HDD磁気記録技術：シンプルで複雑

1956年にリリースされた世界初のハードドライブであるIBMRAMAC 305には、わずか5 MBのデータが含まれ、同時に重量は970 kgで、サイズは産業用冷蔵庫に匹敵しました。現代の企業の旗艦は、20TBの容量を誇ることができます。想像してみてください。64年前、このような量の情報を記録するには、400万を超えるRAMAC 305が必要であり、配置に必要なデータセンターのサイズは9平方キロメートルを超えていましたが、今日では、重量が約700グラム！ストレージ密度のこの信じられないほどの増加の多くは、磁気記録技術の進歩によって達成されました。

信じがたいことですが、ハードドライブの設計は1983年から約40年間、根本的に変わっていません。スコットランドの会社Rodimeによって開発された最初の3.5インチRO351ハードドライブが光を見たのはその時でした。この幼児は、それぞれ10 MBの2つの磁気プレートを受け取りました。つまり、同じ年にSeagateがIBM5160パーソナルコンピューター用にリリースした更新された5.25インチST-412の2倍のデータを保持できました。





Rodime RO351-世界初の3.5インチハードドライブ



その革新性とコンパクトなサイズにもかかわらず、RO351はリリース時に実質的に役に立たないことが判明し、Rodimeがハードドライブ市場で足場を築こうとする試みはすべて失敗しました。そのため、1991年に同社は利用可能な資産のほぼすべてを売却し、スタッフを最小限に抑えて、活動を停止せざるを得なくなりました。しかし、ロディムは破産する運命にはありませんでした。すぐに、ハードドライブの最大のメーカーが、スコットランドが特許を取得したフォームファクターを使用するためのライセンスを取得したいと考え始めました。 3.5インチは、現在、コンシューマーHDDとエンタープライズHDDの両方で受け入れられている標準です。



ニューラルネットワーク、ディープラーニング、インターネットオブシングス（IoT）の出現により、人類が作成するデータの量は雪崩のように増加し始めました。IDC分析機関によると、2025年までに、人自身と周囲のデバイスの両方によって生成される情報の量は175ゼッタバイト（1 ZB = 10 ²¹バイト）に達します。これは、2019年には45ZBであったにもかかわらずです。 2016年-16ZB、および2006年には、予測可能な履歴全体で生成されたデータの合計量は0.16（！）ZBを超えませんでした。現代の技術は情報の爆発的な増加に対処するのに役立ちますが、その中でもデータ記録の改善された方法は最後ではありません。

LMR、PMR、CMR、およびTDMR：違いは何ですか？

ハードドライブの原理は非常に単純です。強磁性体（キュリー点以下の温度で外部磁場がなくても磁化を保持できる結晶性物質）の層でコーティングされた薄い金属板は、書き込みヘッドのブロックに対して高速（5400 rpm以上）で移動します。書き込みヘッドに電流を流すと、交流磁場が発生し、強磁性体のドメイン（物質の離散領域）の磁化ベクトルの方向が変化します。データの読み取りは、電磁誘導の現象（センサーに対するドメインの移動により後者で交流電流が発生する）のいずれかが原因で発生します。または、最新のストレージデバイスに実装されているように、巨大な磁気抵抗効果（磁場の影響下でセンサーの電気抵抗が変化する）が原因です。各ドメインは、磁化ベクトルの方向に応じて論理値「0」または「1」を取り、1ビットの情報をエンコードします。



長い間、ハードドライブは縦磁気記録（LMR）法を使用してきました。この方法では、ドメイン磁化ベクトルが磁気プレートの平面にあります。実装が比較的単純であるにもかかわらず、このテクノロジーには重大な欠点がありました。強制力（磁性粒子の単一ドメイン状態への遷移）を克服するために、印象的なバッファーゾーンをトラック（いわゆるガードスペース）の間に残さなければなりませんでした。その結果、このテクノロジーの最後に達成された最大記録密度は、わずか150 Gbit /インチ²でした。





2010年に、LMRはほぼ完全にPMR（Perpendicular Magnetic Recording-垂直磁気記録）に置き換えられました。この技術と縦方向の磁気記録の主な違いは、各ドメインの磁気方向のベクトルが磁気プレートの表面に対して90°の角度に配置されていることです。これにより、トラック間のギャップが大幅に減少しました。



これにより、データ記録密度が大幅に向上しました（最大1Tビット/インチ^2）最新のデバイスでは）、ハードドライブの速度特性と信頼性を犠牲にすることはありません。現在、垂直磁気記録が市場で支配的であるため、CMR（従来の磁気記録）とも呼ばれます。 PMRとCMRの間にまったく違いがないことを理解する必要があります-これは名前の単なる別のバージョンです。





最新のハードドライブの技術仕様を研究しているときに、不思議な略語TDMRに出くわすこともあります。特に、このテクノロジーは、エンタープライズクラスのWestern Digital Ultrastar500シリーズドライブで使用されています。物理学の観点から、TDMR（Two Dimensional Magnetic Recordingの略）は、私たちが慣れ親しんでいるPMRと同じです。以前と同様に、交差しないトラック、つまり磁気プレートの平面に垂直に配向されたドメインを扱います。テクノロジーの違いは、情報を読み取る方法にあります。



TDMRテクノロジーを使用して作成されたハードドライブの磁気ヘッドのブロックには、各記録ヘッドに2つの読み出しセンサーがあり、通過した各トラックからデータを同時に読み取ります。この冗長性により、HDDコントローラーはIntertrack Interference（ITI）によって引き起こされる電磁ノイズを効率的にフィルターで除去できます。





ITIの問題を解決すると、2つの非常に重要な利点が得られます。

1. ノイズレシオを下げると、トラック間の距離を縮めることで録音密度を上げることができ、従来のPMRよりも最大10％の総容量の増加が得られます。
2. RVS , TDMR , , .

SMR ?

書き込みヘッドのサイズは、読み出しセンサーのサイズの約1.7倍です。このような印象的な違いは非常に簡単に説明できます。記録モジュールをさらに小型化すると、生成できる磁場の強さが強磁性層のドメインを磁化するのに十分ではなくなり、データが保存されなくなります。読み出しセンサーの場合、この問題は発生しません。さらに、その小型化により、情報読み取りプロセスに対する上記のITIの影響をさらに減らすことができます。



この事実は、Shingled Magnetic Recording（SMR）の基礎を形成しました。それがどのように機能するかを理解しましょう。従来のPMRでは、ヘッドは前の各トラックから、その幅+ガードスペースの幅に等しい距離だけオフセットされます。





タイル磁気記録方式を使用する場合、記録ヘッドはその幅の一部だけ前方に移動するため、前の各トラックは次のトラックによって部分的に上書きされます。磁気トラックは屋根のタイルのように互いに重なります。このアプローチにより、読み取りプロセスに影響を与えずに、記録密度をさらに高めて、最大10％の容量ゲインを提供できます。例があるWestern DigitalのULTRASTAR DC HC 650、世界初の3.5インチ20TB SATA / SASドライブは、新しい磁気記録技術によって可能になりました。したがって、SMRドライブへの移行により、ITインフラストラクチャをアップグレードするための最小限のコストで、同じラック内のストレージ密度を高めることができます。





このような重要な利点にもかかわらず、SMRには明らかな欠点もあります。磁気トラックは互いにオーバーラップしているため、データを更新するには、必要なフラグメントだけでなく、磁気プレート内の後続のすべてのトラックも書き換える必要があります。そのボリュームは2テラバイトを超える可能性があり、パフォーマンスが大幅に低下します。



特定の数のトラックをゾーンと呼ばれる個別のグループに結合すると、この問題を解決するのに役立ちます。データストレージを整理するこのアプローチでは、HDDの総容量がいくらか減少しますが（隣接するグループからのトラックの書き換えを防ぐためにゾーン間に十分なギャップを維持する必要があるため）、現在は限られた数のトラックしか含まれていないため、データ更新プロセスを大幅に高速化できます。





タイル状の磁気記録は、いくつかの実装オプションを提案します。

• ドライブマネージドSMR（ドライブマネージドSMR）

その主な利点は、データ記録手順の制御がHDDコントローラーによって引き継がれるため、ホストソフトウェアやハードウェアを変更する必要がないことです。このようなドライブは、必要なインターフェイス（SATAまたはSAS）を備えた任意のシステムに接続できます。その後、ドライブはすぐに使用できるようになります。



このアプローチの欠点は、パフォーマンスレベルの変動であり、ドライブマネージドSMRは、システムパフォーマンスの一貫性が重要なエンタープライズアプリケーションには不適切です。ただし、このようなディスクは、データのバックグラウンドデフラグを実行するのに十分な時間を許可するシナリオで適切に機能します。たとえば、WD RedDMSMRドライブ小型の8ベイNASシステムでの使用に最適化されており、バックアップの長期保存が必要なアーカイブまたはバックアップシステムに最適です。

• ホストマネージドSMR（ホストマネージドSMR）

ホストマネージドSMRは、企業環境で使用するために推奨されるタイルレコーディングの実装です。この場合、ホストシステム自体が、INCITS T10およびT13によって開発されたATA（ゾーンデバイスATAコマンドセット、ZAC）およびSCSI（ゾーンブロックコマンド、ZBC）インターフェイスを使用して、データストリームおよび読み取り/書き込み操作を管理します。 ..。



HMSMRを使用する場合、使用可能なすべてのストレージスペースは、メタデータとランダム書き込みの保存に使用される従来のゾーン（実際にはキャッシュとして機能します）と、大きな領域を占めるシーケンシャル書き込み必須ゾーンの2種類のゾーンに分けられます。データが厳密に順番に書き込まれるハードディスクの総容量の一部。順序付けされていないデータはキャッシュ領域に保存され、そこから対応する順次書き込み領域に転送できます。これにより、すべての物理セクターを半径方向に順次書き込み、周期的な転送後にのみ上書きできるため、安定した予測可能なシステムパフォーマンスが可能になります。同時に、HMSMRディスクは、ドライブと同様にランダム読み取りコマンドをサポートします。標準のPMRを使用します。



ホストマネージドSMRは、エンタープライズクラスのWestern Digital Ultrastar HC DC600シリーズハードドライブに実装されています。





この範囲には、ハイパースケールデータセンターで使用するための大容量SATAおよびSASドライブが含まれます。ホストマネージドSMRサポートは、このようなドライブの範囲を大幅に拡大します。バックアップシステムに加えて、クラウドストレージ、CDN、またはストリーミングプラットフォームに最適です。ハードドライブの大容量により、最小限のアップグレードコストで（同じラック内の）ストレージ密度を大幅に向上させることができ、消費電力（保存された情報のテラバイトごとに0.29ワット以下）と熱放散（平均で5°C低い）アナログ）-データセンターを維持するための運用コストをさらに削減します。



HMSMRの唯一の欠点は、実装が比較的複雑なことです。今日、このようなドライブを「箱から出して」使用できるオペレーティングシステムやアプリケーションはありません。そのため、ITインフラストラクチャを適応させるにはソフトウェアスタックに重大な変更を加える必要があります。まず第一に、これはもちろん、OS自体に関係します。これは、マルチコアおよびマルチソケットサーバーを使用する最新のデータセンターでは、かなり重要なタスクです。ホスト管理SMRサポートを実装するためのオプションの詳細については、専用のゾーンストレージリソースであるZonedStorage.ioにアクセスしてください。ここで収集された情報は、ゾーンストレージシステムへの移行に対するITインフラストラクチャの準備状況を評価するのに役立ちます。

• ホスト対応SMR（ホストサポートSMR）

ホスト対応SMR対応デバイスは、ドライブ管理SMRの利便性と柔軟性と、ホスト管理SMRの高速書き込み速度を兼ね備えています。これらのドライブはレガシーストレージシステムと下位互換性があり、直接ホスト制御なしで機能できますが、この場合、DMSMRドライブと同様に、パフォーマンスは予測できなくなります。



ホストマネージドSMRと同様に、ホストアウェアSMRは、ランダム書き込み用の従来型ゾーンとシーケンシャル書き込み優先ゾーンの2種類のゾーンを使用します。後者は、前述のシーケンシャル書き込み必須ゾーンとは対照的に、順序付けられていないデータ記録が開始された場合、通常のゾーンのカテゴリに自動的に転送されます。



ホスト対応のSMR実装は、一貫性のない書き込みから回復するための内部メカニズムを提供します。順序付けされていないデータはキャッシュされた領域に書き込まれ、必要なすべてのブロックが受信された後、ディスクはそこから情報を順次書き込み領域に転送できます。ディスクは、間接テーブルを使用して、順不同の書き込みとバックグラウンドのデフラグメンテーションを管理します。ただし、エンタープライズアプリケーションで予測可能で最適化されたパフォーマンスが必要な場合でも、ホストがすべてのデータストリームと書き込みゾーンを完全に制御する場合にのみこれを実現できます。