SMR, CMR, PMR - все о жестких дисках и технологиях их изготовления
- Введение
- Из чего состоит современный жесткий диск
- Типы записи данных на HDD
- Перспективные методы записи
- Эволюция емкостей HDD
- Классификация дисков по количеству оборотов
- Типы подключения дисков
- Внешние коннекторы SFF
- Технология SMART
- Гелиевые hdd
Введение
HDD, или жесткий диск, долгое время был основным устройством хранения данных как в ПК, так и в серверах и мэйнфреймах. Сейчас эту роль во многом взяли на себя SSD, но нередки ситуации, когда без жестких дисков до сих пор не обойтись.
Первый HDD был создан инженерами IBM в 1956 году. Он включал в себя 50 покрытых сверхчистым железом пластин, по габаритам был размером с холодильник и весил почти тонну. При этом записать на него можно было всего 3,5 Мбайта, но для того времени это были отличные результаты. Диск применялся в мейнфреймах для ускорения обработки и хранения данных.
Жаргонное название «винчестер» связано с разработкой в 70-х жесткого диска IBM 3340. Этот диск был первым, в котором предусматривался цельный корпус, а в нем размещались пластины со считывающими головками. В процессе разработки HDD инженеры использовали сокращение «30-30». Это обозначало максимальную конфигурацию – два модуля емкостью по 30 Мб. Это совпало с маркировкой популярного у охотников калибра 30-30 Winchester. Существуют и другие версии появления этого жаргонизма, но эта является основной и наиболее обоснованной. Причем в Европе и Америке этот жаргонизм давно ушел в прошлое, но до сих пор сохраняется в русском языке.
"Хранилище" IBM 3340 (1973) объемом 60Mb
В дальнейшем происходило быстрое развитие технологии, позволившее существенно снизить габариты жестких дисков, цену и радикально нарастить объем записываемых данных. Уже через 10 лет HDD были размером с посудомоечную машину. А еще через десятилетие, к началу 80-х, габариты дисков стали сравнимы с современными, хотя форм-фактор был и крупнее. Сейчас эволюция жестких дисков на протяжение более 50 лет позволила обеспечить надежное хранение огромных объемов данных, в сочетании с приемлемой скоростью записи\чтения по очень доступной цене в пересчете за 1 Гбайт.
Из чего состоит современный жесткий диск
В целом устройство всех жестких дисков идентично. Конструкцию можно разделить на:
- Гермоблок.
- Блок электроники.
Блок электроники и гермоблок HDD
Гермоблок представляет собой надежный металлический корпус, внутри находятся основные функциональные части жестких дисков. Для записи данных в гермоблоке располагаются металлические или стеклянные диски, прикрепленные к шпинделю электромотора, который поддерживает их равномерное вращение с заданной скоростью. В большинстве HDD используются пластины из алюминия, на который нанесен слой ферромагнетиков. Иногда применяются и пластины из стекла (также покрытого ферромагнетиком), но эта технология не получила широкой популярности.
Для записи\считывания информации с пластин в гермоблоке размещается металлический кронштейн, на одном конце которого находятся головки чтения\записи, а другой подключен к сервоприводу. Последний нужен для позиционирования головок, он работает за счет электромагнитных сил, возникающих между мощными неодимовыми магнитами.
Устройство позиционирования головок жесткого диска является одним из самых совершенных механических устройств, созданных человеком. Высочайшая точность работы сервопривода обеспечивает точность позиционирования головки считывания\записи с практически нанометровой точностью, при этом механизм способен работать многие годы даже при очень высоких нагрузках.
Нужно отметить, что в каждом накопителе имеется особая парковочная зона, в которую головки устанавливаются в момент, когда накопитель отключен от питания или находится в режиме низкого электропотребления. Это нужно для предотвращения контакта головок с поверхностью пластин, в результате которого произойдет серьезная поломка с потерей данных.
Магнитные диски, шпиндель, сервопривод внутри HDD
Во многих жестких дисках корпус не полностью герметичен, в нем имеются специальные отверстия для выравнивания давления между внутренним пространством и окружающей средой. Они оснащаются надежными фильтрами, также внутри размещаются дополнительные циркуляционные фильтры. Сложная система фильтрации нужна для исключения попадания внутрь даже мельчайших частиц пыли и влаги. Это связано с тем, что головки чтения\записи парят над пластинами за счет аэродинамических сил, при этом расстояние между ними и пластиной составляет около 10 нм. Поэтому мельчайшая пылинка, попавшая между головкой и диском может привести к серьезным повреждениям. Даже лучшие системы фильтрации не могут полностью предотвратить проникновение внутрь микрочастиц. Именно поэтому внутри HDD размещаются циркуляционные фильтры, необходимые для их улавливания. По-настоящему герметичны только новейшие поколения жестких дисков, заполненные инертным газом – гелием. Они в системах фильтрации не нуждаются.
Отверстие (диафрагма) "do not cover this hole" для выравнивания давления внутри и снаружи HDD
На наружной части корпуса жестких дисков размещается блок электроники, в виде небольшой электронной платы с разъемами для подключения компьютерного интерфейса. В современных HDD эта плата представляет собой настоящий компьютер в миниатюре, с процессором, постоянной и оперативной памятью и собственной системой ввода\вывода. Задачей процессора является слежение за процессами внутри диска и поддержание его стабильной работы, также имеется специальный контроллер преобразующий аналоговый сигнал от головки в цифровой и наоборот. Оперативная память выступает в качестве быстрого буфера для хранения наиболее часто используемых данных. В отдельных сериях дисков имеется достаточно большой объем флеш-памяти (несколько гигабайт), используемый с той же целью, то есть в качестве буфера. Такая технология называется SSHDD и представляет собой гибрид твердотельных дисков и жестких, но широкого распространения она не получила.
Блок электроники HDD с основными комплектующими для управления диском
Типы записи данных на HDD
Принцип записи\чтения данных жестких дисков во многом похож на работу кассетных магнитофонов. Запись происходит за счет переменного магнитного поля, которое генерирует катушка в головке. Магнитное поле воздействует на перемещающуюся под головкой поверхность диска, покрытую слоем ферромагнетика. В результате образуется участок намагниченности, когда головка будет проходить над ним, в магнитопроводе произойдет изменение магнитного потока, которое вызовет генерацию сигнала. Затем он усиливается и обрабатывается, на финальной стадии оцифровывается и передается по интерфейсу подключения.
Но несмотря на то, что принципиально технология записи не изменилась, в процессе эволюции жестких дисков она также серьезно модернизировалась, ниже мы разберем основные типы записи информации на пластины HDD.
CMR диски
Это диски, в которых применяется технология продольной записи, описанная выше. При использовании такой технологии вектор намагниченности каждого магнитного домена располагается продольно, то есть вдоль поверхности диска. В зависимости от направления магнитного поля каждый участок считывается как ноль или единица. Именно с этой технологии начиналось развитие HDD, так как более ранние методики не позволяли достигать приемлемой плотности записи данных.
Основной недостаток таких жестких дисков – низкая плотность записи, не превышающая 23 Гбит\дюйм, поэтому к 2010 году от их использования почти полностью отказались.
CMR HDD диск HGST 600GB HUC101860CSS200
PMR диски
Диски, выполненные с использованием метода перпендикулярной записи пришли на смену CMR-дискам. Они позволили решить их основную проблему – низкую плотность записи. Суть метода заключается в том, что намагниченность домена располагается не продольно, а перпендикулярно поверхности пластины. Это позволило существенно уменьшить площадь каждого домена, но для записи потребовалось использовать гораздо более мощные магниты в головке и более чувствительные методики считывания информации.
Хотя сейчас именно PMR-диски занимают основной объем рынка, технология также практически исчерпала себя, о чем официально заявили инженеры Seagate в 2023 году. Но она пока не потеряла своего значения, до сих пор большая часть жестких дисков осуществляет запись и считывание с использованием метода PMR.
Western Digital DC HC510 - яркий представитель PMR дисков
SMR диски
В таких HDD используется новейшая разработка «черепичной» записи. Хотя сама технология появилась более 10 лет назад, широко применять ее начали только сейчас. Главная особенность метода SMR состоит в частичном наложении каждой группы дорожек на следующую, подобно тому, как укладывается черепица на кровле. Она не стала радикальным новшеством, таким как PMR, можно сказать, что SMR является эволюцией PMR метода.
Использование SMR позволяет дополнительно нарастить плотность записи, в сравнении с обычной PMR (примерно на 20%). Но использование SMR сопряжено с серьезным недостатком – существенным замедлением скорости перезаписи, так как необходимо каждый раз при перезаписывании даже отдельных битов осуществлять стирание и запись всего пакета перекрывающихся дорожек. Поэтому в жестких дисках для обычных компьютеров SMR-диски не прижились, но они широко используются в центрах обработки данных и архивах для хранения WORM-данных, которые редко перезаписываются, но часто считываются. Для хранения такой информации SMR диски оптимальны, а их недостатки не существенны. Вероятнее всего, что технология дальнейшего развития не получит, но просуществует какое-то время в качестве нишевой, до момента появления более перспективных типов записи.
Отличия SMR Черепичной записи от SMR традиционной
Перспективные методы записи
Развитие жестких дисков не остановилось на методе SMR, сейчас инженеры работают над рядом перспективных технологий, которые позволят еще больше нарастить плотность хранения данных, хотя по скорости чтения\записи с SSD жесткие диски конкурировать и не смогут. К наиболее перспективным направлениям можно отнести:- HAMR. Это технология тепловой магнитной записи, которая подразумевает точечный нагрев поверхности пластины, что позволяет намагнитить очень маленький участок, после охлаждения намагниченность «закрепляется», для перезаписи также потребуется дополнительный нагрев. Коммерческие поставки HAMR-дисков начала Seagate в 2023 году, на данный момент это наиболее перспективный «наследник» технологии PMR. Для точечного нагрева в головку чтения\записи был интегрирован достаточно мощный источник лазерного излучения. Именно создание миниатюрного лазера с приемлемыми характеристиками, а также подбор подходящих ферромагнетиков, способных выдерживать множество циклов перезаписи создали сложности в разработке и внедрении технологии.
Лазер в технологии HAMR. Источник:
- MAMR. Это технология записи с вспомогательным микроволновым излучением. По сути является альтернативой HAMR, но для намагничивания небольшого участка диска используется не тепловое, а микроволновое воздействие. Технологию разрабатывают Western Digital и Toshiba, первые ограниченные поставки дисков начались в 2021 году. Технология развивается относительно медленно, так как создание миниатюрного и при этом мощного точечного источника микроволнового излучения представляет крайне сложную инженерную задачу.
Работа микроволнового излучения в технологии MAMR. Источник:
Еще одна перспективная технология, которая планируется к внедрению в ближайшем будущем – многослойная запись на пластину. Она разрабатывается в качестве модификации HAMR, которая позволит удвоить емкость пластины без серьезных изменений параметров головки чтения\записи. Суть метода состоит в двухслойном нанесении ферромагнетика на пластину и записи информации на оба слоя. Пока разработка технологии находится на ранних стадиях, первые массовые диски с этой технологией планируются не ранее чем через 5-7 лет, при условии, что удастся подобрать оптимальный состав ферромагнетиков для обоих слоев покрытия диска. В перспективе рассматривается возможность увеличения количества слоев хранения информации на одной пластине.
Нужно отметить, что если раньше эволюция жестких дисков была комплексной, обеспечивая как повышение емкости хранения данных, так и скорость записи, других характеристик, то сейчас разработчики сконцентрировались по сути только на повышении плотности записи и общей емкости HDD. Это связано с тем, что остальные параметры по сути «уперлись в потолок» и не могут составить конкуренцию SSD. Но емкие и относительно недорогие жесткие диски достаточно востребованы, особенно для серверов или ЦОДов.
Эволюция емкостей HDD
Наглядно увидеть развитие технологии жестких дисков позволит список самых важных достижений инженеров-разработчиков:
- 1956. Первый жесткий диск. Емкость 3,5 Мбайт.
- 1961. Достигнут объем 28 Мбайт.
- 1973. Впервые использован гермокорпус и аэродинамические головки. Объем 30 Мбайт.
- 1990. Объем 3,5 дюймового HDD достиг 320 Мбайт.
- 1992. Первые диски емкостью 2,1 Гбайт.
- 1997. Максимальный объем данных увеличился до 10 Гбайт.
- 2001. Достигнут объем 100 Гбайт.
- 2007. Hitachi представила первый жесткий диск объемом 1 Тбайт.
- 2009. WD выпустила HDD емкостью 2 Тбайта (4 пластины по 500 Гбайт).
- 2010. Достигнут объем 3 Тбайт.
- 2011. Выпуск HDD емкостью 4 Тбайт.
- 2013. Объем одного диска возрос до 6 Тбайт.
- 2014. Емкость достигла 8 Тбайт. В этом же году вышли первые «гелиевые» диски емкостью 10 Тбайт.
- 2017. Появляются диски емкостью 14 Тбайт.
- 2018. Емкость возросла до 16 Тбайт за счет использования HAMR.
- 2020. Выпущены диски на 20 Тбайт.
- 2022. Выпущены HDD на 22 Тбайт.
- 2024. Начались массовые поставки дисков объемом 30 Тбайт.
График роста объема HDD вплоть до 2024 года. На графике видно как внедрение PMR, CMR в 2010 годы дало мощный толчок к наращиванию объема. Сегодня технологии HAMR и MAMR выводят индустрию HDD на новые технологические рубежи
Производители с уверенностью заявляют, что уже к концу столетия емкость жестких дисков достигнет 100-120 Тбайт. Хотя в обычных ПК они будут практически вытеснены твердотельными накопителями, жесткие диски все также будут популярны в серверном сегменте и в качестве хранилищ данных в ЦОДах разного уровня.
Классификация дисков по количеству оборотов
Скорость вращения шпинделя является одним из важных параметров любых жестких дисков. Она тождественна скорости вращения собственно пластин внутри диска и от нее напрямую зависит скорость доступа к данным, скорость записи и считывания, а также степень нагрева и шумность в процессе работы.
5400RPM
Это минимальная скорость вращения современных жестких дисков. Поэтому и скорость доступа к данным, и средняя скорость считывания будет наименьшей. Зато такие диски минимально греются и практически не шумят в процессе работы, а также отличаются в среднем большим сроком службы, за счет меньшего механического износа. Хорошо подходят для систем видеонаблюдения, архивного хранения данных, ранее широко использовались в ноутбуках. Также практически все внешние HDD производятся с такой скоростью вращения шпинделя.
7200RPM
Диски с аналогичной скоростью по сути являются современным индустриальным стандартом. Предлагают хорошее сочетание скорости работы с умеренным нагревом и невысоким уровнем шума. Используются повсеместно, как в обычных ПК, так и в серверах начального уровня.
Множество серверных SAS дисков имеют стандартное значение скорости вращения шпинделя - 7200 RPM
10K RPM
За счет достаточно большой скорости вращения шпинделя, такие жесткие диски обеспечивают более высокую скорость считывания и записи, а также уменьшенные задержки доступа к данным. Используются в серверах начального и среднего уровня, предназначенных для решения задач, чувствительных к этим факторам. Уровень нагрева и шума у современных дисков на 10К RPM остается на приемлемом уровне.
"Ускоренные" 10K HDD, предназначены для сборки в RAID массивы. Часто имеют форм фактор SFF(2.5")
15K RPM
Самые скоростные жесткие диски из доступных на рынке. Применяются в основном в высоконагруженных серверах, требующих максимально быстрого произвольного доступа к данным и высокой скорости считывания\записи. Отличаются достаточно высоким уровнем нагрева, шумности и вибраций, поэтому чувствительны к рабочим условиям, нуждаются в качественном охлаждении и системах гашения вибраций.
Вымирающие 15K диски действительно являются лидерами в скоростях случайных чтений и записей среди HDD. К сожалению технология не терпит конкуренции со стремительно дешевеющими твердотельными накопителями. Хотя ранее считались эталоном в сфере серверных HDD
Типы подключения дисков
Тип подключения – это интерфейс обмена данными между жестким диском и остальными комплектующими. В него входят не только выполненные по определенным стандартам порты подключения и контроллеры в блоке электроники диска, но и кабели, а также распаянные на материнской плате порты и контроллеры.
IDE
В переводе с английского аббревиатура IDE означает «электронный интегрированный привод». Это самый старый и медленный тип подключения, который давно перестал использоваться из-за слишком медленной скорости обмена данными IDE и ряда других серьезных недостатков.
Параллельный интерфейс IDE(Integrated Drive Electronics) в жестком диске Seagate
SATA
Это самый массовый тип подключения жестких дисков. Используется как в обычных ПК, так и во многих серверах. Также используется уже много лет, но до сих пор не устарел. На данный момент актуальна третья ревизия – SATA III, которая позволяет передавать данные со скоростью до 600 Мбайт\с, чего с запасом хватает для большинства жестких дисков, так как обычно скорость чтения\записи не превышает 150 Мбайт\с.Нужно отметить, что все ревизии SATA совместимы благодаря идентичным разъемам и кабелям передачи данных. При этом скорость передачи данных будет автоматически уравниваться с самым медленным элементом. Например, если к материнской плате, поддерживающей только SATA II подключить жесткий диск SATA III, он будет работать, но в рамках второй ревизии, максимальная скорость которой не более 300 Мбайт\с.
Последовательный интерфейс SATA. Самый массовый интерфейс, полностью заменивший предшественника IDE
SAS
Этот тип подключения расшифровывается как Serial Attached SCSI. Используется в серверных системах хранения, данных. Если обычный SCSI позволял работать с контроллером только одному устройству, то SAS этого недостатка лишен, что позволяет подключать к единой шине обмена данными сразу несколько накопителей. Также этот тип подключения обратно совместим с SATA, продвинутой модификацией которого он по сути и является. За счет возможности подключения сразу нескольких устройств он имеет поддержку экспандеров и каскадирования.\
Серверная вариация последовательного интерфейса передачи данных. Отличается повышенной пропускной способностью и большей надежностью
Технология SMART
SMART – это встроенная во все современные жесткие диски технология самодиагностики, которая является неотъемлемой частью интерфейса SATA и всех производных от него типов подключения. Впервые была использована в 1992 году, массовым стандартом стала в 1995.
Суть SMART состоит в постоянном отслеживании нескольких десятков параметров работы жесткого диска, таких как нагрев, время работы, состояние поверхности пластин и многих других. Эти данные постоянно сохраняются и могут быть считаны специальными программами, которые позволяют оценить состояние жесткого диска и даже предсказать время оставшейся наработки на отказ.
Проверка состояния HDD посредством запроса S.M.A.R.T в программе smartcrl
Гелиевые hdd
Практически все самые емкие и производительные жесткие диски, выпускаемые в последние годы относятся к категории «гелиевые». Это означает, что гермоблок в них действительно полностью герметичен, а вместо воздуха в него закачивают инертный газ – гелий, поэтому и диски получили название «гелиевые».
Использование гелия в качестве «наполнителя» таких дисков позволило получить ряд преимуществ. Благодаря тому, что плотность гелия в 7 раз меньше, чем у воздуха, удалось существенно улучшить аэродинамические характеристики головки чтения\записи. В самых продвинутых серийных образцах высота парения снизилась до 5 нм, что позволило повысить точность записи и считывания данных. Во многом благодаря этому инженерам удалось довести технологию HAMR до промышленного уровня.
К другим преимуществам гелиевых дисков можно отнести:
- Уменьшенное энергопотребление. В среднем гелиевые диски потребляют на 2 Вт меньше энергии в сравнении с воздушными аналогами, поэтому меньше греются и требуют меньше энергии для питания, что особенно важно для крупных серверов и ЦОДов.
- Снижение уровня шума и вибраций. Это обеспечила улучшенная аэродинамика и низкая плотность гелия.
- Увеличение объема одного диска. Благодаря снижению турбулентности и механических нагрузок в гелиевой атмосфере инженеры смогли использовать пластины меньшей толщины и увеличить их количество в одном диске сначала до пяти, а потом и до шести. В перспективе могут появиться пластины с восемью и даже десятью пластинами.
- Повышения срока безотказной работы. Согласно исследованиям инженеров Seagate гелиевые диски в среднем работают вдвое дольше «воздушных». Повышение срока наработки на отказ достигнуто за счет химической инертности гелия и полной герметичности корпуса диска. Это обеспечило радикальное снижение скорости износа «внутренней начинки» дисков, так как в гелиевой атмосфере практически не происходит окисление, также внутрь диска не проникают водяные пары.
Визуальное сравнение современного гелиевого диска с более старым экземпляром. На HDD слева имеется диафрагма для выравнивания давления, что делает его не герметичным. А диск справа - полностью герметичен и наполнен инертным газом
