[Перевод] Будущее хранения данных: Многослойные 3D-диски с большой емкостью
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:
- Необходимо достичь полного понимания физических процессов, происходящих при записи информации в ML-3D;
- Необходимо понять, как минимизировать влияние одного символа на другой, вызванное движением магнитных полей и объемностью структуры (другими словами, максимизировать коэффициент сигнал/шум);
- 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.
