oldi

Технология SMR открывает новые горизонты магнитной записи

Сергей Асмаков

Информационный взрыв

Принцип черепицы

Заключение

 

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

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 12'2013