait en même temps 970 kg et était de taille comparable à un réfrigérateur industriel. Les produits phares des entreprises modernes peuvent se vanter d'une capacité de 20 To. Imaginez: il y a 64 ans, pour enregistrer une telle quantité d'informations, plus de 4 millions de RAMAC 305 seraient nécessaires, et la taille du data center nécessaire à leur placement dépasserait 9 kilomètres carrés, alors qu'aujourd'hui une petite boîte pesant environ 700 grammes! Une grande partie de cette incroyable augmentation de la densité de stockage a été obtenue grâce aux progrès des techniques d'enregistrement magnétique.
C'est difficile à croire, mais la conception des disques durs n'a pas fondamentalement changé depuis près de 40 ans, à partir de 1983: c'est alors que le premier disque dur RO351 3,5 pouces, développé par la société écossaise Rodime, a vu le jour. Ce tout-petit a reçu deux plaques magnétiques de 10 Mo chacune, c'est-à-dire qu'il a pu contenir deux fois plus de données que le ST-412 5,25 pouces mis à jour, publié par Seagate la même année pour les ordinateurs personnels IBM 5160.
Rodime RO351 - le premier disque dur de 3,5 pouces au monde
Malgré son caractère innovant et sa taille compacte, au moment de sa sortie, le RO351 s'est avéré pratiquement inutile et toutes les autres tentatives de Rodime pour prendre pied sur le marché des disques durs ont échoué, c'est pourquoi en 1991 contraint de cesser ses activités, ayant vendu la quasi-totalité des actifs disponibles et réduit le personnel au minimum. Cependant, Rodime n'était pas destiné à faire faillite: bientôt les plus grands fabricants de disques durs ont commencé à se tourner vers lui, souhaitant acquérir une licence pour utiliser le facteur de forme breveté par les Écossais. 3,5 pouces est actuellement la norme acceptée pour les disques durs grand public et d'entreprise.
Avec l'avènement des réseaux de neurones, du Deep Learning et de l'Internet des objets (IoT), la quantité de données créées par l'humanité a commencé à croître comme une avalanche. Selon l'agence d'analyse IDC, d'ici 2025, la quantité d'informations générées à la fois par les gens et autour de nous devaysa atteindra 175 zettaoctets (1 Zbayt = 10 21 octets), et ce malgré le fait qu'en 2019, c'était 45 Zbayt, en 2016-16 ZB, et en 2006, la quantité totale de données produites dans toute l'histoire prévisible ne dépassait pas 0,16 (!) ZB. Les technologies modernes aident à faire face à l'explosion de l'information, parmi lesquelles les méthodes avancées d'enregistrement des données ne sont pas les dernières.
LMR, PMR, CMR et TDMR: quelle est la différence?
Le principe de fonctionnement des disques durs est assez simple. Des plaques métalliques minces recouvertes d'une couche de matériau ferromagnétique (une substance cristalline capable de retenir l'aimantation même lorsqu'elle n'est pas exposée à un champ magnétique externe à des températures inférieures au point de Curie) se déplacent par rapport au bloc de têtes d'écriture à grande vitesse (5400 tr / min ou plus). Lorsqu'un courant électrique est appliqué à la tête d'écriture, un champ magnétique alternatif se produit, qui change la direction du vecteur de magnétisation des domaines (régions discrètes de la substance) du ferromagnet. La lecture des données se fait soit en raison du phénomène d'induction électromagnétique (le mouvement des domaines par rapport au capteur provoque un courant électrique alternatif dans ce dernier),ou en raison du gigantesque effet magnétorésistif (la résistance électrique du capteur change sous l'influence d'un champ magnétique), comme cela est mis en œuvre dans les dispositifs de stockage modernes. Chaque domaine code un bit d'information, prenant une valeur logique "0" ou "1" selon la direction du vecteur d'aimantation.
Pendant longtemps, les disques durs ont utilisé la méthode d'enregistrement magnétique longitudinal (LMR), dans laquelle le vecteur de magnétisation de domaine se trouve dans le plan de la plaque magnétique. Malgré la relative simplicité de mise en œuvre, cette technologie présentait un inconvénient majeur: pour vaincre la coercivité (la transition des particules magnétiques vers un état à un seul domaine), une zone tampon impressionnante devait être laissée entre les pistes (l'espace dit de garde). En conséquence, la densité d'enregistrement maximale obtenue à l'issue de cette technologie n'était que de 150 Gbit / pouce 2 .
En 2010, le LMR a été presque complètement remplacé par le PMR (Perpendicular Magnetic Recording - enregistrement magnétique perpendiculaire). La principale différence entre cette technologie et l'enregistrement magnétique longitudinal est que le vecteur de la direction magnétique de chaque domaine est situé à un angle de 90 ° par rapport à la surface de la plaque magnétique, ce qui réduit considérablement l'écart entre les pistes.
Pour cette raison, la densité d'enregistrement des données a été considérablement augmentée (jusqu'à 1 Tbit / pouce 2dans les appareils modernes), sans sacrifier les caractéristiques de vitesse et la fiabilité des disques durs. Actuellement, l'enregistrement magnétique perpendiculaire est dominant sur le marché, c'est pourquoi il est aussi souvent appelé CMR (Conventional Magnetic Recording). Il faut comprendre qu'il n'y a absolument aucune différence entre PMR et CMR - ce n'est qu'une autre version du nom.
Tout en étudiant les spécifications techniques des disques durs modernes, vous pouvez également tomber sur la mystérieuse abréviation TDMR. En particulier, cette technologie est utilisée par les variateurs de classe entreprise Western Digital Ultrastar 500 . Du point de vue de la physique, le TDMR (qui signifie Two Dimensional Magnetic Recording) n'est pas différent du PMR auquel nous sommes habitués: comme auparavant, nous avons affaire à des pistes non croisées, les domaines dans lesquels sont orientés perpendiculairement au plan des plaques magnétiques. La différence entre les technologies réside dans l'approche de la lecture de l'information.
Dans le bloc de têtes magnétiques des disques durs, créé à l'aide de la technologie TDMR, il y a deux capteurs de lecture pour chaque tête d'enregistrement, qui lisent simultanément les données de chaque piste passée. Cette redondance permet au contrôleur de disque dur de filtrer efficacement le bruit électromagnétique causé par l'interférence intertrack (ITI).
La résolution du problème ITI offre deux avantages extrêmement importants:
- La réduction du rapport de bruit vous permet d'augmenter la densité d'enregistrement en réduisant la distance entre les pistes, offrant un gain de capacité totale allant jusqu'à 10% par rapport au PMR conventionnel;
- RVS , TDMR , , .
SMR ?
La taille de la tête d'écriture est environ 1,7 fois la taille du capteur de lecture. Une différence aussi impressionnante peut s'expliquer assez simplement: si le module d'enregistrement est rendu encore plus miniature, la force du champ magnétique qu'il peut générer ne suffira pas à magnétiser les domaines de la couche ferromagnétique, ce qui signifie que les données ne seront tout simplement pas sauvegardées. Dans le cas d'un capteur de lecture, ce problème ne se pose pas. De plus: sa miniaturisation permet de réduire encore l'influence de l'ITI précité sur le processus de lecture des informations.
Ce fait a formé la base de l'enregistrement magnétique shingled (SMR). Voyons comment cela fonctionne. Avec le PMR traditionnel, la tête est décalée de chaque piste précédente d'une distance égale à sa largeur + la largeur de l'espace de garde.
Lors de l'utilisation de la méthode d'enregistrement magnétique en mosaïque, la tête d'enregistrement n'avance qu'une partie de sa largeur, de sorte que chaque piste précédente est partiellement écrasée par la suivante: les pistes magnétiques se chevauchent comme une tuile de toit. Cette approche vous permet d'augmenter encore la densité d'écriture, offrant un gain de capacité allant jusqu'à 10%, sans affecter le processus de lecture. Un exemple est le Western Digital Ultrastar DC HC 650 , les premiers disques SATA / SAS de 3,5 pouces 20 To au monde, rendus possibles par une nouvelle technologie d'enregistrement magnétique. Ainsi, la transition vers les disques SMR vous permet d'augmenter la densité de stockage dans les mêmes racks avec des coûts minimes de mise à niveau de l'infrastructure informatique.
Malgré un avantage aussi important, le SMR présente également un inconvénient évident. Étant donné que les pistes magnétiques se chevauchent, la mise à jour des données nécessitera la réécriture non seulement du fragment requis, mais également de toutes les pistes suivantes de la plaque magnétique, dont le volume peut dépasser 2 téraoctets, ce qui entraîne une grave baisse des performances.
La combinaison d'un certain nombre de pistes en groupes séparés appelés zones permet de résoudre ce problème. Bien que cette approche d'organisation du stockage des données réduise quelque peu la capacité totale du disque dur (car il est nécessaire de maintenir des espaces suffisants entre les zones pour empêcher la réécriture des pistes des groupes voisins), elle peut considérablement accélérer le processus de mise à jour des données, car désormais seul un nombre limité de pistes y est impliqué.
L'enregistrement magnétique en mosaïque suggère plusieurs options de mise en œuvre:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Son principal avantage est qu'il n'est pas nécessaire de modifier le logiciel et / ou le matériel de l'hôte, puisque le contrôle de la procédure d'enregistrement des données est pris en charge par le contrôleur de disque dur. Ces disques peuvent être connectés à n'importe quel système doté de l'interface requise (SATA ou SAS), après quoi le disque sera immédiatement prêt à être utilisé.
L'inconvénient de cette approche est la variabilité des niveaux de performances, ce qui rend le SMR Drive Managed inadapté aux applications d'entreprise où la cohérence des performances du système est essentielle. Cependant, ces disques fonctionnent bien dans les scénarios qui laissent suffisamment de temps pour effectuer une défragmentation en arrière-plan des données. Par exemple, les lecteurs WD Red DMSMROptimisés pour une utilisation dans les petits systèmes NAS à 8 baies, ils constituent un excellent choix pour les systèmes d'archivage ou de sauvegarde qui nécessitent un stockage à long terme des sauvegardes.
- SMR géré par l'hôte (SMR géré par l'hôte)
Host Managed SMR est l'implémentation d'enregistrement en mosaïque préférée pour une utilisation dans un environnement d'entreprise. Dans ce cas, le système hôte lui-même est responsable de la gestion des flux de données et des opérations de lecture / écriture, en utilisant à ces fins les extensions d'interface ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) et SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) développées par INCITS T10 et T13 ...
Lors de l'utilisation de HMSMR, tout l'espace de stockage disponible est divisé en deux types de zones: les zones conventionnelles, qui sont utilisées pour stocker les métadonnées et les écritures aléatoires (en fait, elles agissent comme un cache), et les zones d'écriture séquentielle requises, qui occupent une grande partie de la capacité totale du disque dur dans laquelle les données sont écrites de manière strictement séquentielle. Les données non ordonnées sont stockées dans une zone mise en cache, d'où elles peuvent ensuite être transférées vers la zone d'écriture séquentielle correspondante. Cela permet à tous les secteurs physiques d'être écrits séquentiellement dans la direction radiale et écrasés uniquement après un transfert cyclique, ce qui permet des performances système stables et prévisibles. Dans le même temps, les disques HMSMR prennent en charge les commandes de lecture aléatoire de la même manière que les lecteurs,en utilisant le PMR standard.
Le SMR géré par l'hôte est implémenté dans les disques durs de la série Western Digital Ultrastar HC DC 600 de classe entreprise .
La gamme comprend des disques SATA et SAS haute capacité destinés à être utilisés dans les centres de données hyperscale. La prise en charge des SMR gérés par l'hôte élargit considérablement la portée de ces lecteurs: en plus des systèmes de sauvegarde, ils sont parfaits pour le stockage dans le cloud, les CDN ou les plates-formes de streaming. La capacité élevée des disques durs vous permet d'augmenter considérablement la densité de stockage (dans les mêmes racks) avec des coûts de mise à niveau minimes, une faible consommation d'énergie (pas plus de 0,29 watts pour chaque téraoctet d'informations stockées) et une dissipation thermique (en moyenne 5 ° C inférieure à celle de analogues) - pour réduire davantage les coûts opérationnels de maintenance du centre de données.
Le seul inconvénient de HMSMR est la complexité relative de la mise en œuvre. Le fait est qu’aujourd’hui, aucun système d’exploitation ou aucune application n’est capable de fonctionner avec de tels disques «prêts à l’emploi», c’est pourquoi de sérieux changements dans la pile logicielle sont nécessaires pour adapter l’infrastructure informatique. Tout d'abord, cela concerne, bien sûr, le système d'exploitation lui-même, qui dans les centres de données modernes utilisant des serveurs multi-core et multi-socket est une tâche plutôt non triviale. Pour en savoir plus sur les options de mise en œuvre de la prise en charge SMR géré par l'hôte , visitez ZonedStorage.io , une ressource de stockage zonée dédiée. Les informations rassemblées ici vous aideront à pré-évaluer la préparation de votre infrastructure informatique à la migration vers des systèmes de stockage par zones.
- Host Aware SMR (SMR pris en charge par l'hôte)
Les périphériques compatibles SMR Host Aware associent la commodité et la flexibilité du SMR géré par lecteur à la vitesse d'écriture élevée du SMR géré par l'hôte. Ces disques sont rétrocompatibles avec les systèmes de stockage hérités et peuvent fonctionner sans contrôle direct de l'hôte, mais dans ce cas, comme avec les disques DMSMR, leurs performances deviennent imprévisibles.
À l'instar de Host Managed SMR, Host Aware SMR utilise deux types de zones: les zones conventionnelles pour les écritures aléatoires et les zones préférées d'écriture séquentielle. Ces dernières, contrairement aux zones requises d'écriture séquentielle mentionnées ci-dessus, sont automatiquement transférées dans la catégorie des zones ordinaires dans le cas où un enregistrement de données non ordonné commence dans celles-ci.
Une implémentation SMR assistée par l'hôte fournit des mécanismes internes de récupération après une écriture incohérente. Les données non ordonnées sont écrites dans la zone mise en cache, à partir de laquelle le disque peut transférer des informations vers la zone d'écriture séquentielle une fois que tous les blocs nécessaires ont été reçus. Le disque utilise une table d'indirection pour gérer les écritures dans le désordre et la défragmentation en arrière-plan. Toutefois, si les applications d'entreprise nécessitent des performances prévisibles et optimisées, cela ne peut être réalisé que lorsque l'hôte prend le contrôle total de tous les flux de données et zones d'écriture.