В нашем блоге на Хабре мы не только рассказываем о развитии облачного сервиса 1cloud, но и много пишем о новых технологиях, в том числе в области процессоров и памяти. Мы уже рассматривали перспективные технологии хранения данных, а также плюсы и минусы технологий гибридных массивов хранения данных и масивов флеш-памяти. Сегодня мы представляем вашему вниманию адаптированный перевод заметки Карла Паулсена, технического директора компании Diversified Systems, о многослойных 3D-дисках с большой емкостью.



В любой момент можно с уверенностью сказать, что требования к локальным, корпоративным или облачным хранилищам по всему миру только повышаются. Какое-то время казалось, что облачные технологии изменят отношение к локальным запоминающим устройствам, однако этого не произошло.

Многие из участников конференции Storage Visions 2015 (проводившейся в январе 2015 года за два дня до CES в Лас-Вегасе) сказали, что предпочитают держать свое локальное хранилище «под контролем», иногда расширяя его возможности с помощью бесплатных облачных приложений.

Чтобы удовлетворить растущие запросы локальных и других хранилищ, емкости жестких дисков постепенно увеличивались: сначала до 4 ТБ, потом до 6 ТБ. Теперь же стали доступны жесткие диски (HDD) промышленного класса, обладающие емкостью 8 ТБ и работающие на 7200 оборотах в минуту. Такие HDD огромной емкости нашли применение не только в облачных технологиях, но и в корпоративных дата-центрах, и тому есть несколько причин.

Например, в 2013 году HGST (Hitachi), дочерняя компания Western Digital, смогла уместить семь 3,5-дюймовых дисков (6 ТБ) в один HDD, используя герметичную заполненную гелием камеру. Гелий легче воздуха, поэтому его использование уменьшает трение между дисками, что в свою очередь снижает степень нагрева и энергопотребление.

В апреле 2014 года Seagate представила диски промышленного класса емкостью 6 ТБ (3,5 дюйма) и частотой вращения 7200 об/мин, в которых использовались всего шесть терабайтных «тарелок», размещенных в безгелиевой камере. Рекомендованная цена SATA-диска Seagate Enterprise «Constellation ES» составляет $600, а розничная цена – $425, в то время как розничная цена HGST «Deckstar NAS» равняется примерно $325.

Отметим, что корпоративные диски должны обладать высокими параметрами надежности, доступности и производительности, а также иметь большую наработку на отказ – именно по этим причинам их стоимость значительно превышает стоимость обычных HDD. Для сравнения, «некорпоративный» жесткий диск объемом 4 ТБ, представленный в 2013 году, стоил около $180.

Легче воздуха


В сентябре 2014 года HGST анонсировала жесткий диск Ultrastar He8 (Helium 8000GB) SATA Ultra, рекомендованная цена которого составила $1099, а розничная – $810. Диск He8 использует популярную технологию перпендикулярной магнитной записи (PMR – Perpendicular Magnetic Recording), благодаря которой он обладает широким спектром применимости.

Насколько я знаю, на данный момент такие диски не используются в коммерческих или профессиональных широковещательных видеосерверах, а также в IT COTS-решениях. Однако новые гелиевые HDD потребляют на 33% меньше электроэнергии. Благодаря этому в дата-центрах увеличивается дисковая плотность, что означает снижение операционных издержек и уменьшение занимаемого устройствами пространства, по сравнению с классическими системами аналогичной емкости.

Какие бы преимущества не предлагали нам гелиевые жесткие диски, появление еще одного измерения в магнитном хранилище обещает открыть для нас возможности создания дисков объёмом 100 ТБ. На данный момент магнитные технологии хранения данных обладают 2D-структурой, имеющей определенные ограничения, связанные с физикой протекающих процессов.

Вплоть до середины 2012 года большинство классических устройств хранения кодировали данные путем намагничивания ~35 наноразмерных ферромагнитных гранул, которые обладали выраженной анизотропией магнитных свойств и намагничивались в одном из двух разных направлений. Чтение и запись двоичных данных выполнялась на одном сплошном магнитном слое. Чтобы увеличить максимально возможный объем записываемых данных, приходилось увеличивать битовую плотность и количество дорожек на диске.



Рисунок 1 – Конструкция многослойного 3D-диска (ML-3D)

Фундаментальные ограничения


За прошедшие десять лет продольная магнитная запись (LMR – Longitudinal Magnetic Recording) достигла фундаментального предела плотности записи, который составляет около 100-200 гигабит на квадратный дюйм. Этот предел получил название «суперпарамагнитного предела», обусловленного температурными колебаниями в момент поляризации гранул (изменения состояний) во время записи на устройство. Эффект парамагнетизма ведет к появлению полей рассеяния и неправильной ориентации зарядов на плоскости диска – «битовым ошибкам».

Чтобы расширить возможности HDD, была придумана перпендикулярная магнитная запись (PMR). PMR рассматривали как временное решение: биты поляризовались «перпендикулярно плоскости», а не «параллельно». Технология PMR стала использоваться повсеместно, но имела все те же проблемы с устойчивостью чтения и записи (как в случае с LMR). Считалось, что парамагнитный предел PMR составит 1 ТБ на квадратный дюйм, то есть в пять раз больше, чем у LMR.

Двумя другими предшественниками новой многослойной 3D-технологии являются термоассистируемая магнитная запись (HAMR или TAMR) и структурированный носитель данных (BPM). Обе технологии все так же страдают проблемой сложности однозначного определения нагретой нанообласти, а также проблемами, связанными с массовым производством. HAMR и BPM – это 2D-технологии, потому они рано или поздно достигнут своих пределов, как LMR и PMR.

3D-запись


Многослойная 3D-запись (ML-3D) – это набирающая популярность технология записи на вращающиеся магнитные носители. Достоинства технологии были озвучены в середине 2012 года, а в конце 2013 года исследователи из Международного университета Флориды опубликовали работу, в которой показали, что 3D-запись позволяет создавать магнитные носители колоссальной емкости.

В ML-3D вместо одного магнитного слоя (как в различных 2D-реализациях), используются три (рисунок 1). Между магнитными слоями проложены изолирующие слои.



Рисунок 2 –Физические компоненты многослойного 3D-диска (ML-3D) и методология записи. Каждая наноколонка – это контейнер для трех бит (поляризованных ячеек), формирующих одно слово (изображение и объяснение взяты из исследовательского проекта Международного университета Флориды)

В процессе намагничивания можно получить следующие результаты: «север/север/север», «юг/юг/юг», «север/север/юг» и так далее. Каждый слой обладает своими уникальными свойствами – запись осуществляется при воздействии магнитного поля определенного типа и силы.

На рисунке 2 показаны наборы битов, сформированные магнитным полем разной силы и направления и сгруппированные в наноколонки. Для записи используется специальная магнитная головка. Чтение осуществляется с помощью более слабой магнитной головки, путем вычисления векторной суммы наностолбцов.

Главные испытания еще впереди


Чтобы 3D-технология стала успешной во всех смыслах, нужно решить еще несколько проблем:

  1. Необходимо достичь полного понимания физических процессов, происходящих при записи информации в ML-3D;
  2. Необходимо понять, как минимизировать влияние одного символа на другой, вызванное движением магнитных полей и объемностью структуры (другими словами, максимизировать коэффициент сигнал/шум);
  3. Необходимо снизить влияние температурных эффектов, чтобы отодвинуть парамагнитный предел.

Жесткие диски вошли в употребление еще в 1957 году (24-дюймовая модель со стоимостью $34500). С того времени плотность записи увеличилась примерно в 2,5 миллиона раз – мы вошли в эру терабайтных HDD. Что нас ждет дальше? По подсчетам ученых, мы можем ожидать появления 60-терабайтных дисков уже в этом десятилетии (xbitlabs.com, май 2012).

С ростом популярности твердотельных накопителей становится сложно предсказать, где пересекутся судьбы HDD и SSD. Чтобы эффективно использовать высокие емкости и создать высокопроизводительные хранилища, необходимо параллельно развивать сетевые технологии. Системы хранения данных (будь то дата-центр, облако или ваша собственная комната с вещательным оборудованием) должны улучшаться постепенно и итеративно, чтобы с максимальной пользой использовать преимущества новых технологий.

Комментарии (3)


  1. Psychosynthesis
    17.12.2015 13:37

    Не очень понятно как выбирается одна из трёх ячеек. Поляризация ведь может быть только двух типов, если судить по рис.2.

    Ни слова не сказано про надёжность такого подхода.


    1. xiWera
      18.12.2015 02:25

      Не нужно выбирать одну из трех ячеек, по магнитной картине понятно состояние столбца. Запись конкретной ячейки скорее всего делается небольшой модификацией текущих процессов. Надёжность должна быть на уровне 2D варианта, который уже давным давно повсеместно используется.


      1. Psychosynthesis
        18.12.2015 02:55

        «Запись конкретной ячейки скорее всего делается небольшой модификацией текущих процессов»

        Вот это предложение совершенно непонятно.