SMR, CMR, PMR - все о жестких дисках и технологиях их изготовления

HDD, или жесткие диски — это технология хранения данных, которая шла нога в ногу с развитием индустрии вычислительных систем. Появившись еще в 1956 году из-под крыла IBM, жесткие диски надолго закрепились как основное и, по сути, единственное решение для надежного хранения больших объемов данных. За долгие годы своего существования HDD эволюционировали от огромных блоков размером с гараж, но вмещающих не более нескольких мегабайт, до компактных модулей, обеспечивающих емкость в десятки терабайт. Но когда в 1976 году появились SSD, а затем в 2011 году вышли NVMe SSD, HDD-диски начали хоронить. Но вопреки всем прогнозам, HDD живы и, более того, продолжают развиваться. На смену “классическим” форматам записи CMR, PMR и SMR пришли новые HAMR и MAMR, и на горизонте уже маячат другие, еще более прорывные технологии, а о емкостях даже говорить страшно — к 2030 году нам уже обещают накопители с колоссальными 120 ТБ памяти. Но весь этот технологический зоопарк с емкостями, технологиями записи, количеством оборотов и другими аппаратными особенностями может вызвать путаницу не только у обывателя, но даже и у IT-знатока. Чтобы никто не говорил вам “Это классика, это знать надо!”, специалисты компании ServerFlow решили провести ликбез по HDD и рассказать, из чего состоят жесткие диски, какие технологии записи все еще используются для выпуска жестких дисков, как эволюционировали HDD и как современные модели подключаются к системам.

Жесткий диск — это не просто металлическая коробка с электронной начинкой, а сложный электромеханический агрегат, где точность изготовления компонентов и их взаимодействие определяют все: от емкости до надежности. 

• Магнитные пластины — компонент, на который записываются данные. Традиционные пластины изготавливаются из магнитного алюминиевого сплава, но в современных моделях уже проскакивают экспериментальные решения со стеклянными пластинами. Сверху пластина покрывается слоем ферромагнетика толщиной в единицы нанометров — это может быть оксид железа, кобальт-платиновый сплав или более экзотические составы для новых типов HDD. В бюджетных накопителях устанавливают одну или две пластины, в корпоративных моделях счет идет на 7-10 пластин, а общая толщина всего пакета при этом не превышает нескольких сантиметров.

• Гермоблок — литой алюминиевый корпус, внутри которого размещаются все остальные узлы диска. Многие думают, что гермоблок HDD полностью геметичен, однако это не совсем так — в нем установлен специальный фильтр-сапун, выравнивающий давление при нагреве и охлаждении, а также многослойный фильтр, задерживающий частицы размером до долей микрона. Внутри гермоблоков обычных HDD нет никакой особой среды, но в более дорогих моделях в гермоблок закачивается гелий. В гелиевых HDD фильтрационная система дополняется технологией HermeticSeal, обеспечивающей полную изоляцию внутренней среды: гелий внутри меньше нагревается и создает меньшее сопротивление вращению пластин, что критически важно при 10-пластинных конструкциях.

• Блок магнитных головок — несколько стальных рычагов, количество которых равно количеству пластин. На конце каждого рычага находится миниатюрный слайдер с головками, которые отвечают за чтение и запись данных с пластин. При вращении пластин головки не касаются поверхности — они парят на воздушной подушке, образующейся от воздушного потока, на высоте около 5-10 нанометров — это как лететь в боинге на высоте 1 мм от земли. За переключение головок между разными записями отвечают специальные неодимовые магниты.

• Шпиндельный двигатель — миниатюрный трехфазный бесщеточный моторчик, который вращает магнитные пластины с огромной скоростью и создают воздушный поток, чтобы рычаги магнитных головок не касались пластин. Шпиндель фиксируется на гидродинамическом подшипнике (FDB), который обеспечивает минимальный уровень вибраций и практически вечный ресурс — в отличие от шариковых подшипников старых моделей. Скорость вращения стабилизируется контроллером с точностью до долей процента, поскольку любое отклонение мгновенно сказывается на позиционировании данных.

• Контроллер — мозг HDD, включает в себя DSP-процессор, управляющий позиционированием головок, буферную память (кэш), интерфейсный контроллер (SATA или SAS) и flash-память для микропрограммы. Контроллер решает нетривиальные задачи: линейная скорость движения дорожек на внешнем и внутреннем радиусе различается вдвое, и плотность записи должна варьироваться соответственно, кроме того, он скрывает от ОС реальную геометрию пластин, предоставляя виртуальную LBA-адресацию. 

Технология записи — это то, как именно магнитные домены ориентируются на поверхности пластины. На протяжении всей истории индустрии смена технологии записи позволяла радикально наращивать плотность данных на единицу площади. От продольной записи LMR мы перешли к перпендикулярной PMR, затем появились черепичная SMR и сверхтехнологичные методы HAMR и MAMR.

CMR (Conventional Magnetic Recording) — технология, лежащая в основе всех современных жестких дисков. Появившись в 2005-2007 годах, CMR заменила продольный способ записи LMR (Longitudinal Magnetic Recording) к 2010-м годам и произвела настоящую революцию в емкости HDD. Главное отличие CMR от предшественника в том, что биты записываются не горизонтально плоскости пластины, а вертикально. При таком подходе магнитные домены занимают намного меньше площади, а значит, плотность записи кратно растет без изменения физических габаритов пластин. Дорожки при этом располагаются параллельно, с четкими промежутками, гарантирующими отсутствие влияния друг на друга при перезаписи данных. CMR обеспечивает стабильную производительность без сюрпризов, скорость последовательного чтения-записи предсказуема и стабильна во всех сценариях — будь то первичное заполнение диска, база данных или файловый сервер с десятками параллельных потоков. Именно поэтому диски с CMR — отличный выбор для NAS-массивов и бюджетных серверов.

Многие думают, что PMR (Perpendicular Magnetic Recording) — это какая-то отдельная технология записи данных, но в действительности это буквально то же самое, что и CMR, никаких отличий между ним нет. Путаница возникла в тот момент, когда появилась технология записи SMR, которая, по сути, применяет те же принципы записи данных, но иным методом — производителям понадобилось как-то переименовать старый-добрый CMR, чтобы более выгодно преподнести новый продукт. Так или иначе, PMR все еще цветет и пахнет, и в современности даже появились подвиды этого метода записи: ePMR (Energy-assisted PMR) и его развитие ePMR2. Идея ePMR проста и элегантна: на основной полюс записывающей головки подается дополнительный электрический ток, создающий локальное магнитное поле в момент записи. Это поле стабилизирует перемагничивание зерна и позволяет использовать на пластинах материал с более высокой коэрцитивной силой (устойчивостью к самопроизвольному размагничиванию). Использование ePMR и ePMR2 позволило уменьшить физический размер бита без риска его спонтанного переворота под действием тепловой энергии.

SMR (Shingled Magnetic Recording) — технология, вызывающая больше всего споров и холиваров в HDD-сообществе. Принцип черепичной записи подкупающе прост: дорожки пишутся не параллельно с промежутками, а внахлест, подобно тому, как укладывается черепица на крыше. Каждая следующая дорожка частично перекрывает предыдущую, за счет чего на одной пластине умещается на 15-25% больше дорожек без смены головок и пластин. Выигрыш в емкости получается практически бесплатным — во всяком случае, с точки зрения стоимости производства. Но бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Проблема SMR в том, что дорожки записи становятся уже физического размера пишущей головки, и при изменении данных на одной дорожке неизбежно затрагиваются соседние, перекрытые. Чтобы переписать один сектор в середине черепичной группы, контроллер вынужден считать всю группу дорожек (зону), внести изменения и полностью переписать группу заново. Этот процесс называется Read-Modify-Write, и он может занимать в десятки раз больше времени, чем запись на PMR. Для смягчения этой проблемы существуют два механизма, работающих на уровне прошивки и ОС: HM-SMR (Host-Managed SMR), где зонирование и управление перезаписью берет на себя операционная система, и DM SMR (Drive-Managed SMR), где диск сам притворяется обычным CMR-накопителем, а всю грязную работу с перезаписью зон выполняет внутренний контроллер. HM-SMR используется в крупных ЦОД, где софт специально доработан под такую модель. Drive-Managed SMR чаще встречается в потребительских дисках, и именно его часто критикуют за скорость.

HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) — технология, которую ждали без малого 20 лет, но именно она сегодня выводит индустрию HDD на следующие рубежи емкости. В основе HAMR лежит фундаментальная проблема масштабирования плотности записи, известная как “трилемма магнитной записи”: чем меньше бит, тем меньше энергии нужно для перемагничивания, и тем выше риск самопроизвольного переворота под действием тепловой энергии. HAMR решает эту проблему так: пластины изготавливаются из FePt-сплава с чрезвычайно высокой коэрцитивной силой, который при комнатной температуре стабилен и не теряет намагниченность десятилетиями. Но записать на него что-либо обычной головкой невозможно — нужно разогреть участок до 400-450 °C, при которой материал временно теряет устойчивость и поддается перемагничиванию даже слабым полем. Нагрев выполняется лазерным диодом, интегрированным прямо в записывающую головку. Лазер фокусируется в пятно нанометрового размера, разогревает область записи за пикосекунды, и тут же магнитная головка меняет ориентацию домена. Весь процесс занимает время, сопоставимое с записью на обычный CMR, а после остывания записанный бит обладает почти полной стабильностью. Seagate стала пионером HAMR, выпустив коммерческие 30 ТБ диски Mozaic 3+ в начале 2024 года и нарастив объем до 36 ТБ в моделях Mozaic 3+ Gen2 в 2025 году с плотностью записи 1,5-1,8 Тб/дюйм. Сообщается, что в ближайшие год-два появятся 40 ТБ модели с плотностью в 4-6 Тб/дюйм². Western Digital также планирует выйти на рынок HAMR, анонсировав модели HDD HAMR с емкостью до 44 ТБ, а в roadmap компании уже маячат решения с 60, 80 и колоссальными 140 ТБ памяти в будущем 

Помимо основных технологий записи данных, существуют и другие, более перспективные решения, которые готовятся преодолеть барьеры индустрии HDD.

BPM (Bit‑Patterned Media) — концепция, которая предлагает решить проблему неоднородности магнитных зерен радикально: вместо сплошного гранулированного слоя каждая ячейка‑бит формируется физически — литографией или травлением — в виде отдельного изолированного магнитного островка. Это убирает шум от неоднородности размера и расположения зерен и позволяет размещать биты предельно плотно. Недостаток — цена и сложность производства: наноструктурирование требует практически полупроводниковых техпроцессов, что для HDD‑индустрии пока непривычно. BPM‑носители остаются экспериментальными, но именно они рассматриваются как основа для будущих технологий вроде HDMR.

MAMR (Microwave‑Assisted Magnetic Recording) — альтернатива HAMR, в которой вместо нагрева используется микроволновое излучение. Спин‑торк‑осциллятор (STO) в головке генерирует микроволновое поле, которое резонансно “раскачивает” магнитные моменты зерен, временно снижая порог переключения без значительного нагрева среды. Разработку MAMR активно ведут Toshiba и Western Digital. Toshiba уже выпускает диски с технологией FC‑MAMR (Flux Control MAMR) и готовит переход на MAS‑MAMR (Microwave Assisted Switching MAMR) с целевой емкостью 30ТБ и выше. Western Digital рассматривает MAMR как более плавный и дешевый подход, чем HAMR, поскольку не требует стеклянных подложек и лазерной оптики.

HDMR (Heated‑Dot Magnetic Recording) — технология, в которой сходятся две предыдущие идеи: точечный нагрев как в HAMR плюс физически разделенные битовые островки как в BPM. В итоге каждый бит — это отдельный магнитный “дот”, который можно нагреть и перезаписать индивидуально, не затрагивая соседний. Такая комбинация обещает плотность порядка 8 Тб/дюйм² и более, что открывает дорогу к 10‑пластинным HDD объемом 120ТБ и выше. Western Digital ожидает, что HDMR начнет заменять HAMR примерно к 2030 году, когда гранулярные FePt‑носители достигнут своего технологического предела.

Жесткие диски, вопреки прогнозам об их скорой смерти, продолжают эволюционировать. Индустрия прошла путь от скромных мегабайт LMR до 36 ТБ монстров на HAMR, и в ближайшие 5-10 лет нас ждут диски емкостью 80-120 ТБ на технологиях HDMR и BPM. Выбор технологии записи сегодня — это всегда компромисс: CMR для скорости и RAID-массивов, SMR — для холодного хранения и архивов, HAMR — для максимальной емкости. Но важно одно: HDD не умер, он просто занял свою нишу — массовое хранение больших данных, где стоимость гигабайта и емкость стойки решают все. И в этой нише он будет жить еще и очень очень долго. А если вы хотите приобрести надежные и вместительные жесткие диски для вашей серверной инфраструктуры, обращайтесь в компанию ServerFlow — мы поможем выбрать для вас лучшие HDD под ваши задачи, поможем со сборкой системы и проведем вас за руку от покупки оборудования до запуска вашей вычислительной инфраструктуры в продакшен.