أول محرك أقراص ثابت في العالم ، IBM RAMAC 305 ، الذي تم إصداره في عام 1956 ، احتوى على 5 ميجا بايت فقط من البيانات ، وفي نفس الوقت كان يزن 970 كجم وكان حجمه مشابهًا للثلاجة الصناعية. الشركات الرائدة الحديثة للشركات قادرة على التفاخر بسعة 20 تيرابايت. فقط تخيل: قبل 64 عامًا ، من أجل تسجيل مثل هذه الكمية من المعلومات ، كان الأمر يتطلب أكثر من 4 ملايين RAMAC 305 ، وسيتجاوز حجم مركز البيانات المطلوب لوضعها 9 كيلومترات مربعة ، بينما اليوم صندوق صغير يزن حوالي 700 جرام! نتج الكثير من هذه الزيادة الهائلة في كثافة التخزين من التحسينات في تقنيات التسجيل المغناطيسي.
من الصعب تصديق ذلك ، لكن تصميم محركات الأقراص الثابتة لم يتغير جذريًا منذ ما يقرب من 40 عامًا ، بدءًا من عام 1983: في ذلك الوقت ، شهد أول محرك أقراص ثابت RO351 بحجم 3.5 بوصة ، طورته شركة Rodime الاسكتلندية ، الضوء. تلقى هذا الطفل لوحتين مغناطيسيتين كل منهما 10 ميغا بايت ، أي أنه كان قادرًا على الاحتفاظ بضعف البيانات التي تم تحديثها بحجم 5.25 بوصة ST-412 ، والتي أصدرتها Seagate في نفس العام لأجهزة الكمبيوتر الشخصية IBM 5160.
Rodime RO351 - أول محرك أقراص ثابتة في العالم مقاس 3.5 بوصة على
الرغم من ابتكاره وحجمه الصغير ، في وقت إصداره ، تبين أن RO351 عديم الفائدة عمليًا ، وفشلت جميع المحاولات الأخرى التي قام بها Rodime للحصول على موطئ قدم في سوق محركات الأقراص الثابتة ، ولهذا السبب كانت الشركة في عام 1991 اضطرت إلى وقف أنشطتها ، بعد بيع جميع الأصول المتاحة تقريبًا وتقليل عدد الموظفين إلى الحد الأدنى. ومع ذلك ، لم يكن مصير Rodime للإفلاس: سرعان ما بدأ أكبر مصنعي محركات الأقراص الثابتة في اللجوء إليه ، راغبين في الحصول على ترخيص لاستخدام عامل الشكل الحاصل على براءة اختراع من قبل الاسكتلنديين. 3.5 بوصة هي المعيار المقبول حاليًا لكل من محركات الأقراص الثابتة للمستهلكين والمؤسسات.
مع ظهور الشبكات العصبية والتعلم العميق وإنترنت الأشياء (IoT) ، بدأت كمية البيانات التي أنشأتها البشرية في النمو مثل الانهيار الجليدي. تقدر وكالة IDC التحليلية ، بحلول عام 2025 ، تصل كمية المعلومات الناتجة عن كل من الناس ومن حولنا devaysa إلى 175 زيتابايت (1 Zbayt = 10 21 bytes) ، وهذا على الرغم من حقيقة أنه في عام 2019 كان هذا 45 Zbayt ، في عام 2016 - 16 ZB ، وفي عام 2006 ، لم يتجاوز إجمالي كمية البيانات المنتجة في التاريخ المنظور بأكمله 0.16 (!) ZB. تساعد التقنيات الحديثة في التعامل مع انفجار المعلومات ، ومن بينها الأساليب المحسنة لتسجيل البيانات ليست الأخيرة.
ما الفرق بين LMR و PMR و CMR و TDMR؟
مبدأ محركات الأقراص الصلبة بسيط للغاية. تتحرك الصفائح المعدنية الرقيقة المغطاة بطبقة من مادة مغناطيسية حديدية (مادة بلورية قادرة على الاحتفاظ بالمغنطة حتى عندما لا تتعرض لمجال مغناطيسي خارجي عند درجات حرارة أقل من نقطة كوري) بالنسبة إلى كتلة رؤوس الكتابة بسرعة عالية (5400 دورة في الدقيقة أو أكثر). عندما يتم تطبيق تيار كهربائي على رأس الكتابة ، ينشأ مجال مغناطيسي متناوب ، والذي يغير اتجاه متجه مغنطة المجالات (مناطق منفصلة من المادة) للمغناطيس الحديدي. تحدث قراءة البيانات إما بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي (تؤدي حركة المجالات بالنسبة إلى المستشعر إلى تيار كهربائي متناوب في الأخير) ،أو بسبب التأثير المغنطيسي الهائل (تتغير المقاومة الكهربائية لجهاز الاستشعار تحت تأثير المجال المغناطيسي) ، كما هو مطبق في أجهزة التخزين الحديثة. يقوم كل مجال بترميز بت واحد من المعلومات ، مع أخذ قيمة منطقية "0" أو "1" اعتمادًا على اتجاه متجه المغنطة.
لفترة طويلة ، استخدمت محركات الأقراص الثابتة طريقة التسجيل المغناطيسي الطولي (LMR) ، حيث يقع متجه مغنطة المجال في مستوى اللوحة المغناطيسية. على الرغم من البساطة النسبية للتنفيذ ، كان لهذه التقنية عيب كبير: من أجل التغلب على الإكراه (انتقال الجسيمات المغناطيسية إلى حالة ذات مجال واحد) ، يجب ترك منطقة عازلة رائعة بين المسارات (ما يسمى مساحة الحراسة). نتيجة لذلك ، كانت أقصى كثافة تسجيل تم تحقيقها في نهاية هذه التقنية 150 جيجابت / بوصة 2 فقط .
في عام 2010 ، تم استبدال LMR بالكامل تقريبًا بـ PMR (تسجيل مغناطيسي عمودي - تسجيل مغناطيسي عمودي). يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هذه التقنية والتسجيل المغناطيسي الطولي في أن متجه الاتجاه المغناطيسي لكل مجال يقع بزاوية 90 درجة على سطح اللوحة المغناطيسية ، مما يقلل بشكل كبير من الفجوة بين المسارات.
نتيجة لذلك ، تمت زيادة كثافة تسجيل البيانات بشكل كبير (حتى 1 تيرابايت / بوصة 2في الأجهزة الحديثة) ، مع عدم التضحية بخصائص السرعة وموثوقية محركات الأقراص الثابتة. في الوقت الحالي ، يسود التسجيل المغناطيسي العمودي في السوق ، ولهذا السبب يُطلق عليه أيضًا اسم CMR (التسجيل المغناطيسي التقليدي). يجب أن يكون مفهوما أنه لا يوجد فرق على الإطلاق بين PMR و CMR - هذه مجرد نسخة أخرى من الاسم.
أثناء دراسة المواصفات الفنية لمحركات الأقراص الثابتة الحديثة ، قد تتعثر أيضًا في الاختصار الغامض TDMR. على وجه الخصوص ، يتم استخدام هذه التقنية بواسطة محركات أقراص سلسلة Western Digital Ultrastar 500 من فئة المؤسسات . من وجهة نظر الفيزياء ، لا يختلف TDMR (الذي يرمز إلى التسجيل المغناطيسي ثنائي الأبعاد) عن PMR الذي اعتدنا عليه: كما كان من قبل ، نحن نتعامل مع المسارات المنفصلة ، المجالات التي يتم توجيهها بشكل عمودي على مستوى الصفائح المغناطيسية. يكمن الاختلاف بين التقنيات في نهج قراءة المعلومات.
في كتلة الرؤوس المغناطيسية لمحركات الأقراص الثابتة ، التي تم إنشاؤها باستخدام تقنية TDMR ، يوجد مستشعران للقراءة لكل رأس تسجيل ، والذي يقرأ في وقت واحد البيانات من كل مسار تم تمريره. يمكّن هذا التكرار وحدة التحكم في محرك الأقراص الثابتة من تصفية الضوضاء الكهرومغناطيسية الناتجة عن تداخل التداخل (ITI) بكفاءة.
يوفر حل مشكلة ITI فائدتين مهمتين للغاية:
- يتيح لك تقليل نسبة الضوضاء زيادة كثافة التسجيل عن طريق تقليل المسافة بين المسارات ، مما يوفر زيادة في السعة الإجمالية تصل إلى 10٪ مقارنةً بـ PMR التقليدي ؛
- RVS , TDMR , , .
SMR ?
يبلغ حجم رأس الكتابة حوالي 1.7 ضعف حجم مستشعر القراءة. يمكن تفسير هذا الاختلاف المثير للإعجاب بكل بساطة: إذا كانت وحدة التسجيل أكثر تصغيرًا ، فإن قوة المجال المغناطيسي الذي يمكن أن تولده لن تكون كافية لمغنطة مجالات الطبقة المغناطيسية المغناطيسية ، مما يعني أنه لن يتم حفظ البيانات ببساطة. في حالة مستشعر القراءة ، لا تظهر هذه المشكلة. علاوة على ذلك ، فإن تصغيرها يجعل من الممكن زيادة تقليل تأثير ITI المذكورة أعلاه على عملية قراءة المعلومات.
شكلت هذه الحقيقة أساس التسجيل المغناطيسي المتشابك (SMR). لنكتشف كيف يعمل. في نظام PMR التقليدي ، يتم إزاحة الرأس عن كل مسار سابق بمسافة تساوي عرضه + عرض مساحة الحراسة.
عند استخدام طريقة التسجيل المغناطيسي المبلط ، يتحرك رأس التسجيل للأمام فقط لجزء من عرضه ، لذلك يتم استبدال كل مسار سابق جزئيًا بالمسار التالي: تتداخل المسارات المغناطيسية مع بعضها البعض مثل بلاط السقف. يتيح لك هذا الأسلوب زيادة كثافة التسجيل ، مما يوفر زيادة في السعة تصل إلى 10٪ ، مع عدم التأثير على عملية القراءة. مثال على ذلك Western Digital Ultrastar DC HC 650 ، أول محركات أقراص SATA / SAS مقاس 3.5 بوصة 20 تيرابايت في العالم ، أصبحت ممكنة بفضل تقنية التسجيل المغناطيسي الجديدة. وبالتالي ، فإن الانتقال إلى أقراص SMR يسمح بزيادة كثافة التخزين في نفس الرفوف بأقل تكاليف لترقية البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات.
على الرغم من هذه الميزة المهمة ، فإن SMR لها أيضًا عيب واضح. نظرًا لأن المسارات المغناطيسية تتداخل مع بعضها البعض ، فإن تحديث البيانات سيتطلب إعادة كتابة ليس فقط الجزء المطلوب ، ولكن أيضًا جميع المسارات اللاحقة داخل اللوحة المغناطيسية ، والتي يمكن أن يتجاوز حجمها 2 تيرابايت ، وهو أمر محفوف بانخفاض خطير في الأداء.
يساعد دمج عدد معين من المسارات في مجموعات منفصلة تسمى المناطق في حل هذه المشكلة. على الرغم من أن هذا النهج لتنظيم تخزين البيانات يقلل إلى حد ما من السعة الإجمالية لمحرك الأقراص الصلبة (نظرًا لأنه من الضروري الحفاظ على فجوات كافية بين المناطق لمنع إعادة كتابة المسارات من المجموعات المجاورة) ، إلا أنه يمكن أن يسرع بشكل كبير عملية تحديث البيانات ، حيث أنه يوجد الآن عدد محدود فقط من المسارات المتضمنة فيه.
يقترح التسجيل المغناطيسي المبلط عدة خيارات للتنفيذ:
- محرك SMR المُدار (SMR المُدار بواسطة Drive)
ميزته الرئيسية هي أنه ليست هناك حاجة لتعديل البرامج و / أو الأجهزة الخاصة بالمضيف ، حيث يتم التحكم في إجراء تسجيل البيانات بواسطة وحدة التحكم في محرك الأقراص الثابتة. يمكن توصيل محركات الأقراص هذه بأي نظام يحتوي على الواجهة المطلوبة (SATA أو SAS) ، وبعد ذلك سيكون محرك الأقراص جاهزًا للاستخدام على الفور.
عيب هذا النهج هو التباين في مستويات الأداء ، مما يجعل Drive Managed SMR غير مناسب لتطبيقات المؤسسات حيث يكون اتساق أداء النظام أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك ، تعمل هذه الأقراص بشكل جيد في السيناريوهات التي تتيح وقتًا كافيًا لإجراء إلغاء تجزئة الخلفية للبيانات. على سبيل المثال ، محركات أقراص WD Red DMSMRتم تحسينها للاستخدام في أنظمة NAS الصغيرة ذات 8 فتحات ، وهي خيار ممتاز لأنظمة الأرشفة أو النسخ الاحتياطي التي تتطلب تخزينًا طويل المدى للنسخ الاحتياطية.
- SMR المدار المضيف (SMR المدار المضيف)
Host Managed SMR هو التطبيق المفضل للتسجيل المتجانب للاستخدام في بيئة الشركة. في هذه الحالة ، يكون النظام المضيف نفسه مسؤولاً عن إدارة تدفقات البيانات وعمليات القراءة / الكتابة ، وذلك باستخدام واجهات ATA (Zoned Device ATA Command Set ، ZAC) و SCSI (Zoned Block Commands، ZBC) ، التي طورتها INCITS T10 و T13 ...
عند استخدام HMSMR ، يتم تقسيم كل مساحة التخزين المتاحة إلى نوعين من المناطق: المناطق التقليدية ، والتي تُستخدم لتخزين البيانات الوصفية والكتابة العشوائية (في الواقع ، تعمل كذاكرة تخزين مؤقت) ، ومناطق الكتابة المتسلسلة المطلوبة ، والتي تشغل مساحة كبيرة جزء من إجمالي سعة القرص الصلب حيث تتم كتابة البيانات بشكل تسلسلي صارم. يتم تخزين البيانات غير المرتبة في منطقة مخزنة مؤقتًا ، حيث يمكن بعد ذلك نقلها إلى منطقة الكتابة المتسلسلة المقابلة. يتيح ذلك كتابة جميع القطاعات المادية بالتتابع في الاتجاه الشعاعي والكتابة فوقها فقط بعد النقل الدوري ، مما يسمح بأداء نظام مستقر ويمكن التنبؤ به. في الوقت نفسه ، تدعم أقراص HMSMR أوامر القراءة العشوائية على غرار محركات الأقراص ،باستخدام معيار PMR.
يتم تنفيذ Host Managed SMR في محركات الأقراص الصلبة Western Digital Ultrastar HC DC 600 من فئة المؤسسات .
يشتمل الخط على محركات أقراص SATA و SAS عالية السعة للاستخدام في مراكز البيانات الفائقة النطاق. يعمل دعم SMR المُدار بواسطة المضيف على توسيع نطاق محركات الأقراص هذه بشكل كبير: بالإضافة إلى أنظمة النسخ الاحتياطي ، فهي مثالية للتخزين السحابي أو CDN أو منصات البث. تتيح لك السعة العالية لمحركات الأقراص الثابتة زيادة كثافة التخزين بشكل كبير (في نفس الرفوف) بأقل تكاليف ترقية واستهلاك منخفض للطاقة (لا يزيد عن 0.29 وات لكل تيرابايت من المعلومات المخزنة) وتبديد الحرارة (في المتوسط 5 درجات مئوية أقل من ذلك من النظير) - لزيادة خفض التكاليف التشغيلية لصيانة مركز البيانات.
العيب الوحيد في HMSMR هو التعقيد النسبي للتنفيذ. النقطة المهمة هي أنه لا يوجد اليوم أي نظام تشغيل أو تطبيق قادر على العمل مع محركات الأقراص هذه "خارج الصندوق" ، وهذا هو السبب في الحاجة إلى إجراء تغييرات خطيرة في حزمة البرامج لتكييف البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات. بادئ ذي بدء ، يتعلق هذا ، بالطبع ، بنظام التشغيل نفسه ، والذي يعد في مراكز البيانات الحديثة باستخدام خوادم متعددة النواة ومتعددة المقابس مهمة غير بديهية إلى حد ما. لمعرفة المزيد حول خيارات تنفيذ دعم Host Managed SMR ، تفضل بزيارة ZonedStorage.io ، وهو مورد تخزين مخصص حسب المناطق. ستساعدك المعلومات التي تم جمعها هنا في إجراء تقييم مسبق لمدى استعداد البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات لديك للترحيل إلى أنظمة التخزين المخصصة.
- Host Aware SMR (المضيف المدعوم SMR)
تجمع الأجهزة التي تدعم Host Aware SMR بين راحة ومرونة Drive Managed SMR مع سرعة الكتابة العالية لـ Host Managed SMR. هذه المحركات متوافقة مع الإصدارات السابقة مع أنظمة التخزين القديمة ويمكن أن تعمل بدون تحكم مباشر من المضيف ، ولكن في هذه الحالة ، كما هو الحال مع محركات DMSMR ، يصبح أداؤها غير متوقع.
مثل Host Managed SMR ، يستخدم Host Aware SMR نوعين من المناطق: المناطق التقليدية للكتابة العشوائية ومناطق الكتابة المتسلسلة المفضلة. الأخير ، على عكس المناطق المطلوبة للكتابة المتسلسلة المذكورة أعلاه ، يتم نقلها تلقائيًا إلى فئة المناطق العادية في حالة بدء تسجيل البيانات غير المرتبة فيها.
توفر تطبيقات SMR المدركة للمضيف آليات داخلية للتعافي من عمليات الكتابة غير المتسقة. تتم كتابة البيانات غير المرتبة إلى المنطقة المخزنة مؤقتًا ، حيث يمكن للقرص نقل المعلومات إلى منطقة الكتابة المتسلسلة بعد استلام جميع الكتل الضرورية. يستخدم القرص جدول المراوغة لإدارة عمليات الكتابة خارج الترتيب وإلغاء تجزئة الخلفية. ومع ذلك ، إذا كانت تطبيقات المؤسسة تتطلب أداءً محسنًا ويمكن التنبؤ به ، فلا يزال من الممكن تحقيق ذلك فقط عندما يتحكم المضيف بشكل كامل في جميع تدفقات البيانات ومناطق الكتابة.