Jak se ukládají data na pevné disky - technologie záznamu dat

Zvyšování kapacity pevného disku

Plošná hustota - denzita záznamu na plošnou jednotku

Hnacím faktorem kapacity HDD je a vždy byla plošná hustota. Plošná hustota je množství dat, které lze uložit na čtvereční palec povrchu plotny, obvykle se vyjadřuje v Gb/in2 nebo Gbits/in2. Existuje mnoho způsobů, jak zvýšit kapacitu pevného disku. Použití větších fyzických formátů disků (např. 2,5" vs. 3,5" HDD nebo větší vertikální výška, např. 7mm vs. 15mm 2,5" disky) umožňuje použít více nebo větší plotny v rámci disku, čímž se zvýší jeho kapacita. kapacity pevného disku bez zvýšení plošné hustoty. Zvětšením obvodu ploten v disku, například z 95 mm na 97 mm u 3,5" formátu, se vytvoří větší fyzická plocha pro ukládání dat a kapacita se může zvýšit bez zvýšení hustoty. Zvýšení počtu ploten v každé jednotce může zvýšit kapacitu pevného disku, ale podléhá jednoduchým fyzikálním a objemovým omezením. Zvyšování plošné hustoty je však n e j v ý z n a m n ě j š í m faktorem zvyšování kapacity HDD v čase.
Obrázek 1 ukazuje dvě klíčová měření pro určení a zvýšení plošné hustoty: stopy na palec (TPI) a bity na palec (BPI). Pevné disky se skládají ze soustředných magnetických stop kolem média, přičemž rozteč stop je definována jako vzdálenost mezi středy jednotlivých stop. Zvýšení TPI stlačením stop těsněji k sobě a zmenšením rozteče stop se zvýší plošná hustota. Stejně tak samotné bity jsou soubory zrnek materiálu o šířce stopy a délce, kterou čtecí hlava potřebuje k úspěšnému přečtení jedinečné hodnoty. Ty jsou zarovnány p o obvodu stopy a zvýšení BPI se dosahuje zkrácením bitů, což zvyšuje plošnou hustotu.
TPI a BPI se zvyšují prostřednictvím formátů záznamu, kdy se efektivněji využívá uspořádání bitů na médiu v rámci konkrétní technologie záznamu, a prostřednictvím technologií záznamu, kdy se magnetické vlastnosti hlavy a média upravují tak, aby se fyzické bity zmenšily.

Obrázek 1: Vizualizace, stopy na palec (vlevo) a bity na palec (vpravo)

Formáty datového záznamu na pevném disku HDD

Fyzická/logická velikost sektoru

První diskové jednotky neměly standardizované velikosti sektorů. Každý disk byl pouze fyzickým zařízením a logika řízení disku existovala mimo pevný disk, v hostitelském počítači. Počet bajtů na sektor závisel na výrobci pevného disku, operačním systému nebo aplikaci přistupující k jednotce v hostiteli a na tom, jaký mechanismus detekce/opravy chyb hostitel používal k zajištění integrity dat. V 80. letech 20. století vynalezla společnost Western Digital rozhraní IDE (Integrated Drive Electronics), které přesunulo řadič jednotky do fyzické jednotky disku. Tím byla vytvořena a standardizována sada příkazů pro interakci mezi hostitelem a jednotkou, jejíž součástí byla definice logického sektoru o délce 512 bajtů, přičemž každý bajt se skládal z 8 bitů dat. 512bajtové sektory vyžadují další prostor nad rámec 512 bajtů uložených dat. Součástí dodatečných informací je kód pro opravu chyb (ECC), který je nutný k určení, zda byla data, která byla ze sektoru přečtena, přečtena správně. S rostoucí hustotou areálu se fyzické bity zmenšují a hůře se čtou a chyby při čtení jsou častější. Algoritmy ECC používané v průběhu času pokročily a staly se výkonnějšími, aby byly schopny identifikovat a opravit chyby čtení.

Obrázek 2: Osm 512bajtových sektorů ve srovnání s jedním 4096bajtovým sektorem

S rostoucím výkonem a složitostí algoritmů ECC se HDD výrobci usoudili, že bude efektivnější zvětšit velikost fyzického sektoru z 512 na 4096 bajtů, nebo 4KB. Obrázek 2 ukazuje, jak se ECC aplikuje na 4096bajtový sektor. sektoru může být relativně menší než na osmi 512bajtových sektorech, zlepšuje efektivitu formátování - poměr celkové kapacity disku k celkové kapacitě disku. uživatelských dat. V podstatě pouhé zvýšení množství fyzických bitů v sektoru bylo "bezplatným" způsobem, jak zvýšit využitelnou plošnou hustotu disku. HDD. Byl dokončen standard, který umožňoval použití fyzických sektorů o velikosti 4KB. v roce 2005 a výrobci pevných disků začali dodávat disky se 4KB fyzickými bloky. fyzickými sektory v roce 2011. Samozřejmě, že nic není skutečně zadarmo. V ideálním světě by veškerý hostitelský software přepsán tak, aby používal logické sektory o velikosti 4KB a odpovídal tak HDD. ale to není proveditelné. Pevné disky založené na fyzických sektorech 4KB musí být zpětně kompatibilní s hostitelským operačním systémem, a softwarovým ekosystémem založeným na 512B sektorech. To vyžaduje, aby disk emuloval 512B logické sektory navzdory fyzické změně na médiu.

Pokud hostitel nezapisuje data na jednotku zarovnaná k fyzickým hranicím 4KB sektorů, je jednotka nucena provést tzv. "read-modify-write" operaci, aby se nové zápisy začlenily do existujících dat. fyzických sektorů, což výrazně snižuje výkon jednotky. Na obrázku 3 jsou uvedeny tři způsoby popisu logických a fyzických formáty sektorů. Některé starší a méně kapacitní pevné disky mají i nadále zachovávají velikost fyzického sektoru 512B. Protože fyzické a logické jsou stejné, jsou tyto disky popsány jako 512B nativní sektory. (512n). Většina větších disků přešla na 4096B fyzických sektorů, což způsobilo problémy, protože mnoho hostitelských aplikací nebylo možné přepsat tak, aby akceptovaly 4096B logické sektory.

Díky značnému úsilí se ekosystému provedeny nezbytné změny, aby bylo zajištěno, že hostitel může rozpoznat, že jednotka emuluje 512B logické sektory nad 4KB. fyzickou strukturou, známou jako emulace 512 bajtů (512e). Hostitel by pak mohl zarovnat své zápisy na přirozené fyzické hranice 4KB. a přitom stále používat 512B logické sektory, čímž by se vyhnul čtení, úpravě a zápisu operací. Moderní hostitelé jsou nyní schopni využívat fyzické sektory o velikosti 4KB s emulací 512B bez snížení výkonu. Zatímco většina úložného ekosystému nemohla přejít na 4KB logickou paměť. sektorů, některé hostitelské aplikace tuto změnu provedly. Disky prodávané pro se označují jako 4K-native (4Kn), protože logické i logické sektory jsou v nich fyzická velikost sektoru je 4096B. Dnes se všechny tři typy disků, 512n, 512e, a 4Kn, existují na trhu současně, v závislosti na modelu a kapacitě.

Rozložení stop (tracks) na harddisku

Záznam dat na magnetické médium a jejich čtení vyžaduje různé mechanismy a fyzické struktury. Zásadní je, že čtecí hlava je fyzicky užší než zapisovací hlava, což znamená, že stopy orientované na základě šířky zapisovací hlavy jsou menší než šířka hlavy zapisovací. obětovat potenciální plošnou denzitu.

Obrázek 4: Velikost zapisovací hlavy a velikost čtecí hlavy v porovnání s roztečí stop v konvenčním systému formátu záznamu

Historicky byly pevné disky navrženy tak, že šířka zapisovací hlavy byla určujícím faktorem rozteče stop. Obrázek 4 ukazuje stopy, které jsou na obvodu zarovnány tak, aby měly šířku zapisovací hlavy plus určitý ochranný pás mezi stopami, aby se zabránilo magnetickému rušení. Tento formát záznamu se tradičně označoval jako PMR - o tom později - ale se zavedením níže popsaného šindelového formátu se nyní označuje jako konvenční magnetický záznam (CMR). Nevýhodou CMR je, že kvůli ochrannému pásu a přirozenému rozdílu v šířce zapisovací a čtecí hlavy se plýtvá místem. CMR není nejefektivnější využití prostoru na plotně pevného disku, jaké lze nalézt. Výhodou je, že díky tomuto ochrannému pásu mezi stopami lze jednotlivé sektory přepisovat. Takže všechna data mohou být zapsána a/nebo aktualizována na místě. Každý kousek dat má logickou adresu bloku (LBA) a tato logická adresa bloku se mapuje na předvídatelné fyzické umístění, s některými jedinečnými výjimkami. Tento formát se u pevných disků používá desítky let, a proto je výkonnostní obálka CMR HDD dobře známá a předvídatelná. Operační systémy, software a benchmarkingové nástroje byly napsány s určitým očekáváním výkonu, který je v souladu s formátem CMR.

Aby se maximalizovala plošná hustota, je možné využít tohoto rozdílu mezi šířkou zapisovací a čtecí hlavy. Zásadní je, že pokud se stopy mohou překrývat tak, že stopa je jen o něco širší než čtecí hlava plus ochranný pás, může být rozteč stop těsnější než u CMR. To se označuje jako šindelový magnetický záznam (SMR), což naráží na způsob, jakým se na střechu kladou šindele. Šindele na střeše se překrývají, což znamená, že při opravě jednotlivého šindele je nutné šindele nad ním vytáhnout, aby bylo možné provést opravu. Stejný koncept se vyskytuje u SMR HDD, jak ukazuje obrázek 5.

Obrázek 5: Překrývání stop ve formátu šindelového magnetického záznamu

Existující data nelze přepsat, aniž by došlo k poškození překrývajících se stop. Disk je organizován do zón o velikosti několika set megabajtů a pro přepsání jediného sektoru v zapsané zóně je nutné přepsat celou zónu od počátečního sektoru se změněnými daty. Protože to z hlediska výkonu není únosné, typické řešení pro přepsání jednoho sektoru bude zápis na nové místo a označení předchozího místa jako zastaralého. Organizace dat proto musí být řešena tak, že LBA datového bloku a jeho fyzická poloha nemusí mít žádný předvídatelný vztah. To je velmi podobné způsobu, jakým jsou navrženy SSD, protože před zápisem nových dat je nutné bloky vymazat, a vyžaduje to mnoho stejných technik správy, jako je například garbage collection / TRIM u SSD.

Existují dva typy SMR HDD, jak ukazuje obrázek 6. První, SMR řízený diskem (DM-SMR), se hostiteli jeví jako typické blokové zařízení HDD a firmware disku interně spravuje tabulku překladů na pozadí a aktivity garbage collection. Disky DM-SMR jsou zpětně kompatibilní s hostiteli očekávajícími CMR. Druhým typem jsou HDD s úložištěm rozděleným do zón, také známé jako SMR řízený hostitelem (HM-SMR). Zónové úložiště označuje nový typ zařízení, který má být hlášen hostiteli, a zahrnuje jedinečnou sadu příkazů, sadu příkazů ATA pro zóny (ZAC) pro SATA HDD a sadu příkazů pro blokové zóny (ZBC) pro SAS HDD. Zónové úložiště se používá také u SSD, přičemž produkty používají standard Zoned Namespace (ZNS) NVMeTM. V tomto případě si musí být hostitel vědom struktury SMR a vydávat příkazy v souladu s pravidly pro přístup k zónovému úložišti. Aby bylo možné používat zónové úložiště, musí být operační systém, systém souborů a aplikace navrženy tak, aby byly přátelské k SMR. DM-SMR je nejvhodnější pro klientské/PC systémy a další systémy, kde pracovní zátěž umožňuje dostatečnou dobu nečinnosti, aby jednotka mohla zvládnout svou správu. Zařízení se zónovým úložištěm jsou vzhledem k významnému dopadu softwaru na správu hostitele nejvhodnější pro podniková a datová centra, kde je softwarový zásobník a aplikace spravovány a napsány/laděny speciálně pro zónové úložiště.

Obrázek 6: Typy uspořádání stop a správa dat SMR

S pokračujícím růstem kapacity disků bude SMR cenným rozšířením plošné hustoty díky využití relativních šířek zapisovací a čtecí hlavy. Podobně jako u přechodu na 4KB fyzické sektory bude přechod na SMR - zejména u HDD se zónovým úložištěm - vyžadovat značné softwarové úsilí, aby se zajistilo, že výkon disku bude s šindelovým uspořádáním stop zachován. Díky této softwarové práci se otevře dodatečná kapacita potřebná pro mnoho aplikací.

Energeticky asistovaný magnetický záznam

Aby bylo možné překonat výzvy představované trilematem, existují dvě možnosti. První je najít způsoby, jak aplikovat dodatečnou energii ke změně chování magnetické zapisovací hlavy tak, aby vytvářené pole bylo silnější nebo konzistentnější. Pokud je pole silnější nebo konzistentnější, umožňuje to použití médií s vyšší anizotropií a bity mohou být menší. Do této kategorie by patřil energeticky asistovaný PMR (ePMR) společnosti Western Digital. Druhou možností je aplikovat dodatečnou energii k dočasné úpravě vlastností média, což usnadní zápis s konvenční intenzitou pole. K tomu byly navrženy dvě metody, magnetický záznam asistovaný mikrovlnami (MAMR) a magnetický záznam asistovaný teplem (HAMR). Obě umožňují média s vyšší anizotropií a odpovídající snížení minimální velikosti bitů a zvýšení plošné hustoty.

ePMR

V současné implementaci technologie ePMR společnosti Western Digital se přes zapisovací pól aplikuje stejnosměrný předpěťový proud. Jak ukazuje obrázek 8, předpěťový proud generuje magnetické pole, které vytváří preferovanou cestu pro zvrácení magnetizace v zapisovací hlavě. Zvyšuje se tak konzistence zapisovacího pole od průchodu k průchodu přes médium, čímž se snižuje jitter a zvyšuje poměr signálu k šumu. Dodatečná konzistence a předvídatelnost magnetického pole umožňuje čistší zápis bitů a těsnější uspořádání stop, a tím zvyšuje plošnou hustotu.

Obrázek 8: Záznamová hlava. Červená = relativní pole vycházející z proudu ePMR

Na ePMR pokračuje další vývoj a konstrukce a budoucí verze mohou kromě konzistentnějšího pole zvýšit i intenzitu zapisovacího pole. To umožní použití médií s vyšší anizotropií.

HAMR

Cílem HAMR je dočasně snížit koercitivitu (tj. pole potřebné k přepnutí média) konkrétní oblasti, do které se má zapisovat. Aplikací energie na samotné médium lze zrna dočasně snáze převrátit, ale po odstranění energie si zachovají koercitivitu zrn s vysokou anizotropií.

HAMR toho dosahuje pomocí tepla. Když se teplota média lokálně zvýší, anizotropie klesne a do této oblasti média se snáze zapisuje. Když vychladne, anizotropie se opět zvýší a médium se hůře zapisuje a je tepelně stabilnější. Zahřátím pouze oblasti, do které je třeba zapsat, lze tedy použít konvenční magnetickou zapisovací hlavu a přesto efektivně zapisovat na média s vyšší anizotropií, než jaká se používají u konvenčního PMR. HAMR toho dosahuje pomocí laseru a optického měniče, který zahřívá lokální oblast média nad jeho Curieovu teplotu, takže ztrácí svůj magnetický moment; zapisovací pole aplikované během ochlazování pak stabilizuje zrna v požadované magnetické polaritě.