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.
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
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).
Сегодня многие уверены, что магнитные жесткие диски слишком медлительны, ненадежны и технически устарели. В то же время твердотельные накопители, напротив, находятся на пике своей славы: в каждом мобильном устройстве имеется носитель информации на основе флеш-памяти, и даже настольные ПК используют такие диски. Однако их перспективы весьма ограничены. Согласно прогнозу CHIP, SSD еще немного упадут в цене, плотность записи данных и, следовательно, емкость дисков, скорее всего, удвоятся, а затем настанет конец. Твердотельные накопители емкостью 1 Тбайт всегда будут слишком дорогими. На их фоне жесткие магнитные диски аналогичной вместимости выглядят весьма привлекательно, поэтому говорить о закате эпохи традиционных накопителей рано. Однако сегодня они стоят на распутье. Потенциал текущей технологии - метода перпендикулярной записи - допускает еще два годичных цикла, в течение которых будут выпущены новые модели увеличенной емкости, а затем будет достигнут предел.
Если три основных производителя - Seagate, Western Digital и Toshiba - смогут выполнить переход на одну из представленных в этой статье новых технологий, то 3,5-дюймовые жесткие диски емкостью 60 Тбайт и выше (что в 20 раз больше по сравнению с текущими моделями) перестанут быть недостижимой роскошью. Одновременно с этим возрастет и скорость чтения,достигнув уровня SSD, так как она зависит непосредственно от плотности записываемых данных: чем меньше расстояние, которое необходимо преодолевать считывающей головке, тем быстрее работает диск. Поэтому, если наш «информационный голод» продолжит расти, все «лавры» достанутся жестким магнитным дискам.
Метод перпендикулярной записи
С некоторых пор в жестких дисках используется метод перпендикулярной записи (на вертикально расположенные домены), обеспечивающий более высокую плотность данных. В настоящее время он является нормой. Последующие технологии сохранят данный способ.
6 Тбайт: лимит почти достигнут
Через два года диски с методом перпендикулярной записи дойдут до предела плотности данных на пластине.
В современных жестких дисках емкостью до 4 Тбайт плотность записи магнитных пластин не превышает 740 Гбит на квадратный дюйм. Производители обещают, что накопители, использующие методом перпендикулярной записи, смогут обеспечить показатель в 1 Тбит на квадратный дюйм. Через два года выйдет последнее поколение подобных дисков: емкость моделей форм-фактора 3,5 дюйма достигнет 6 Тбайт, а 2,5-дюймовые смогут предоставить чуть более 2 Тбайт дискового пространства. Однако столь скромные темпы роста плотности записи уже не поспевают за нашим постоянно усиливающимся информационным голодом, что демонстрируют следующие графики.
Проблема выбора материалов
Винчестеры с перпендикулярным методом записи не способны удовлетворить растущие потребности в сфере хранения данных, так как при плотности записи немногим более 1 Тбит на квадратный дюйм они вынуждены бороться с эффектом суперпарамагнетизма. Данный термин означает, что определенного размера частицы магнитных материалов не способны длительное время сохранять состояние намагниченности, которое может внезапно измениться под действием тепла из окружающей среды. То, при каком размере частиц наступает данный эффект, зависит от используемого материала (см. таблицу ниже). Пластины современных HDD с перпендикулярной записью изготавливаются из сплава кобальта, хрома и платины (CoCrPt), частицы которого имеют диаметр 8 нм и длину 16 нм. Для записи одного бита головке необходимо намагнитить около 20 таких частиц. При диаметре 6 нм и меньшем частицы данного сплава не способны надежно сохранять состояние своего магнитного поля.
В индустрии производства жестких дисков часто говорят о «трилемме». Производители могут использовать три основных способа увеличения плотности записи: изменение размера частиц, их количества и типа сплава, из которого они состоят. Но при размере частиц CoCrPt-сплава от 6 нм использование одного из способов приведет к тому, что два других окажутся бесполезными: если уменьшить размер частиц, то они будут терять свою намагниченность. Если уменьшить их количество на бит, их сигнал «растворится» в окружающем шуме соседних битов. Считывающая головка не сможет определить, имеет ли она дело с «0» или «1». Сплав с более высокими магнитными характеристиками позволяет использовать частицы меньших размеров, а также допускает сокращение их количества, однако в данном случае записывающая головка оказывается не в состоянии изменить их намагниченность. Данную трилемму можно решить только в том случае, если производители откажутся от метода перпендикулярной записи. Для этого наготове уже есть несколько технологий.
До 60 Тбайт: новые технологии записи
Плотность записи будущих HDD можно увеличить в десять раз - с помощью микроволн, лазеров, SSD-контроллеров и новых сплавов.
Наиболее перспективной разработкой, способной обеспечить плотность записи свыше 1 Тбит на квадратный дюйм, является технология магнитной записи с частичным перекрытием дорожек (метод «черепичной» записи - Shingled Magnetic Recording, SMR). Ее принцип заключается в том, что магнитные дорожки SMR-диска частично накладываются друг на друга, подобно черепице на крыше. Данная технология позволяет преодолеть присущее методу перпендикулярной записи затруднение: дальнейшее уменьшение ширины дорожек неизбежно приведет к невозможности записи данных. Современные диски имеют раздельные дорожки шириной от 50 до 30 нм. Минимально возможная ширина дорожек при перпендикулярной записи составляет 25 нм. В технологии SMR, благодаря частичному перекрытию, ширина дорожки для считывающей головки может составлять до 10 нм, что соответствует плотности записи в 2,5 Тбит на квадратный дюйм. Хитрость в том, чтобы увеличить ширину дорожек записи до 70 нм, обеспечив при этом стопроцентную намагничиваемость края дорожки. Край дорожки не претерпит изменений, если записать следующую со смещением в 10 нм. Кроме того, записывающая головка оснащается защитным экраном, чтобы ее мощное магнитное поле не повредило расположенные под ней данные. Что касается головки, она уже разработана
компанией Hitachi. Однако существует еще одна проблема: обычно на магнитном диске производится прямая раздельная перезапись битов, а в рамках технологии SMR это возможно только на самой верхней дорожке пластины. Для изменения битов, расположенных на нижней дорожке, потребуется повторная перезапись всей пластины, что снижает производительность.
Перспективный преемник: HAMR
Тем временем международная организация по дисковым накопителям, материалам и оборудованию IDEMA отдает предпочтение термоассистируемой магнитной записи (HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording) и рассматривает именно ее в качестве наиболее вероятного претендента на роль преемника технологии перпендикулярной записи. Марк Гинен из советадиректоров IDEMA прогнозирует появление в продаже первых HAMR-дисков в 2015 году.
В отличие от SMR технология HAMR решает трилемму путем уменьшения магнитных частиц, а для этого требуется переход на новый материал. Для HAMR-дисков необходимо использовать материал с более высокой анизотропной энергией - наиболее перспективным является сплав железа и платины (FePt). Анизотропия определяет, сколько потребуется энергии для устранения намагниченности материала. В FePt она настолько высока, что только частицы размером 2,5 нм сталкиваются с суперпарамагнетическим пределом (см. таблицу в следующем разделе). Данное обстоятельство позволило бы производить жесткие диски емкостью 30 Тбайт с плотностью записи 5 Тбит на квадратный дюйм.
Проблема заключается в том, что самостоятельно записывающая головка не способна изменить магнитную ориентацию частиц сплава FePt. Поэтому в HAMR-дисках в нее встраивается лазер, который на мгновение разогревает частицы нап участке площадью несколько нанометров до температуры примерно в 400 °С. В результате записывающей головке требуется меньше энергии для изменения магнитного поля частиц. Исходя из значений плотности записи, диски с термоассистируемой магнитной записью могут иметь высокую скорость чтения (около 400–500 Мбайт/с), которая сегодня достижима только для SSD-накопителей с интерфейсом SATA 3.
Помимо лазера обеспечить возможность записи на пластинах из сплава FePt также способен генератор момента спина (Spin Torque Oscillator), излучающий микроволны. Микроволны изменяют характеристики магнитного поля частиц таким образом, что слабая записывающая головка легко их перемагничивает. В целом, генератор увеличивает эффективность записывающей головки в три раза. Технология микроволновой магнитной записи (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR), в отличие от HAMR, пока находится в стадии разработки.
Новый сплав металлов для дисков с теромассистируемой магнитной записью
Сплаву FePt в HAMR-диске свойствен более высокий показатель анизотропной энергии и повышенная способность к намагничиванию. По сравнению с методом перпендикулярной записи здесь могут быть использованы частицы меньших размеров.
Что будет после HAMR?
Технология битовых массивов (Bit-Patterned Media, BPM) долгое время считалась самой перспективной. Она предусматривает иное решение трилеммы: в данном случае магнитные частицы отделены друг от друга изоляционным слоем из оксида кремния. В отличие от традиционных магнитных дисков намагничиваемые области наносятся с помощью литографии, как при производстве чипов. Это делает производство BPM-носителей довольно дорогим. BPM позволяет уменьшить количество частиц на бит и при этом избежать влияния шума соседних частиц на сигнал. Единственной проблемой на сегодняшний день является создание головки чтения/записи, которая смогла бы обеспечивать высокую точность управления BPM-битами. Поэтому в настоящее время BPM рассматривается как наиболее вероятный преемник HAMR. Если объединить обе технологии, можно добиться плотности записи в 10 Тбит на квадратный дюйм и производить диски емкостью 60 Тбайт.
Новым предметом изысканий является технология двумерной магнитной записи (Two Dimensional Magnetic Recording, TDMR), которая позволяет решить трилемму путем устранения затруднения, связанного с отношением сигнал/шум. При небольшом количестве частиц на бит считывающая головка получает нечеткий сигнал, так как он имеет низкую мощность и теряется в шуме соседних частиц. Особенность технологии TDMR заключается в возможности восстановления потерянного сигнала. Для этого требуются несколько отпечатков считывающей головки или отпечаток нескольких считывающих головок, которые формируют 2D-изображение поверхности. На основе этих изображений декодер восстанавливает соответствующие биты.
Мир вокруг становится все мобильнее, и людям требуется все больше емкости на устройствах, с помощью которых они создают цифровую информацию и пользуются ею. Аналитики компании Seagate прогнозируют, что к 2015 г. в 20 раз увеличится количество семей, которые создают не менее 1 ТБ данных в месяц — записываемого и просматриваемого потокового видео, фотографий, музыкальных записей и т. д. 1
В свое время компания Seagate одной из первых представила на рынке диск, поддерживающий технологию перпендикулярной записи. Благодаря этой технологии к 2007 г. компании удалось разработать дисковые пластины емкостью до 250 ГБ (серия ® ). Пять лет спустя та же технология позволила разместить на диске рекордное количество дорожек на дюйм и повысить плотность записи до 1 ТБ на пластину. Но даже такую исключительную емкость (1 ТБ на пластину, что в сумме дает 4 ТБ на диск) современные пользователи уже считают недостаточной.
Базовые сведения о технологии Seagate SMR
Технология черепичной магнитной записи Seagate SMR (Shingled Magnetic Recording) — это выход на новый уровень плотности записи, позволяющий увеличить емкость диска на 25% благодаря увеличению количества дорожек на дюйм для каждой пластины.
При использовании традиционных технологий ширина дорожек и расстояние между ними определяются размерами считывающего и записывающего элементов на дисковой головке (рис. 1).
Рис. 1. Традиционный метод разделения дорожек.
Технологически считывающие и записывающие элементы в современных жестких дисках на основе перпендикулярной магнитной записи достигли предела своих возможностей. В рамках существующих технологий дальнейшее уменьшение размеров как этих элементов, так и дорожек, на которых они производят чтение и запись, невозможны.
Технология SMR позволяет повысить плотность записи путем сокращения расстояния между дорожками. Дорожки размещаются друг над другом, подобно черепице на крыше, позволяя записать больше данных на том же пространстве. 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. Более того, при черепичной магнитной записи вполне могут применяться традиционные типы считывающих и записывающих элементов. Благодаря этому производство нового продукта не потребует существенных инвестиций, а значит, нет нужды повышать цену на жесткие диски, поддерживающие новую технологию.
Рис. 2. Разделение дорожек по технологии SMR
Однако с технологией SMR связана следующая проблема: если нужно перезаписать либо обновить часть информации, переписать придется не только требуемый фрагмент, но и данные на последующих дорожках. Поскольку записывающий элемент шире неперекрывающейся области дорожки, он захватывает также данные на граничащих дорожках, а значит, потом придется перезаписать и их (рис. 3). 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.
Рис. 3. Записывающий элемент перекрывает накладывающиеся дорожки
По этой причине дорожки SMR-диска объединены в небольшие группы, называемые лентами. Накладываются друг на друга, соответственно, только дорожки в пределах одной ленты (рис. 4). Благодаря такому группированию в случае обновления некоторых данных перезаписывать придется не всю пластину, а лишь ограниченное количество дорожек, что существенно упрощает и ускоряет процесс.
Рис. 4. Структура ленты на SMR-диске
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 таком использовании наилучших результатов.
Подводя итоги
Seagate SMR — это эффективная технология, позволяющая удовлетворить всевозрастающий спрос на дополнительную емкость. Технология SMR на сегодняшний день активно совершенствуется и в сочетании с другими инновационными методами может быть использована для повышения плотности записи на жестких дисках следующих поколений.
Компания Seagate совместно с партнерами продолжает тестирование и совершенствование метода черепичной магнитной записи, чтобы в полной мере использовать его преимущества для различных типов дисков. Специалисты Seagate уже сегодня являются ведущими участниками рабочих групп по стандартизации наиболее эффективных способов применения технологии SMR.
В 2014 г. Seagate представила свою очередную инновационную разработку — первые в мире , благодаря которой их емкость уже в первом поколении на 25% превышает емкость традиционных решений. Внедрение технологии SMR позволит разработчикам компании Seagate усовершенствовать архитектуру существующих накопителей, сделав их приобретение более выгодным с экономической точки зрения.
1 Маркетинговое исследование Seagate, август 2013 г.