Перспективы эволюции жестких дисков: передовые технологии и трудности реализации09.12.2017 11:03

Для Western Digital 2017 год ознаменовался целым рядом громких премьер. 6 апреля мы анонсировали обновленный флагман в линейке специализированных накопителей для видеонаблюдения WD Purple емкостью 10 ТБ, а уже 19 мая были представлены 10-терабайтные модели серий WD Red и WD Red Pro, ориентированные на персональное использование и эксплуатацию в составе корпоративных NAS. Осень также не осталась без свежих релизов: в сентябре начались продажи WD Gold на 12 ТБ, а уже в октябре мир увидел первые винчестеры на 14 ТБ, выпущенные на рынок под маркой HGST Ultrastar Hs14.

Все это стало ответной реакцией на растущие потребности ИТ-предприятий: бизнес остро нуждается в увеличении плотности хранения информации, и с каждым годом аппетиты компаний лишь растут. Вопрос в том, где тот предел, достигнув которого мы сможем уверенно заявить: «Пришло время искать принципиально иное решение задачи, потенциал жестких дисков полностью исчерпан». Об этом мы и поговорим в сегодняшней статье.

Индустрия не успевает за клиентами

Одной из ключевых вех в истории нашей компании является разработка гелиевой платформы HelioSeal. Ее суть достаточно проста: корпус винчестера делается абсолютно герметичным и заполняется гелием — газом, обладающим в семь раз меньшей плотностью по сравнению с воздухом. Такая конструкция обеспечивает целый ряд важнейших преимуществ:

значительно меньшее сопротивление газовой среды внутри диска позволило использовать более тонкие магнитные пластины, увеличив их количество с пяти до семи;
снижение турбулентности помогло повысить точность позиционирования, сократить зазор между магнитными пластинами и пишущей головкой, благодаря чему удалось уменьшить ее физические размеры, добившись большей плотности записи методом PMR (перпендикулярная магнитная запись), и повысить быстродействие HDD на 21%;
снижение силы трения сделало диски холоднее на 4 °C и практически на 49% экономичнее в расчете на емкость (последнее обусловлено меньшими энергозатратами на раскрутку шпинделя).

Преимущества платформы HelioSeal

Именно благодаря HelioSeal стало возможным появление вначале 6- и 8-терабайтных моделей, а затем и «тяжеловесов» на 10, 12 и 14 ТБ. Но даже это не помогло в полной мере удовлетворить возникший спрос. Стремительное развитие сферы информационных услуг (в особенности облачных технологий) привело к взрывному росту количества обрабатываемой информации. В то время как объемы ЦОДов увеличиваются приблизительно на 40% каждый год (по подсчетам консалтинговой компании International Data Corporation), емкость HDD за аналогичный период возрастает лишь на 20%. В связи с этим не стоит удивляться тому, что если за первые полтора года существования HelioSeal Western Digital успешно реализовала около 1 млн единиц жестких дисков на 6 и 8 ТБ, то за один только третий квартал 2015 года в общей сложности было продано 1,1 млн HDD, а уже в начале октября 2016 года поставки перешагнули рубеж 10 млн накопителей, общая емкость которых составила 76 ЭБ (эксабайт).

Приведенная статистика не оставляет повода для сомнений: хотя новые накопители и побили мировые рекорды в своем весе, однако даже 14 ТБ на устройство — слишком мало с учетом аппетитов современного бизнеса, который уже сейчас нуждается в более производительной аппаратуре. Какие же способы решения данной проблемы существуют на сегодняшний день?

SMR — перспективное решение для файловых хранилищ

Хотя платформа HelioSeal и помогла существенно увеличить объем жестких дисков, дальнейший рост числа магнитных пластин не представляется возможным: как показала практика, добавление еще хотя бы одной сделает устройства крайне нестабильными, значительно снизив их надежность. Впрочем, число «блинов» — лишь один из многочисленных параметров, определяющий емкость HDD, а поскольку такие характеристики, как размер ячейки для хранения единицы информации и ширина дорожек, оставались неизменными на протяжении многих лет, перспективы для развития все еще есть.

Первое, что приходит на ум, — технология SMR (Shingled Magnetic Recording), нашедшая применение в новых HGST Ultrastar Hs14. «Черепичный» метод записи отличается от классического перпендикулярного тем, что каждая последующая дорожка перекрывает предыдущую: таким образом удается преодолеть порог 1 Тбит/дюйм² (максимум, который можно «выжать» из PMR). Разница между двумя подходами наглядно продемонстрирована на схемах, приведенных ниже.

Запись методом PMR: ширина дорожек существенно выше зоны считывания

Когда мы говорим о повышении плотности записи PMR благодаря высокой точности позиционирования головок в продуктах на основе HelioSeal, речь идет о сокращении промежутка между треками (Guard Space на рисунке). SMR же, в теории, способна обеспечить прирост объема до 20% и более.

Запись методом SMR: каждая новая дорожка наслаивается на предыдущую

Но, повторимся, лишь в теории. На практике возникают существенные проблемы с перезаписью: поскольку записывающая головка шире области считывания, при обновлении данных стирается не только требуемый фрагмент, но и последующие треки. В результате при каждой операции приходится корректировать и целевую дорожку, и соседние. Чтобы минимизировать потери в быстродействии, дорожки размещаются обособленными группами («лентами»), что позволяет зафиксировать максимальное число треков, требующих перезаписи, и обеспечить стабильную производительность устройств. Однако необходимость в дополнительном пространстве между лентами делает SMR уже не столь эффективной в плане увеличения емкости дисков.

Альтернативой такому подходу является комбинация PMR и SMR. По сути, HDD разделяется на «рабочую» и «архивную» зоны, в каждой из которых применяются различные методы записи. Рабочая зона играет роль своеобразного кэша, где хранятся файлы, используемые регулярно. Впоследствии они автоматически переносятся в зоны SMR без участия пользователя, что несколько напоминает процедуру «сборки мусора» у SSD.

Другой вариант — создание гибридных моделей, в которых наряду с DRAM-буфером будут присутствовать либо память SLC NAND, либо более дешевые псевдо-SLC-чипы на базе TLC. На выходе мы получим устройства, в которых реализовано трехуровневое кэширование, что в значительной степени усложняет архитектуру HDD и требует принципиально иных алгоритмов чтения/записи, которые могли бы в полной мере раскрыть потенциал такой связки.

Но даже несмотря на все вышеперечисленное, SMR будет оставаться узконаправленным решением для специфических отраслей — например, для архивирования информации и видеонаблюдения (сочетание DRAM+SLC+PMR-зон сможет обеспечить достаточно высокую скорость последовательной записи в многопоточном режиме, когда один накопитель обслуживает от 32 до 64 камер). В розничном сегменте данная технология подходит лишь для производства компактных USB-накопителей: поскольку такие девайсы используются в первую очередь как портативные хранилища, разница в производительности между SMR и PMR оказывается не столь критична. При этом черепичная запись позволяет не только повысить емкость внешних HDD, но и заметно снизить их габаритные размеры. Для эксплуатации же в составе высокопроизводительных серверов и десктопов подобные устройства, увы, не подойдут.

TDMR, HAMR или MAMR?

Более интересной технологией является двухмерная магнитная запись TDMR, способная обеспечить стабильный прирост емкости до 10% без потери производительности HDD.

Схема работы и преимущества TDMR

Ее суть заключается в физическом уменьшении размеров пишущих головок, что позволяет располагать магнитные дорожки более компактно. Здесь возникает иная проблема — появление ITI (Inter-Track Interference). Проще говоря, в процессе считывания информации ридер будет воспринимать электромагнитные наводки от соседних дорожек, что чревато ошибками распознавания. Победить интерференцию можно посредством дополнительных последовательных обращений к одной дорожке. В результате контроллер получит необходимое количество данных для подавления помех, но подобный подход существенно увеличит задержки и потребует значительного расширения кэша.

Другим решением является создание массива считывающих модулей, которые смогли бы одновременно читать данные с одной дорожки. Такой метод позволяет снизить отношение сигнал/шум без необходимости в дополнительных проходах, однако для фильтрации в реальном времени потребуются более производительные чипы, а также система контроля ошибок (впрочем, последнюю можно реализовать на базе кода Галлагера). Кроме того, использование нескольких ридеров на одной головке, при наличии эффективной системы подавления ITI, помогло бы повысить быстродействие винчестеров благодаря единовременному чтению нескольких треков.

Еще более интересные перспективы открывает технология HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), способная увеличить плотность записи до 2 Тбит/дюйм² и даже выше. Суть термоассистируемой магнитной записи заключается в следующем: пишущая головка оснащается лазером с длиной волны 810 нм и мощностью около 20 мВт, который локально нагревает магнитную пластину до 450 °C. Высокая температура способствует снижению коэрцитивности (значение напряженности магнитного поля, требуемое для полного размагничивания), что, в свою очередь, позволяет сократить площадь области, необходимую для хранения одного бита информации, и при этом исключить вероятность суперпарамагнитного эффекта (произвольного перехода ферромагнитных частиц в однодоменное состояние, что приведет к потере записанных данных).

Принцип действия HAMR

По традиции и здесь не обошлось без подводных камней. Нагрев носителя данных осуществляется посредством оптического преобразователя ближнего поля (NFT), который и передает тепловое излучение магнитной пластине, обеспечивая возможность записи. Благодаря превосходным оптическим свойствам, в качестве основного материала для изготовления NFT было выбрано золото. Однако этот металл имеет недостаточную механическую прочность и быстро деформируется при длительном высокотемпературном воздействии, из-за чего оптический преобразователь слишком быстро выходит из строя. Поэтому коммерческая реализация данной технологии упирается в разработку термически устойчивого сплава.

Другая проблема кроется в том, что HAMR опосредованно конфликтует с HelioSeal. Поскольку теплопроводность гелия больше, чем воздуха, то, чтобы осуществить локальный нагрев магнитной пластины, потребуется использовать более мощный лазер, за счет чего возрастут требования к характеристикам NFT. Быстрый нагрев газовой среды приведет к росту давления внутри HDD, а значит, увеличится и сила сопротивления вращению «блинов», что неизбежно скажется на энергопотреблении. В свою очередь, повысится и температура корпуса диска, а таковая ни при каких обстоятельствах не должна превышать 60 °C, в противном случае существенно увеличатся издержки на модернизацию систем кондиционирования. Все это является серьезным препятствием для серийного производства HDD, базирующихся на данной технологии.

Альтернативой перечисленным технологиям является инновационная разработка Western Digital — MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording — микроволновая магнитная запись).

MAMR — микроволновая магнитная запись

Принцип ее действия во многом аналогичен HAMR с той лишь разницей, что для возбуждения магнитного домена в записывающем слое используется генератор поворота спинового момента (STO — Spin Torque Oscillator). Модуль представляет собой многослойную тонкопленочную структуру, в зазоре которой под действием постоянного тока возникает высокочастотное (20–40 Гц) круговое поле, воздействующее на магнитную пластину, благодаря чему и удается существенно снизить коэрцитивность, а значит, и существенно облегчить изменение вектора намагниченности. MAMR совместима с классической PMR, при этом позволяет сократить размер «зерна» (участка, необходимого для записи одного бита информации) с 8–12 нм до рекордных 4 нм и даже меньше.

Преимущества использования MAMR

Таким образом, нам удалось добиться рекордной плотности записи до 4 Тбит/дюйм², что в перспективе позволит создавать накопители объемом 40 ТБ и выше в классическом корпусе с форм-фактором 3,5». Первые серийные устройства планируется выпустить на рынок уже в 2019 году. Их использование поможет увеличить валовую емкость ЦОДа на 40%, при этом операционные расходы на дисковые хранилища останутся на прежнем уровне, так как в отличие от HAMR новые HDD отличаются низкими показателями тепловыделения, а STO-генератор практически не подвержен износу. Если же говорить о миграции с SSD-накопителей на жесткие диски, основанные на MAMR, то их внедрение поможет сократить затраты на хранение каждого гигабайта информации в 10 раз.

Курс на узкоспециализированную продукцию

Рассуждая о перспективах дальнейшей эволюции жестких дисков, следует уяснить простую истину: правила игры изменились, индустрия медленно, но верно берет курс на четкую сегментацию и создание узкоспециализированных продуктов, «заточенных» под конкретные задачи. Когда речь заходит о серверах и nearline-приложениях, жертвовать скоростью в угоду большей вместимости становится нецелесообразным и здесь оптимальным выбором остается гелиевая платформа, способная обеспечить и высокую производительность, и впечатляющую емкость.

В случае с сетевыми файловыми хранилищами и DAS вполне хватает возможностей SMR, а для видеорегистраторов разумным выбором станет «черепичная» запись в тандеме с продвинутой системой кэширования и обработки информации на основе SLC NAND. TDMR же будет завоевывать потребительский рынок: грамотная реализация двухмерной записи позволит создавать емкие, быстрые и недорогие (по сравнению с моделями на базе HelioSeal) решения, которые будут достаточно востребованы среди профессионалов и энтузиастов.

Изначально ориентированные на корпоративный сегмент накопители MAMR в перспективе способны стать «золотым стандартом» высокопроизводительных ЦОДов и облачных платформ. Что же касается HAMR, то говорить о массовом внедрении данной технологии пока не приходится — слишком много проблем технического и экономического характера еще предстоит решить. Учитывая же появление Microwave Assisted Magnetic Recording, можно сказать, что термоассистируемая магнитная запись выглядит как тупиковая ветвь развития, а HAMR, возможно, так никогда и не найдет широкого применения.