O primeiro disco rígido do mundo, o IBM RAMAC 305, lançado em 1956, continha apenas 5 MB de dados e, ao mesmo tempo, pesava 970 kg e era comparável em tamanho a um refrigerador industrial. Os carros-chefe corporativos modernos são capazes de ostentar uma capacidade de 20 TB. Imagine: 64 anos atrás, para registrar tamanha quantidade de informação, seriam necessários mais de 4 milhões de RAMAC 305, e o tamanho do data center necessário para sua colocação ultrapassaria 9 quilômetros quadrados, enquanto hoje uma pequena caixa pesando cerca de 700 gramas! Muito desse aumento incrível na densidade de armazenamento foi alcançado por meio de avanços nas técnicas de registro magnético.
É difícil de acreditar, mas o design dos discos rígidos não mudou fundamentalmente por quase 40 anos, começando em 1983: foi então que o primeiro disco rígido RO351 de 3,5 polegadas, desenvolvido pela empresa escocesa Rodime, viu a luz. Essa criança recebeu duas placas magnéticas de 10 MB cada, ou seja, era capaz de armazenar o dobro de dados do ST-412 de 5,25 polegadas atualizado, lançado pela Seagate no mesmo ano para computadores pessoais IBM 5160.
Rodime RO351 - o primeiro disco rígido de 3,5 polegadas do mundo
Apesar de sua inovação e tamanho compacto, na época de seu lançamento, o RO351 revelou-se praticamente inútil, e todas as tentativas posteriores da Rodime para ganhar uma posição no mercado de disco rígido falharam, razão pela qual em 1991 a empresa foi forçada a encerrar as suas atividades, tendo vendido quase todos os ativos disponíveis e reduzindo o quadro de pessoal ao mínimo. No entanto, a Rodime não estava destinada à falência: logo os maiores fabricantes de discos rígidos começaram a recorrer a ela, desejando adquirir uma licença de uso do form factor patenteado pelos escoceses. 3,5 polegadas é atualmente o padrão aceito para HDDs de consumidor e corporativos.
Com o advento das redes neurais, do Deep Learning e da Internet das Coisas (IoT), a quantidade de dados criada pela humanidade começou a crescer como uma avalanche. De acordo com a agência analítica IDC, em 2025 a quantidade de informações geradas tanto pelas próprias pessoas quanto pelos dispositivos ao nosso redor chegará a 175 zetabytes (1 ZB = 10 21 bytes), e isso apesar do fato de que em 2019 era de 45 ZB. em 2016 - 16 ZB, e em 2006 a quantidade total de dados produzidos em toda a história previsível não ultrapassava 0,16 (!) ZB. As tecnologias modernas ajudam a lidar com a explosão da informação, entre as quais os métodos avançados de registro de dados não são os últimos.
LMR, PMR, CMR e TDMR: qual é a diferença?
O princípio de funcionamento dos discos rígidos é bastante simples. Placas de metal finas revestidas com uma camada de material ferromagnético (uma substância cristalina capaz de reter a magnetização mesmo quando não é exposta a um campo magnético externo a temperaturas abaixo do ponto de Curie) movem-se em relação ao bloco de cabeças de escrita em alta velocidade (5400 rpm ou mais). Quando uma corrente elétrica é aplicada à cabeça de escrita, surge um campo magnético alternado, que muda a direção do vetor de magnetização dos domínios (regiões discretas da substância) do ferromagneto. A leitura de dados ocorre devido ao fenômeno de indução eletromagnética (o movimento dos domínios em relação ao sensor causa uma corrente elétrica alternada neste último),ou devido ao gigantesco efeito magnetorresistivo (a resistência elétrica do sensor muda sob a influência de um campo magnético), como é implementado nos dispositivos de armazenamento modernos. Cada domínio codifica um bit de informação, assumindo um valor lógico "0" ou "1" dependendo da direção do vetor de magnetização.
Por muito tempo, os discos rígidos utilizaram o método Longitudinal Magnetic Recording (LMR), no qual o vetor de magnetização do domínio estava no plano da placa magnética. Apesar da relativa simplicidade de implementação, esta tecnologia tinha uma desvantagem significativa: a fim de superar a coercividade (a transição de partículas magnéticas para um estado de domínio único), uma zona de buffer impressionante teve que ser deixada entre as trilhas (o chamado espaço de guarda). Como resultado, a densidade máxima de gravação alcançada no final dessa tecnologia foi de apenas 150 Gbit / polegada 2 .
Em 2010, o LMR foi quase completamente substituído pelo PMR (Perpendicular Magnetic Recording - perpendicular magnética gravação). A principal diferença entre essa tecnologia e o registro magnético longitudinal é que o vetor da direção magnética de cada domínio está localizado em um ângulo de 90 ° com a superfície da placa magnética, o que reduziu significativamente o espaço entre as pistas.
Devido a isso, a densidade de gravação de dados foi significativamente aumentada (até 1 Tbit / polegada 2em dispositivos modernos), sem sacrificar as características de velocidade e confiabilidade dos discos rígidos. Atualmente, a gravação magnética perpendicular é dominante no mercado, por isso também é freqüentemente chamada de CMR (Conventional Magnetic Recording). Deve ser entendido que não há absolutamente nenhuma diferença entre PMR e CMR - esta é apenas outra versão do nome.
Enquanto estuda as especificações técnicas dos discos rígidos modernos, você também pode topar com a misteriosa abreviação TDMR. Em particular, essa tecnologia é usada pelas unidades Western Digital Ultrastar série 500 de classe corporativa . Do ponto de vista da física, TDMR (que significa Two Dimensional Magnetic Recording) não é diferente do PMR a que estamos acostumados: como antes, estamos lidando com trilhas disjuntas, os domínios nos quais são orientados perpendicularmente ao plano das placas magnéticas. A diferença entre as tecnologias está na abordagem de leitura da informação.
No bloco de cabeças magnéticas dos discos rígidos, criado com a tecnologia TDMR, existem dois sensores de leitura para cada cabeça gravadora, que leem simultaneamente os dados de cada faixa passada. Essa redundância permite que o controlador de HDD filtre com eficácia o ruído eletromagnético causado pela Intertrack Interference (ITI).
Resolver o problema de ITI oferece dois benefícios extremamente importantes:
- A redução da taxa de ruído permite aumentar a densidade de gravação reduzindo a distância entre as trilhas, proporcionando um ganho na capacidade total de até 10% em relação ao PMR convencional;
- RVS , TDMR , , .
SMR ?
O tamanho da cabeça de escrita é aproximadamente 1,7 vezes o tamanho do sensor de leitura. Essa diferença impressionante pode ser explicada de forma bastante simples: se o módulo de registro for ainda mais miniatura, a intensidade do campo magnético que ele pode gerar não será suficiente para magnetizar os domínios da camada ferromagnética, o que significa que os dados simplesmente não serão salvos. No caso de um sensor de leitura, esse problema não ocorre. Além disso: a sua miniaturização permite reduzir ainda mais a influência do referido ITI no processo de leitura da informação.
Este fato formou a base do Shingled Magnetic Recording (SMR). Vamos descobrir como funciona. Com o PMR tradicional, a cabeça é deslocada de cada trilha anterior por uma distância igual à sua largura + a largura do espaço de guarda.
Ao usar o método de gravação magnética lado a lado, a cabeça de gravação se move para frente apenas uma parte de sua largura, então cada trilha anterior é parcialmente substituída pela próxima: as trilhas magnéticas se sobrepõem como uma telha. Esta abordagem permite aumentar ainda mais a densidade de gravação, proporcionando um ganho de capacidade de até 10%, sem afetar o processo de leitura. Um exemplo é o Western Digital Ultrastar DC HC 650 , os primeiros drives SATA / SAS de 20 TB de 3,5 polegadas do mundo, possibilitados pela nova tecnologia de gravação magnética. Assim, a transição para drives SMR permite aumentar a densidade de armazenamento nos mesmos racks com custos mínimos para atualizar a infraestrutura de TI.
Apesar dessa vantagem significativa, o SMR também tem uma desvantagem óbvia. Uma vez que as trilhas magnéticas se sobrepõem, a atualização dos dados exigirá a reescrita não apenas do fragmento necessário, mas também de todas as trilhas subsequentes dentro da placa magnética, cujo volume pode exceder 2 terabytes, o que representa uma queda séria no desempenho.
Combinar um certo número de faixas em grupos separados chamados zonas ajuda a resolver este problema. Embora esta abordagem para organizar o armazenamento de dados reduza um pouco a capacidade total do HDD (uma vez que é necessário manter intervalos suficientes entre as zonas para evitar a regravação de faixas de grupos vizinhos), ela pode acelerar significativamente o processo de atualização de dados, uma vez que agora apenas um número limitado de faixas está envolvido nele.
A gravação magnética em mosaico sugere várias opções de implementação:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Sua principal vantagem é que não há necessidade de modificar o software e / ou hardware host, uma vez que o controle do procedimento de gravação dos dados é assumido pelo controlador do HDD. Essas unidades podem ser conectadas a qualquer sistema que tenha a interface necessária (SATA ou SAS), após o que a unidade estará imediatamente pronta para uso.
A desvantagem dessa abordagem é a variabilidade nos níveis de desempenho, o que torna o Drive Managed SMR inadequado para aplicativos corporativos onde a consistência do desempenho do sistema é crítica. No entanto, esses discos funcionam bem em cenários que permitem tempo suficiente para realizar a desfragmentação de dados em segundo plano. Por exemplo, unidades WD Red DMSMROtimizado para uso em pequenos sistemas NAS de 8 compartimentos, eles são uma excelente escolha para arquivamento ou sistemas de backup que requerem armazenamento de longo prazo de backups.
- SMR gerenciado por host (SMR gerenciado por host)
Host Managed SMR é a implementação preferida de gravação lado a lado para uso em um ambiente corporativo. Neste caso, o próprio sistema host é responsável por gerenciar os fluxos de dados e as operações de leitura / gravação, utilizando para esses fins as extensões de interface ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) e SCSI (Zoned Block Commands, ZBC) desenvolvidas por INCITS T10 e T13 ...
Ao usar HMSMR, todo o espaço de armazenamento disponível é dividido em dois tipos de zonas: zonas convencionais, que são usadas para armazenar metadados e gravações aleatórias (na verdade, eles agem como um cache) e zonas necessárias de gravação sequencial, que ocupam uma grande parte da capacidade total do disco rígido em que os dados são gravados estritamente em sequência. Os dados não ordenados são armazenados em uma área em cache, de onde podem ser transferidos para a área de gravação sequencial correspondente. Isso permite que todos os setores físicos sejam gravados sequencialmente na direção radial e sobrescritos somente após a transferência cíclica, o que permite um desempenho do sistema estável e previsível. Ao mesmo tempo, os discos HMSMR suportam comandos de leitura aleatória de forma semelhante às unidades,usando PMR padrão.
O SMR gerenciado por host é implementado em discos rígidos da série Western Digital Ultrastar HC DC 600 de classe corporativa .
A linha inclui drives SATA e SAS de alta capacidade para uso em data centers de hiperescala. O suporte SMR gerenciado por host expande significativamente o escopo de tais unidades: além de sistemas de backup, eles são perfeitos para armazenamento em nuvem, CDN ou plataformas de streaming. A alta capacidade dos discos rígidos permite aumentar significativamente a densidade de armazenamento (nos mesmos racks) com custos mínimos de atualização e baixo consumo de energia (não mais que 0,29 watts para cada terabyte de informação armazenada) e dissipação de calor (em média 5 ° C menor que o de analógicos) - para reduzir ainda mais os custos operacionais de manutenção do data center.
A única desvantagem do HMSMR é a relativa complexidade de implementação. A questão é que hoje nenhum sistema operacional ou aplicativo é capaz de funcionar com essas unidades "fora da caixa", e é por isso que mudanças sérias na pilha de software são necessárias para adaptar a infraestrutura de TI. Em primeiro lugar, isso diz respeito, é claro, ao próprio sistema operacional, que em centros de dados modernos que usam servidores multi-core e multi-socket é uma tarefa nada trivial. Para saber mais sobre as opções de implementação do suporte SMR gerenciado por host , visite ZonedStorage.io , um recurso de armazenamento zoneado dedicado. As informações reunidas aqui o ajudarão a pré-avaliar a prontidão de sua infraestrutura de TI para a migração para sistemas de armazenamento zoneados.
- Host Aware SMR (Host Supported SMR)
Os dispositivos habilitados para Host Aware SMR combinam a conveniência e flexibilidade do Drive Managed SMR com a alta velocidade de gravação do Host Managed SMR. Essas unidades são compatíveis com sistemas de armazenamento legados e podem funcionar sem controle direto do host, mas, neste caso, como acontece com as unidades DMSMR, seu desempenho se torna imprevisível.
Como o Host Managed SMR, o Host Aware SMR usa dois tipos de zonas: Zonas convencionais para gravações aleatórias e Zonas preferenciais de gravação sequencial. Estas últimas, em contraste com as zonas requeridas de gravação sequencial mencionadas acima, são automaticamente transferidas para a categoria das normais no caso de uma gravação de dados não ordenada começar nelas.
As implementações SMR com reconhecimento de host fornecem mecanismos internos para a recuperação de uma gravação inconsistente. Os dados não ordenados são gravados na área em cache, de onde o disco pode transferir informações para a área de gravação sequencial após o recebimento de todos os blocos necessários. O disco usa uma tabela de indireção para gerenciar gravações fora de ordem e desfragmentação em segundo plano. No entanto, se os aplicativos corporativos exigirem um desempenho previsível e otimizado, isso só poderá ser alcançado quando o host assumir o controle total de todos os fluxos de dados e zonas de gravação.