Какими технологиями оснащают производители жесткие диски
Многие считают (просто почитайте комментарии к нашей статье « Когда мы полностью перейдём на SSD, а HDD уйдут в прошлое? »), что SSD намного лучше HDD .
💡 Тогда возникает справедливый вопрос — почему компании всё ещё инвестируют в жёсткие диски и продолжают совершенствовать их технологии (например, HAMR, HDMR и другие)?
Задавались таким вопросом? Тогда узнайте ответы с передовой — от представителей отрасли.
LMR, PMR, CMR и TDMR: в чем разница?
Принцип работы жестких дисков достаточно прост. Тонкие металлические пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала (кристаллического вещества, способного сохранять намагниченность даже при отсутствии воздействия на него внешнего магнитного поля при температуре ниже точки Кюри) движутся относительно блока пишущих головок на большой скорости (5400 оборотов в минуту или более). При подаче электрического тока на пишущую головку возникает переменное магнитное поле, которое изменяет направление вектора намагниченности доменов (дискретных областей вещества) ферромагнетика. Считывание данных происходит либо за счет явления электромагнитной индукции (перемещение доменов относительно сенсора вызывает в последнем возникновение переменного электрического тока), либо за счет гигантского магниторезистивного эффекта (под действием магнитного поля изменяется электрическое сопротивление датчика), как это реализовано в современных накопителях. Каждый домен кодирует один бит информации, принимая логическое значение «0» или «1» в зависимости от направления вектора намагниченности.
Долгое время жесткие диски использовали метод продольной магнитной записи (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), при котором вектор намагниченности доменов лежал в плоскости магнитной пластины. Несмотря на относительную простоту реализации, данная технология имела существенный недостаток: для того чтобы побороть коэрцитивность (переход магнитных частиц в однодоменное состояние), между треками приходилось оставлять внушительную буферную зону (так называемое guard space — защитное пространство). Вследствие этого максимальная плотность записи, которой удалось добиться на закате данной технологии, составляла всего 150 Гбит/дюйм 2 .
В 2010 году LMR была практически полностью вытеснена PMR (Perpendicular Magnetic Recording — перпендикулярная магнитная запись). Главное отличие данной технологии от продольной магнитной записи состоит в том, что вектор магнитной направленности каждого домена располагается под углом 90° к поверхности магнитной пластины, что позволило существенно сократить промежуток между треками.
За счет этого плотность записи данных удалось заметно увеличить (до 1 Тбит/дюйм 2 в современных устройствах), при этом не жертвуя скоростными характеристиками и надежностью винчестеров. В настоящее время перпендикулярная магнитная запись является доминирующей на рынке, в связи с чем ее также часто называют CMR (Conventional Magnetic Recording — обычная магнитная запись). При этом надо понимать, что между PMR и CMR нет ровным счетом никакой разницы — это всего лишь другой вариант названия.
Изучая технические характеристики современных жестких дисков, вы также можете наткнуться на загадочную аббревиатуру TDMR. В частности, данную технологию используют накопители корпоративного класса Western Digital Ultrastar 500-й серии. С точки зрения физики TDMR (что расшифровывается как Two Dimensional Magnetic Recording — двумерная магнитная запись) ничем не отличается от привычной нам PMR: как и прежде, мы имеем дело с непересекающимися треками, домены в которых ориентированы перпендикулярно плоскости магнитных пластин. Разница между технологиями заключается в подходе к считыванию информации.
В блоке магнитных головок винчестеров, созданных по технологии TDMR, на каждую пишущую головку приходятся по два считывающих сенсора, осуществляющих одновременное чтение данных с каждого пройденного трека. Такая избыточность дает возможность контроллеру HDD эффективно фильтровать электромагнитные шумы, появление которых обусловлено межтрековой интерференцией (Intertrack Interference, ITI).
Решение проблемы с ITI обеспечивает два чрезвычайно важных преимущества:
- снижение коэффициента помех позволяет повысить плотность записи за счет уменьшения расстояния между треками, обеспечивая выигрыш по общей емкости вплоть до 10% по сравнению с обычной PMR;
- в сочетании с технологией RVS и трехпозиционным микроактуатором, TDMR позволяет эффективно противостоять ротационной вибрации, вызванной работой винчестеров, что помогает добиться стабильного уровня производительности даже в наиболее сложных условиях эксплуатации.
Вот примерно, как это произошло:
- SSD MLC > HDD 15000rpm
Высокоскоростные HDD-накопители со скоростью вращения 15 000 об/мин устарели благодаря технологиям MLC NAND с размещением двух битов на ячейку в SSD . - SSD TLC > HDD 10000rpm
Как только мы получили доступные TLC (тройной бит на ячейку), то следующим был привод со скоростью 10 000 об/мин . - SSD QLC > HDD 7200rpm
Возможность купить QLC (четырехуровневый на ячейку) уже угрожает массовому рынку жёстких дисков со скоростью 7200 об/мин.
💡 Это утверждение актуально с учётом технологий SSD с дедупликацией данных.
Дедупликация данных на магнитных дисках ( HDD ) не может быть легко выполнена из-за того, как этот метод рандомизирует доступ к данным. Диски с низкой частотой вращения более не подходят для задач с высокой потребностью в произвольном доступе.
NAND пока ещё далеко до победы в сегменте цена/ёмкость . Но это только начало. Появление QLC — это уже точка входа.
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.
Количество частиц на бит можно уменьшить путем их изоляции друг от друга. Благодаря этому считывающая головка способна улавливать даже слабые сигналы BPM-частиц.
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.
В технологии TDMR количество частиц уменьшено на один бит. Их слабый сигнал восстанавливается на основе нескольких изображений со считывающей головки.
Компания Seagate сообщила о старте коммерческих поставок жестких дисков с технологией термомагнитной записи (HAMR) с ноября 2020, а также расширила программу тестирования Mach.2 HDD с двойным приводом, о которых мы как раз писали ранее. Компания уверена, что имеющиеся технологии позволят наращивать емкость и повышать производительность жестких дисков в ближайшие годы.
На данный момент HAMR HDD могут купить лишь ограниченное число клиентов в рамках корпоративных систем хранения и решений Seagate Lyve. Позднее жесткие диски HAMR будут доступны и более широкой аудитории. Но первые 20-Тбайт жесткие диски HAMR могут и не выйти на массовый рынок, поскольку Seagate планирует повысить емкость на 20% в ближайшем будущем. Следовательно, можно ожидать скорое появление 24-Тбайт HDD. И они могут стать первыми розничными HDD на HAMR.
«Мы достигли нового технологического уровня, начав поставки 20-Тбайт жестких дисков HAMR в 2020 году. Данный шаг проецирует успешную стратегию Seagate на ближайшие годы, — сказал Дейв Мосли, главный исполнительный директор Seagate. — Благодаря HAMR мы можем увеличивать плотность записи на 20% и выше каждый год, чтобы поддерживать масштаб вложений наших клиентов в инфраструктуру. Seagate продолжит обеспечивать существенные экономические преимущества по стоимости систем по сравнению с корпоративными SSD, и ситуация вряд ли изменится в обозримом будущем».
Сейчас мы рассмотрим принцип записи с использованием энергии, составной частью которой является термомагнитная запись HAMR. После чего перейдем к разгадкам тайн инженеров Seagate.
HDD проще программировать и совершенствовать их алгоритмы
Традиционные жёсткие диски не чувствительны к такого рода вещам.
Программное обеспечение, взаимодействующее с приводом HDD, не требует колоссальных инвестиций — оно простое (а значит и надёжное).
Флеш-ячейки обычно выходят из строя редко. Например, когда программное обеспечение SSD не справляется с неожиданными событиями вроде исчерпания циклов PE.
В прошивке SSD (а иногда и в программном обеспечении более высокого уровня) имеются проверенные за 10 лет разработки. Довольно стабильное и надёжное ПО. Но по мере появления на рынке новых технологий, таких как QLC , открываются другие неосвоенные типы сценариев.
Хорошие SSD те, в которые хорошо инвестировали
Программное обеспечение для флеш-памяти намного мудрёнее, чем думают люди. Дело в том, что ячейки NAND с каждым годом становятся всё более «плотными» и сложными в плане программирования.
Например, в TLC, QLC и предстоящие PLC (пентауровневая флеш-память) мы должны добавить гораздо больше программной магии для защиты данных и нивелирования недостатков технологии.
Ячейки внутри чипа NAND со временем теряют уровень напряжения , хранящийся в ячейке, чтобы предоставлять бит. Тем самым возникает риск потерять данные.
На эти биты (уровни напряжения) влияет количество раз, которое вы пишете в него (также известный как цикл PE или программа-стирание ). На них также влияет порог нарушения чтения (или количество раз, которое вы можете прочитать (образец) уровень напряжения для получения информации о битах.
Пороговые значения показывают, что существует также ограниченное количество раз, когда вы можете считывать ячейку , пока она не изменится. То есть уровень напряжения битов изменится, и у вас не будет распознавания битов.
Этот порог сбрасывается с помощью новой программы стирания-перепрограммирования цикла. Их набор конечен.
Индустрия накопителей должна обнаруживать и исправлять все эти характеристики флеш-памяти в ПО. Сделать SSD надёжными и хорошо работающими — задача первостепенной важности.
Портативные устройства «существуют» в лучшем случае 3 года , поэтому производителям не нужно так много думать о надёжности мобильных телефонов и планшетов . В потребительских ноутбуках ситуация уже немного другая, но всё ещё исчисляемая пользовательскими циклами в пять-десять лет . А вот в корпоративных системах — надёжность обеспечивается на десятилетия .
Некоторые прикладные исследования (например, Deep Learning в алгоритмах искусственного интеллекта ) изучают системы ввода-вывода. Они созданы, чтобы распознать источники износа этих ячеек, определить пороговые значения чтения в цикле фильтрации для настройки конвейера производителя.
На выходе мы получаем удивительные продукты. Например, SSD QLC ёмкостью 2 Тб , внутри которого реально размещено 3 Тб флеш-памяти QLC NAND. Дополнительный терабайт предназначен для изношенной флеш-памяти, чтобы подменить её на новые ячейки. И всё это невидимо для конечного пользователя.
Очевидно, что это ухудшает экономику продукта. Вот только некоторые корпоративные компании не могут поступить иначе.
Магнитная запись с использованием энергии — ключ к повышению емкости
Технологии магнитной записи с использованием энергии (EAMR, energy-assisted magnetic recording) уже давно на слуху у пользователей и энтузиастов. По сравнению со стандартной сегодня перпендикулярной магнитной записью PMR они обеспечивают дальнейшее увеличение плотности записи данных.
Из наиболее перспективных технологий EAMR выделяют термомагнитную запись (HAMR,heat-assisted magnetic recording) и запись с использованием микроволн (MAMR, microwave-assisted magnetic recording). По мнению Ассоциации передовых технологий хранения данных (Advanced Storage Technology Consortium, ASTC), HAMR станет новым знаковым этапом на пути к повышению плотности записи, то есть увеличению емкости жестких дисков при прежнем физическом размере. Эта инновация окажет большое влияние на развитие жестких дисков в течение следующего десятилетия.
Какой вариант EAMR лучше?
Переход на любую технологию EAMR позволит достичь намного большей плотности записи. Но какая технология лучше?
На пластине жесткого диска каждый бит данных хранится в виде группы крошечных частиц, также называемых зернами. Значение бита определяется магнитной ориентацией зерна, в зависимости от его направления кодируется двоичная 1 или 0. Чтобы записать больше данных на единицу площади, зерна следует сделать меньше и расположить ближе друг к другу. Но если расположить зерна слишком близко, биты начинают перемагничиваться под воздействием соседних зерен, уничтожая записанную на диске информацию.
Чтобы избежать этой проблемы, понадобилось изобрести новые термостабильные материалы, в которых биты сохраняют ориентацию при нормальных температурах и не воздействуют друг на друга. Эти материалы очень хорошо показали себя с точки зрения стабильности, но возникает новая проблема: как перемагнитить бит, устойчивый к перемагничиванию? Для записи на подобные материалы требуется существенно более сильное магнитное поле, чем обеспечивают обычные головки записи.
Устройства EAMR оснащены дополнительным излучателем, который направляет энергию на нагрев поверхности пластины. И уменьшает требуемое для записи магнитное поле.
Современные накопители MAMR используют пластины со сплавом CoPt (кобальт-платина). К головке записи MAMR добавлен генератор электромагнитного поля, которое не нагревает пластину напрямую, но заставляет магнитные зерна "дрожать", облегчая их перемагничивание.
Что касается дисков HAMR, то там применяется более стабильный сплав FePt (железо-платина). На поверхность FePt нельзя записать данные с помощью способов PMR или MAMR. Для метода HAMR используется маленький лазерный диод, установленный на каждой головке записи. Он используется для кратковременного нагрева небольшого участка пластины. Пока участок горячий, головка записи перемагничивает биты на нем, меняя их ориентацию. Процесс нагрева-охлаждения занимает считанные наносекунды, поэтому лазер совершенно не влияет на температуру отдельной пластины и накопителя в целом, равно как и на стабильность и надежность хранения данных. Как считают специалисты ASTC, на данный момент только поверхность FePt позволяет добиться емкости накопителей 30 Тбайт и выше.
Инженеры Seagate свой выбор сделали, посчитав технологию HAMR более перспективной на ближайшие годы. Сегодня технология уже готова к массовому производству, в чем их большая заслуга. На нелегком пути инженерам пришлось решить огромное множество задач и разгадать технические тайны.
Разрабатываем диск HAMR
А теперь давайте на минутку представим себя инженером Seagate и попытаемся разработать и произвести диск HAMR. Для этого следует сделать несколько шагов.
Добавить лазерный диод к головке
Разработать оптический волновод для передачи света от лазера к NFT
Встроить NFT в головку записи
Разработать новые пластины HAMR
Доработать прошивку диска и тестовых систем
Изменить процесс производства, чтобы выпускать диски HAMR
Сделать миллион разных мелочей, что входит в рабочий процесс инженеров Seagate
На головке HAMR лазер прикреплен к субмаунту. Затем оптоволокно передает свет от лазера к преобразователю NFT, который интегрирован в головку записи.
Но это еще не все. Оказалось, что нагревать напрямую лазером поверхность диска не получится. В этом и кроется тайна инженеров Seagate. Для наших читателей нам ничего не жалко, поэтому сорвем же завесу тайны!
Как быть с дифракционным пределом?
Уже более ста лет известно, что дифракция ограничивает размер пятна сфокусированного света (см. Дифракционный предел). У накопителя Blu-ray размер пятна составляет 238 нанометров. Если перейти к масштабу дорожек диска, то пятно слишком крупное. Даже если пойти на оптические хитрости и использовать технологии записи в ближнем поле, то меньше около 100 нм получить сложно. Так что требуется какое-либо другое решение.
Для преодоления дифракционного предела мы будем использовать поверхностные плазмоны. И наш преобразователь ближнего поля NFT становится плазмонным. Когда свет попадает на определенные металлы, то при соблюдении ряда условий он приводит к появлению поверхностного электрического тока. Данный поверхностный ток и связанное с ним электрическое поле и называется поверхностными плазмонами. Они легко распространяются по поверхности металла.
На самом деле, поверхностные плазмоны хорошо знакомы читателям. Человечество использует их на протяжении тысячелетий. Первые витражи в европейских кафедральных соборах появились в VII веке нашей эры. Чтобы создавать разные цвета, мастера смешивали стекло с частицами металла. И когда свет определенной волны в видимом диапазоне попадал на металлические частицы в стекле, то он поглощался и превращался в тепло или рассеивался. Остальные волны видимого диапазона проходили через стекло, создавая восприятие цвета.
Плазмонный преобразователь NFT, разработанный Seagate, использует упомянутый принцип. Плазмонный NFT состоит из диска и выступа. Свет поглощается диском и превращается в поверхностный плазмон. Данный поверхностный плазмон затем перемещается по внешнему контуру диска и вниз по выступу, нагревая участок пластины под диском. Ширина выступа как раз определяет размер горячего участка на пластине. Причем размер участка намного меньше пятна, которое было бы возможно с учетом дифракционного предела. Таким образом, ограничения дифракционного предела удалось обойти.
За последние 15 лет инженеры Seagate трудились, не покладая рук. Дизайн HAMR был много раз переработан и собран "с нуля". Инженерам удалось перейти от теоретической концепции к первым практическим реализациям. На протяжении цикла разработки HAMR было изготовлено более 25 млн. плазмонных преобразователей NFT!
Как дорабатывались пластины HAMR
Конечно, сами пластины жесткого диска тоже пришлось существенно дорабатывать. Подложка пластин HAMR (Disk Substrate) изготовлена из специального стекла, способного выдерживать нагрев записывающего слоя до высоких температур. Для HAMR потребовалось добавить слой-радиатор (Heat Sink/SUL), чтобы он отводил тепло от записывающего слоя. Слишком быстрое отведение приводило бы к недостаточной мощности нагрева. Слишком медленное — к перегреву участка, из-за чего нагревались бы соседние участки с последующей потерей информации. Для успеха жестких дисков HAMR было важно получить нужный баланс. Покрытие пластины тоже пришлось сменить, чтобы оно выдерживало нагрев до более 400°C, но при этом обеспечивало надежный интерфейс между пластиной и головкой записи.
HDD всё ещё востребованы в архивах с отключённым питанием
SSD требует энергию для хранения информации. Вы, конечно, можете выключить накопитель на пару месяцев , и он сохранит свои данные (правда, есть некоторые исключения).
Продолжительное обесточивание, например, на два года увеличит вероятность того, что ячейки потеряют заряд. То есть владелец такого «архива» столкнётся с реальным риском стирания данных.
Жёсткие диски просто не восприимчивы к этому. Поместите резервную копию своих фотографий на портативный HDD и храните его в сейфе год, два, хоть пять или даже десять лет . И этот способ отлично сработает. Но не стоит делать то же самое с SSD .
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.
Технология SMR подразумевает, что записывающая головка, обладающая более интенсивным магнитным полем, формирует дорожки с частичным перекрытием. В результате они получаются более узкими, чем при перпендикулярном методе.
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.
HAMR: запись с применением лазера. Записывающая головка сможет изменить магнитное поле частиц только в том случае, если последние будут разогреты лазером до температуры чуть ниже точки Кюри, при которой они полностью теряют свою способность к намагничиванию.
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.
Выход HAMR на рынок: важно быть лидером в исследованиях
Seagate уже начала коммерческую эксплуатацию технологии HAMR, запустив массовое производство 20-Тбайт жестких дисков в конце 2020 года. Но, как мы отметили выше, в рознице эти диски вряд ли появятся, они отгружаются только партнерам. Скорее всего, Seagate начнет массовую продажу накопителей HAMR, начиная с емкости 24 Тбайт.
9 ноября 2010 года Seagate присоединилась к двенадцати другим членам консорциума Advanced Storage Technology Consortium (ASTC). И каждый последующий год Seagate вместе с другими компаниями инвестирует немалые суммы в фундаментальные исследования технологий хранения данных под эгидой ASTC.
Каждый год ASTC публикует технологические планы, которые показывают, в каком направлении будет двигаться индустрия. Выше как раз приведен подобный план. Позвольте разобрать его чуть подробнее.
Что нас ждет в будущем?
Как можно видеть по планам, технология PMR будет с нами еще несколько лет, учитывая наработки с гелиевым наполнением HDD, SMR и использование нескольких приводов (см. Seagate MACH.2 и Exos 2X14: разбираемся в преимуществах двойного привода).
На конференции ASTC 2020 доктор Стефания Эрнандес использовала микромагнитное моделирование, которое масштабировало технологию HAMR до 6,0 Tbpsi (терабит на квадратный дюйм). А доктор Стив Гранц в своей демонстрации HAMR смог получить плотность записи 2,77 Tbpsi, поставив новый рекорд по критериям ASTC.
Seagate с жесткими дисками HAMR уже удалось получить уровень 2,0 Tbpsi. Тестируется технология с плотностью записи 2,381 Tbpsi, она обеспечит емкость 3 Тбайт на пластину, то есть HDD с девятью пластинами смогут дать уже 27 Тбайт емкости. Переход на жесткие диски HAMR не потребует изменения экосистемы и инфраструктуры. На данный момент прогнозируется 20% ежегодный рост емкости, что позволит получить 24-Тбайт HDD в ближайшем будущем, а через несколько лет емкость достигнет 40 Тбайт и выше.
Рано или поздно HAMR будет сочетаться с технологией записи, использующей битовые шаблоны BPMR (bit patterned media). В случае Seagate данная технология называется HDMR (Heated Dot Magnetic Recording), она позволит увеличить емкость жестких дисков до 100 Тбайт и выше.
После HDMR будут и другие технологии, которые позволят Seagate предлагать передовые решения с высокой емкостью по оптимальной цене.
Закон Мура
Технологии SSD следуют закону Мура . Биты удваиваются каждые 18 месяцев при фиксированной цене . HDD уже давно не подчиняются никаким прогнозам, поскольку миниатюризация бит на магнитной пластине делает его более подверженным вибрации.
Особенности кремниевой миниаютризации SSD
У кремниевой миниатюризации, которую должна выполнять по закону Мура флеш-память, есть ещё и технология 3D (или вертикально организованный NAND ). Она изменила правила игры — можно ставить ячейки друг на друга.
Старые литографические процессы с более высоким выходом упаковываются с пластинами друг на друга во флеш-корпусе, размещая микросхемы большой ёмкости с использованием более старых технологий. Мы перешли от 32-слойной флеш-памяти в пакете с высоким выходом на 64 , 128 и теперь 192 слоя. Это уникально только для Flash.
Потребовалось время, чтобы наладить производственный процесс, но цели были достигнуты. Практически вся флеш-память, начиная с TLC , является только 3D-флеш-памятью . Это сильно изменило экономику SSD , обеспечив твердотельным накопителям относительно невысокую себестоимость в производстве.
Зная всё это, зачем тогда совершенствовать HDD?
Как вы узнали, технология SSD — это несовершенная технология. Твердотельные накопители не готовы взять на себя ту работу, которую эффективно выполняет жёсткий диск в ряде приложений.
На самом деле они представляют собой две совершенно разные технологии . Единственное, что их объединяет — способность хранить данные.
Тем не менее происходит ситуация, когда «Flash» (SSD) продолжает своё наступление на рынок магнитных приводов (HDD). И если даже в течение следующего десятилетия HDD не исчезнут , то SSD на них окажут заметное влияние.
Пока же по стоимости гигабайта HDD несравненно хороши. Перечисленные в введении инвестиции в жёсткие диски связаны с увеличением плотности записи. То есть количество данных, которые могут храниться в данной области.
Без этих инвестиций жёсткие диски уже давно уступили бы твердотельным накопителям по стоимости за гигабайт. И это означало бы полный конец для HDD.
Технологии вроде HAMR , черепичная запись ( SMR или Shingled Magnetic Recording), гелиевые диски , застряли в верхнем ценовом сегменте рынка HDD и недоступны простым смертным. Стоимость жёстких дисков ёмкостью 2 Тб упала только примерно на 40% за последние 5 лет , в то время как твердотельные накопители подешевели примерно на 75% в целом.
Жёсткие диски — это старый и недорогой вариант хранения. Причина, по которой компании продолжают улучшать HDD, заключается в банальной финансовой целесообразности таких инвестиций .
Производители жёстких дисков могут изготавливать достойные твердотельные накопители. Вот только в масштабах индустрии преимущество отдаётся фирмам с большим опытом совершенствования SSD. Причина в том числе и в уникальном дорогостоящем ПО, как мы говорили выше.
Жёсткие диски не могут конкурировать с твердотельными накопителями в большинстве бытовых пользовательских задач.
Память NAND во много раз быстрее механической памяти, а отсутствие движущихся частей даёт твердотельным накопителям преимущество в краткосрочной надёжности. Однако в архивировании, резервировании и сохранении больших массивов данных на длительные сроки инвестировать лучше в HHD (с точки зрения окупаемости).
Первый в мире жесткий диск, IBM RAMAC 305, увидевший свет в 1956 году, вмещал лишь 5 МБ данных, а весил при этом 970 кг и по габаритам был сопоставим с промышленным рефрижератором. Современные корпоративные флагманы способны похвастаться емкостью уже в 20 ТБ. Только представьте себе: 64 года назад, для того чтобы записать такое количество информации, потребовалось бы свыше 4 миллионов RAMAC 305, а размеры ЦОДа, необходимого для их размещения, превысили бы 9 квадратных километров, тогда как сегодня для этого будет достаточно маленькой коробочки весом около 700 грамм! Во многом добиться столь невероятного повышения плотности хранения удалось благодаря совершенствованию методов магнитной записи.
В это сложно поверить, однако принципиально конструкция жестких дисков не меняется вот уже почти 40 лет, начиная с 1983 года: именно тогда свет увидел первый 3,5-дюймовый винчестер RO351, разработанный шотландской компанией Rodime. Этот малыш получил две магнитные пластины по 10 МБ каждая, то есть был способен вместить вдвое больше данных, чем обновленный ST-412 на 5,25 дюйма, выпущенный Seagate в том же году для персональных компьютеров IBM 5160.
Rodime RO351 — первый в мире 3,5-дюймовый винчестер
Несмотря на инновационность и компактные размеры, на момент выхода RO351 оказался практически никому не нужен, а все дальнейшие попытки Rodime закрепиться на рынке винчестеров потерпели фиаско, из-за чего в 1991 году компания была вынуждена прекратить свою деятельность, распродав практически все имеющиеся активы и сократив штат до минимума. Однако стать банкротом Rodime оказалось не суждено: в скором времени к ней начали обращаться крупнейшие производители винчестеров, желающие приобрести лицензию на использование запатентованного шотландцами форм-фактора. В настоящее время 3,5 дюйма является общепринятым стандартом производства как потребительских HDD, так и накопителей корпоративного класса.
Что такое SMR и с чем его едят?
Размеры пишущей головки примерно в 1,7 раза больше по сравнению с размерами считывающего сенсора. Столь внушительная разница объясняется достаточно просто: если записывающий модуль сделать еще более миниатюрным, силы магнитного поля, которое он сможет генерировать, окажется недостаточно для намагничивания доменов ферромагнитного слоя, а значит, данные попросту не будут сохраняться. В случае со считывающим сенсором такой проблемы не возникает. Более того: его миниатюризация позволяет дополнительно снизить влияние упомянутой выше ITI на процесс считывания информации.
Данный факт лег в основу черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR). Давайте разбираться, как это работает. При использовании традиционного PMR пишущая головка смещается относительно каждого предыдущего трека на расстояние, равное ее ширине + ширина защитного пространства (guard space).
При использовании черепичного метода магнитной записи пишущая головка смещается вперед лишь на часть своей ширины, поэтому каждый предыдущий трек оказывается частично перезаписан последующим: магнитные дорожки накладываются друг на друга подобно кровельной черепице. Такой подход позволяет дополнительно повысить плотность записи, обеспечивая выигрыш по емкости до 10%, при этом не отражаясь на процессе чтения. В качестве примера можно привести Western Digital Ultrastar DC HC 650 — первые в мире 3.5-дюймовые накопители объемом 20 ТБ с интерфейсом SATA/SAS, появление которых стало возможным именно благодаря новой технологии магнитной записи. Таким образом, переход на SMR-диски позволяет повысить плотность хранения данных в тех же стойках при минимальных затратах на модернизацию IT-инфраструктуры.
Несмотря на столь значительное преимущество, SMR имеет и очевидный недостаток. Поскольку магнитные дорожки накладываются друг на друга, при обновлении данных потребуется перезапись не только требуемого фрагмента, но и всех последующих треков в пределах магнитной пластины, объем которой может превышать 2 терабайта, что чревато серьезным падением производительности.
Решить данную проблему помогает объединение определенного количества треков в обособленные группы, называемые зонами. Хотя такой подход к организации хранения данных несколько снижает общую емкость HDD (поскольку между зонами необходимо сохранять достаточные промежутки, препятствующие перезаписи треков из соседних групп), это позволяет существенно ускорить процесс обновления данных, так как теперь в нем участвует лишь ограниченное количество дорожек.
Черепичная магнитная запись предполагает несколько вариантов реализации:
- Drive Managed SMR (SMR, управляемая диском)
Недостаток этого подхода заключается в изменчивости уровня производительности, в связи с чем Drive Managed SMR оказывается неподходящей для корпоративных приложений, в которых постоянство быстродействия системы является критически важным параметром. Тем не менее такие диски хорошо показывают себя в сценариях, предоставляющих достаточное время для выполнения фоновой дефрагментации данных. Так, например, DMSMR-накопители WD Red, оптимизированные для использования в составе малых NAS на 8 отсеков, станут отличным выбором для системы архивирования или резервного копирования, предполагающей долговременное хранение бэкапов.
- Host Managed SMR (SMR, управляемая хостом)
При использовании HMSMR весь доступный объем накопителя разделяется на зоны двух типов: Conventional Zones (обычные зоны), которые используются для хранения метаданных и произвольной записи (по сути, играют роль кэша), и Sequential Write Required Zones (зоны последовательной записи), занимающие большую часть общей емкости жесткого диска, в которых данные записываются строго последовательно. Неупорядоченные данные сохраняются в области кэширования, откуда затем могут быть перенесены в соответствующую зону последовательной записи. Благодаря этому все физические сектора записываются последовательно в радиальном направлении и перезаписываются только после циклического переноса, что позволяет добиться стабильной и предсказуемой производительности системы. При этом HMSMR-диски поддерживают команды произвольного чтения аналогично накопителям, использующим стандартный PMR.
Host Managed SMR реализована в жестких дисках enterprise-класса Western Digital Ultrastar HC DC 600-й серии.
Линейка включает в себя SATA- и SAS-накопители высокой емкости, ориентированные на использование в составе гипермасштабных центров обработки данных. Поддержка Host Managed SMR существенно расширяет сферу применения таких винчестеров: помимо систем резервного копирования, они прекрасно подойдут для облачных хранилищ, CDN или стриминговых платформ. Высокая емкость жестких дисков позволяет существенно повысить плотность хранения (в тех же стойках) при минимальных затратах на апгрейд, а низкое энергопотребление (не более 0,29 Ватта на каждый терабайт сохраненной информации) и тепловыделение (в среднем на 5 °C ниже, чем у аналогов) — дополнительно сократить операционные расходы на обслуживание ЦОДа.
Единственным недостатком HMSMR является сравнительная сложность имплементации. Все дело в том, что на сегодняшний день ни одна операционная система или приложение не умеют работать с подобными накопителями «из коробки», в силу чего для адаптации IT-инфраструктуры требуются серьезные изменения стека программного обеспечения. В первую очередь это касается, конечно же, самой ОС, что в условиях современных ЦОД, использующих многоядерные и многосокетные сервера, является достаточно нетривиальной задачей. Узнать подробнее о вариантах реализации поддержки Host Managed SMR можно на специализированном ресурсе ZonedStorage.io, посвященном вопросам зонального хранения данных. Собранные здесь сведения помогут предварительно оценить степень готовности вашей IT-инфраструктуры для перевода на зональные системы хранения.
- Host Aware SMR (SMR, поддерживаемая хостом)
Подобно Host Managed SMR, Host Aware SMR использует два типа зон: Conventional Zones для произвольной записи и Sequential Write Preferred Zones (зоны, предпочтительные для последовательной записи). Последние, в отличие от упомянутых выше Sequential Write Required Zones, автоматически переводятся в разряд обычных в том случае, если в них начинает вестись неупорядоченная запись данных.
Реализация SMR с поддержкой хоста предусматривает внутренние механизмы восстановления после непоследовательной записи. Неупорядоченные данные записываются в области кэширования, откуда диск может переносить информацию в зону последовательной записи, после того как будут получены все необходимые блоки. Для управления неупорядоченной записью и фоновой дефрагментацией диск использует таблицу косвенного обращения. Однако, если корпоративным приложениям требуется предсказуемая и оптимизированная производительность, достичь этого по-прежнему можно лишь в случае, когда хост берет на себя полное управление всеми потоками данных и зонами записи.
Для Western Digital 2017 год ознаменовался целым рядом громких премьер. 6 апреля мы анонсировали обновленный флагман в линейке специализированных накопителей для видеонаблюдения WD Purple емкостью 10 ТБ, а уже 19 мая были представлены 10-терабайтные модели серий WD Red и WD Red Pro, ориентированные на персональное использование и эксплуатацию в составе корпоративных NAS. Осень также не осталась без свежих релизов: в сентябре начались продажи WD Gold на 12 ТБ, а уже в октябре мир увидел первые винчестеры на 14 ТБ, выпущенные на рынок под маркой HGST Ultrastar Hs14.
Все это стало ответной реакцией на растущие потребности ИТ-предприятий: бизнес остро нуждается в увеличении плотности хранения информации, и с каждым годом аппетиты компаний лишь растут. Вопрос в том, где тот предел, достигнув которого мы сможем уверенно заявить: «Пришло время искать принципиально иное решение задачи, потенциал жестких дисков полностью исчерпан». Об этом мы и поговорим в сегодняшней статье.
Индустрия не успевает за клиентами
Одной из ключевых вех в истории нашей компании является разработка гелиевой платформы HelioSeal. Ее суть достаточно проста: корпус винчестера делается абсолютно герметичным и заполняется гелием — газом, обладающим в семь раз меньшей плотностью по сравнению с воздухом. Такая конструкция обеспечивает целый ряд важнейших преимуществ:
- значительное снижение сопротивление газовой среды внутри гермозоны диска позволило использовать более тонкие магнитные пластины и увеличить их количество с пяти до семи;
- снижение турбулентности помогло повысить точность позиционирования, сократить зазор между магнитными пластинами и пишущей головкой, благодаря чему удалось уменьшить ее физические размеры, добившись большей плотности записи методом PMR (перпендикулярная магнитная запись), и повысить быстродействие HDD на 21%;
- снижение силы трения сделало диски холоднее на 4 °C и практически на 49% экономичнее в расчете на емкость (последнее обусловлено меньшими энергозатратами на раскрутку шпинделя).
Преимущества платформы HelioSeal
Приведенная статистика не оставляет повода для сомнений: хотя новые накопители и побили мировые рекорды в своем весе, однако даже 14 ТБ на устройство — слишком мало с учетом аппетитов современного бизнеса, который уже сейчас нуждается в более производительной аппаратуре. Какие же способы решения данной проблемы существуют на сегодняшний день?
SMR — перспективное решение для файловых хранилищ
Хотя платформа HelioSeal и помогла существенно увеличить объем жестких дисков, дальнейший рост числа магнитных пластин не представляется возможным: как показала практика, добавление еще хотя бы одной сделает устройства крайне нестабильными, значительно снизив их надежность. Впрочем, число «блинов» — лишь один из многочисленных параметров, определяющий емкость HDD, а поскольку такие характеристики, как размер ячейки для хранения единицы информации и ширина дорожек, оставались неизменными на протяжении многих лет, перспективы для развития все еще есть.
Первое, что приходит на ум, — технология SMR (Shingled Magnetic Recording), нашедшая применение в новых HGST Ultrastar Hs14. «Черепичный» метод записи отличается от классического перпендикулярного тем, что каждая последующая дорожка перекрывает предыдущую: таким образом удается преодолеть порог 1 Тбит/дюйм2 (максимум, который можно «выжать» из PMR). Разница между двумя подходами наглядно продемонстрирована на схемах, приведенных ниже.
Запись методом PMR: ширина дорожек существенно выше зоны считывания
Когда мы говорим о повышении плотности записи PMR благодаря высокой точности позиционирования головок в продуктах на основе HelioSeal, речь идет о сокращении промежутка между треками (Guard Space на рисунке). SMR же, в теории, способна обеспечить прирост объема до 20% и более.
Запись методом SMR: каждая новая дорожка наслаивается на предыдущую
Но, повторимся, лишь в теории. На практике возникают существенные проблемы с перезаписью: поскольку записывающая головка шире области считывания, при обновлении данных стирается не только требуемый фрагмент, но и последующие треки. В результате при каждой операции приходится корректировать и целевую дорожку, и соседние. Чтобы минимизировать потери в быстродействии, дорожки размещаются обособленными группами («лентами»), что позволяет зафиксировать максимальное число треков, требующих перезаписи, и обеспечить стабильную производительность устройств. Однако необходимость в дополнительном пространстве между лентами делает SMR уже не столь эффективной в плане увеличения емкости дисков.
Альтернативой такому подходу является комбинация PMR и SMR. По сути, HDD разделяется на «рабочую» и «архивную» зоны, в каждой из которых применяются различные методы записи. Рабочая зона играет роль своеобразного кэша, где хранятся файлы, используемые регулярно. Впоследствии они автоматически переносятся в зоны SMR без участия пользователя, что несколько напоминает процедуру «сборки мусора» у SSD.
Другой вариант — создание гибридных моделей, в которых наряду с DRAM-буфером будут присутствовать либо память SLC NAND, либо более дешевые псевдо-SLC-чипы на базе TLC. На выходе мы получим устройства, в которых реализовано трехуровневое кэширование, что в значительной степени усложняет архитектуру HDD и требует принципиально иных алгоритмов чтения/записи, которые могли бы в полной мере раскрыть потенциал такой связки.
Но даже несмотря на все вышеперечисленное, SMR будет оставаться узконаправленным решением для специфических отраслей — например, для архивирования информации и видеонаблюдения (сочетание DRAM+SLC+PMR-зон сможет обеспечить достаточно высокую скорость последовательной записи в многопоточном режиме, когда один накопитель обслуживает от 32 до 64 камер). В розничном сегменте данная технология подходит лишь для производства компактных USB-накопителей: поскольку такие девайсы используются в первую очередь как портативные хранилища, разница в производительности между SMR и PMR оказывается не столь критична. При этом черепичная запись позволяет не только повысить емкость внешних HDD, но и заметно снизить их габаритные размеры. Для эксплуатации же в составе высокопроизводительных серверов и десктопов подобные устройства, увы, не подойдут.
TDMR, HAMR или MAMR?
Более интересной технологией является двухмерная магнитная запись TDMR, способная обеспечить стабильный прирост емкости до 10% без потери производительности HDD.
Схема работы и преимущества TDMR
Ее суть заключается в физическом уменьшении размеров пишущих головок, что позволяет располагать магнитные дорожки более компактно. Здесь возникает иная проблема — появление ITI (Inter-Track Interference). Проще говоря, в процессе считывания информации ридер будет воспринимать электромагнитные наводки от соседних дорожек, что чревато ошибками распознавания. Победить интерференцию можно посредством дополнительных последовательных обращений к одной дорожке. В результате контроллер получит необходимое количество данных для подавления помех, но подобный подход существенно увеличит задержки и потребует значительного расширения кэша.
Другим решением является создание массива считывающих модулей, которые смогли бы одновременно читать данные с одной дорожки. Такой метод позволяет снизить отношение сигнал/шум без необходимости в дополнительных проходах, однако для фильтрации в реальном времени потребуются более производительные чипы, а также система контроля ошибок (впрочем, последнюю можно реализовать на базе кода Галлагера). Кроме того, использование нескольких ридеров на одной головке, при наличии эффективной системы подавления ITI, помогло бы повысить быстродействие винчестеров благодаря единовременному чтению нескольких треков.
Еще более интересные перспективы открывает технология HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), способная увеличить плотность записи до 2 Тбит/дюйм2 и даже выше. Суть термоассистируемой магнитной записи заключается в следующем: пишущая головка оснащается лазером с длиной волны 810 нм и мощностью около 20 мВт, который локально нагревает магнитную пластину до 450 °C. Высокая температура способствует снижению коэрцитивности (значение напряженности магнитного поля, требуемое для полного размагничивания), что, в свою очередь, позволяет сократить площадь области, необходимую для хранения одного бита информации, и при этом исключить вероятность суперпарамагнитного эффекта (произвольного перехода ферромагнитных частиц в однодоменное состояние, что приведет к потере записанных данных).
Принцип действия HAMR
По традиции и здесь не обошлось без подводных камней. Нагрев носителя данных осуществляется посредством оптического преобразователя ближнего поля (NFT), который и передает тепловое излучение магнитной пластине, обеспечивая возможность записи. Благодаря превосходным оптическим свойствам, в качестве основного материала для изготовления NFT было выбрано золото. Однако этот металл имеет недостаточную механическую прочность и быстро деформируется при длительном высокотемпературном воздействии, из-за чего оптический преобразователь слишком быстро выходит из строя. Поэтому коммерческая реализация данной технологии упирается в разработку термически устойчивого сплава.
Другая проблема кроется в том, что HAMR опосредованно конфликтует с HelioSeal. Поскольку теплопроводность гелия больше, чем воздуха, то, чтобы осуществить локальный нагрев магнитной пластины, потребуется использовать более мощный лазер, за счет чего возрастут требования к характеристикам NFT. Быстрый нагрев газовой среды приведет к росту давления внутри HDD, а значит, увеличится и сила сопротивления вращению «блинов», что неизбежно скажется на энергопотреблении. В свою очередь, повысится и температура корпуса диска, а таковая ни при каких обстоятельствах не должна превышать 60 °C, в противном случае существенно увеличатся издержки на модернизацию систем кондиционирования. Все это является серьезным препятствием для серийного производства HDD, базирующихся на данной технологии.
Альтернативой перечисленным технологиям является инновационная разработка Western Digital — MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording — микроволновая магнитная запись).
MAMR — микроволновая магнитная запись
Принцип ее действия во многом аналогичен HAMR с той лишь разницей, что для возбуждения магнитного домена в записывающем слое используется генератор поворота спинового момента (STO — Spin Torque Oscillator). Модуль представляет собой многослойную тонкопленочную структуру, в зазоре которой под действием постоянного тока возникает высокочастотное (20–40 Гц) круговое поле, воздействующее на магнитную пластину, благодаря чему и удается существенно снизить коэрцитивность, а значит, и существенно облегчить изменение вектора намагниченности. MAMR совместима с классической PMR, при этом позволяет сократить размер «зерна» (участка, необходимого для записи одного бита информации) с 8–12 нм до рекордных 4 нм и даже меньше.
Преимущества использования MAMR
Таким образом, нам удалось добиться рекордной плотности записи до 4 Тбит/дюйм2, что в перспективе позволит создавать накопители объемом 40 ТБ и выше в классическом корпусе с форм-фактором 3,5”. Первые серийные устройства планируется выпустить на рынок уже в 2019 году. Их использование поможет увеличить валовую емкость ЦОДа на 40%, при этом операционные расходы на дисковые хранилища останутся на прежнем уровне, так как в отличие от HAMR новые HDD отличаются низкими показателями тепловыделения, а STO-генератор практически не подвержен износу. Если же говорить о миграции с SSD-накопителей на жесткие диски, основанные на MAMR, то их внедрение поможет сократить затраты на хранение каждого гигабайта информации в 10 раз.
Курс на узкоспециализированную продукцию
Рассуждая о перспективах дальнейшей эволюции жестких дисков, следует уяснить простую истину: правила игры изменились, индустрия медленно, но верно берет курс на четкую сегментацию и создание узкоспециализированных продуктов, «заточенных» под конкретные задачи. Когда речь заходит о серверах и nearline-приложениях, жертвовать скоростью в угоду большей вместимости становится нецелесообразным и здесь оптимальным выбором остается гелиевая платформа, способная обеспечить и высокую производительность, и впечатляющую емкость.
В случае с сетевыми файловыми хранилищами и DAS вполне хватает возможностей SMR, а для видеорегистраторов разумным выбором станет «черепичная» запись в тандеме с продвинутой системой кэширования и обработки информации на основе SLC NAND. TDMR же будет завоевывать потребительский рынок: грамотная реализация двухмерной записи позволит создавать емкие, быстрые и недорогие (по сравнению с моделями на базе HelioSeal) решения, которые будут достаточно востребованы среди профессионалов и энтузиастов.
Изначально ориентированные на корпоративный сегмент накопители MAMR в перспективе способны стать «золотым стандартом» высокопроизводительных ЦОДов и облачных платформ. Что же касается HAMR, то говорить о массовом внедрении данной технологии пока не приходится — слишком много проблем технического и экономического характера еще предстоит решить. Учитывая же появление Microwave Assisted Magnetic Recording, можно сказать, что термоассистируемая магнитная запись выглядит как тупиковая ветвь развития, а HAMR, возможно, так никогда и не найдет широкого применения.
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.
Записывающий элемент воздействует на домены магнитным полем, чтобы придать определенную ориентацию магнитному полю частиц. При этом мягкий подслой обеспечивает дополнительную стабильность частиц относительно друг друга.
Проблемы механической миниатюризации в HDD
Человечеству сложно использовать машиностроение для миниатюризации бит на HDD . Всё равно, что если бы вас заставили провести «Боинг» на высоте двух метров над Северным Ледовитым океаном от Кольского полуострова до Чукотки.
Сегодняшняя технология — это высота 200 метров над уровнем моря . Поверхность при этом нужно не просто «пролететь» как можно быстрее, а ещё и отсканировать («считать»). По мере того как мы уменьшаем размер битов, самолёт должен лететь всё ближе к океану , чтобы обнаружить биты, да ещё и в скорости не терять.
Технические тайны HAMR
Объемы данных продолжают расти, поэтому без дальнейшего повышения емкости жестких дисков не обойтись. Как мы уже неоднократно отмечали, при повышении плотности записи данных возникают проблемы температурной стабильности. Ниже приведена иллюстрация, где зеленым цветом показаны зерна битовой области с двоичным состоянием "1", а белым — зерна области с состоянием "0". Как можно видеть, некоторые зерна поменяли свою ориентацию в области с закодированным битом, став белыми. Подобная смена может приводить к ошибкам, поэтому ее следует предотвращать.
Чтобы увеличить плотность хранения данных, необходимо уменьшать объем зерен на пластине ("V" в формуле ниже). Но при этом теряется температурная стабильность зерен, и для компенсации следует увеличивать анизотропию материала пластины (буква "K"). Анизотропия пропорциональна усилиям, которые необходимы для изменения магнитной ориентации зерен.
Чтобы сохранить высокий уровень SNR, число зерен в бите уменьшать нельзя. Поэтому рост плотности записи возможен только через уменьшение зерен. Но чем меньше зерна, тем выше вероятность смены состояния зерен и потери данных.
Как решить эту проблему? Чтобы ответить на вопрос, давайте обратимся к истории.
Немного истории: как повышалась плотность записи
Первые жесткие диски использовали продольную магнитную запись (LR, Longitudinal Recording), намагничивался верхний слой диска, ориентация зерен параллельна его плоскости. Для записи используется краевое магнитное поле, которое показано на иллюстрации ниже. Обратите внимание на расположение стрелок записываемых данных — в плоскости диска.
При увеличении плотности записи и уменьшении размера зерен, необходимо повышать анизотропию материала, как мы указали ранее. Но по мере того, как материал становится более стабильным, запись оказывается все более трудоемкой, для изменения ориентации зерен требуется уже более сильное магнитное поле. Более 60 лет производители жестких дисков усиливали магнитное поле головки записи, но было очевидно, что такой подход рано или поздно упрется в рамки законов физики.
От PMR к SMR и HAMR
Следующая эволюция плотности записи произошла благодаря переходу на перпендикулярную магнитную запись (PMR, Perpendicular Magnetic Recording). Под слоем пластины с зернами расположен слой магнитомягкого материала, который можно считать частью головки записи. В результате слой с зернами находится как бы в зазоре головки записи, что позволило усилить магнитное поле. Стрелки на записываемых данных расположены уже перпендикулярно поверхности диска, то есть ориентация зерен перпендикулярна плоскости диска.
В итоге удалось уменьшить размер зерен и увеличить плотность записи.
Следующий эволюционный шаг — переход на черепичную магнитную запись (SMR, Shingled Magnetic Recording). SMR увеличивает плотность хранения данных через более близкое расположение дорожек, а не через уменьшение размера зерен. Дорожки частично наслаиваются друг на друга, напоминая черепицу на крыше, отсюда и название. В результате на прежней площади пластины можно записать больше данных. И новые записываемые дорожки частично наслаиваются на старые.
Поскольку элемент чтения на головках намного меньше, чем элемент записи, данные с подобных наслоенных дорожек по-прежнему весьма успешно считываются без каких-либо компромиссов по надежности или целостности. Кроме того, для SMR можно использовать существующие технологии чтения и записи. Здесь не требуется существенно менять производственные конвейеры, поэтому себестоимость разработки и производства жестких дисков SMR остается низкой. Конечно, у SMR есть и недостатки по скорости записи, о чем можно узнать в нашей статье "SMR: понятно в теории, сложно на практике".
Технология SMR действительно обеспечивает увеличение емкости HDD. Seagate представила первый жесткий диск SMR в 2014 году, увеличив емкость на 25 процентов. При этом метод записи битов остался прежним, что позволило сочетать преимущества PMR и SMR. Но и данная технология не позволяет увеличивать плотность записи бесконечно. Современные жесткие диски PMR не могут дать выше 1 терабита на квадратный дюйм (Tbpsi). Законы физики обойти невозможно.
Диски FePt (железо-платина) с высокой анизотропией позволили решить проблемы температурной стабильности традиционных накопителей PMR и увеличить плотность записи. Но обычные головки записи уже не могут записать информацию на такие диски, поскольку магнитное поле недостаточно сильное.
Здесь на помощь приходит технология термомагнитной записи HAMR, которая обходит упомянутое ограничение, нагревая участок диска перед записью.
При комнатной температуре зерна на таком диске по-прежнему маленькие, но термически стабильные. Как раз то, что нам нужно. Благодаря нагреву участка, получается временно снизить коэрцитивную силу вещества.
В итоге запись производится только после нагрева участка, а хранить и считывать данные можно в обычном "холодном" состоянии. Причем весь процесс нагрева, записи и охлаждения занимает менее одной наносекунды.
Головки HAMR напоминают обычные PMR. Но к ним добавлен лазер, оптический волновод и преобразователь ближнего поля NFT (near-field transducer) для облегчения нагрева материала.
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.
В ближайшие несколько лет потребность в накопителях большей емкости, вызванная необходимостью хранения больших объемов данных, возрастет в пять раз. Жесткие магнитные диски смогут удовлетворить ее лишь в том случае, если не позднее 2015 года будет осуществлен переход на новую технологию.
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.
У SSD тем временем ещё есть слабые места
В целом SSD также имеют преимущества с точки зрения IOPS (сколько операций ввода-вывода вы можете выполнять в секунду) независимо от случайности доступа.
Твердотельные накопители не так хороши по производительности записи , как в чтении данных . Но человечество с помощью скромной магии программирования (и небольшой аппаратной помощи с кэшированием NVRAM на диске) смогли устранить некоторые из этих недостатков.
Методы вроде « Log structured data formats », которые делают запись последовательной (предпочтительно в SSD), позволили создать продвинутые алгоритмы. Истинно невидимый фронт работ.
У SSD всё ещё есть множество поставщиков, которые не сделали этих инвестиций . Как водится, такие продукты испытывают проблемы в использовании.
⚠ Твердотельные накопители (SSD) с устаревшим ПО (оно было унаследовано от других разработчиков и не подвергалось изменениям) банально плохо работают с оборудованием .
Им требуется совершенствование программного обеспечения. Особенно это касается модных QLC (всё новое поколение технологий на каком-нибудь условном «Aliexpress» требует внимательной проверки).
Рынок HDD в самом деле вымирает
Бизнес магнитных приводов (то есть HDD ) постоянно уменьшается. График объёма отгрузок производителей со спадом на 55% за последние 8 лет говорит сам за себя.
HDD сохраняют популярность там, где важно получить максимальную ёмкость за минимальную цену (сервера, дата-центры, бюджетные потребительские ПК).
Кстати потребительские ПК — это тоже задыхающийся бизнес (или, как некоторые нежно говорят, « трансформирующийся бизнес »). Его вытесняют мобильные устройства (смартфоны и различные форм-факторы планшетов с клавиатурами и без), а также взрывной рост облачных технологий ( сервис как услуга ).
Мобильные устройства вытесняют потребительские ПК в мировом масштабе (январь 2009 → октябрь 2020 © Statcounter).
Мобильные устройства вытесняют потребительские ПК в мировом масштабе (январь 2009 → октябрь 2020 © Statcounter).
Потребителям больше неважно с какого устройства заказывать пиццу и покупать новый телевизор на маркетплейсе. Десктоп превращается в профессиональную нишу, когда как массмаркет всё шире занимает смартфон (покупки), консоль (игры), телевизор (YouTube и онлайн кино).
Если нужна низкая цена и максимальная вместимость данных , то HDD всё ещё намного лучше, чем SSD.
Если нужна максимальная скорость , то NAND-память SSD — триумфатор в сегменте цена/производительность.
Читайте также: