Ресурс современных жестких дисков. Longread о внезапном

В прошлый раз мы рассмотрели этапы борьбы за господство в «дисковой» подсистеме твердотельных накопителей и традиционных жестких дисков. Там же мы коротко осветили нюансы ресурса твердотельных накопителей. Сегодня мы попытаемся рассмотреть вопрос практической надежности дисков жестких. Казалось бы, несколько запоздало, но не будем забывать, что ближайшие не менее чем 10–20 (а скорее всего и гораздо больше — об этом мы еще поговорим) лет этот вид продуктов будет гарантированно доступен на рынке в массовом сегменте по причине наличия немаленьких ниш, где скоростные достижения твердотельных накопителей избыточны, а хранимые данные относительно холодны. Да и перспективные объемы жестких дисков в ближайшее время твердотельным накопителям по адекватным ценам не догнать.

Теоретизировать на этот счет можно, конечно, долго. Можно вспоминать явно неудачные решения производителей, например, с чересчур частой парковкой головок или особо громкие изделия, но основной критерий в вопросе констатирования, как мне кажется, должен быть статистически-прикладным, особенно на фоне того, что в отличие от ситуации с SSD, найти утвержденные современные стандарты выносливости для классических винтов вряд ли получится.

Вопросы классификации

Напомним, что внешне и физически современные актуальные жесткие диски бывают по форм-фактору в основном 2,5″ и 3,5″. Исполнение бывает как внутренним, так и внешним.

Ресурс современных жестких дисков

Внутри мобильных внешнеподключаемых накопителей лежат обычные 2,5-дюймовые жесткие диски, которые в большинстве случаев можно достать и подключить к ноутбуку или десктопу напрямую, если те обладают нужными интерфейсами. И наоборот — можно положить в такой карман подходящие по толщине имеющиеся диски, сделав их мобильными и внешнеподключаемыми.

В случае с 2,5 дюймами встречается толщина 12,5, 9,5, 7 и даже 5 мм. Электрически они будут совместимы, но физические размеры, как понимаем, будут отличаться. Выглядит вот так:

Ресурс современных жестких дисков

Контактные группы одинаковы, но толщина разная. 2,5-дюймовые варианты жестких дисков чаще используются в портативной технике. Чем тоньше ноутбук, тем более внимательно надо смотреть, какой толщины накопитель предусмотрел туда изготовитель. Тонкие диски в места для толстых поставить не проблема — они часто продаются с утолщителями в виде пластиковой рамки, чтобы не болтались в посадочных местах для более толстых коллег. В отсутствии рамки проложить их можно чем угодно — хоть картоном по углам. А вот более толстые затолкать в места для худых не выйдет — будьте внимательны!

Были и 1,8- и 1,3- и даже 1-дюймовые Microdrive в формате Сompact flash II — вообще левшовые практически изделия. Но это уже история, т.к. в ультракомпактном сегменте всех разогнал привычный флэш.

Ресурс современных жестких дисковРесурс современных жестких дисков

Типы интерфейсов

Интерфейсы сегодня в быту бывают SATA и все еще IDE, в профессиональном использовании есть и SAS. В вопросы параллельности и последовательности, а также понятия шин в рамках этого материала погружаться не будем.

IDE, он же АТА, они же аббревиатуры от Integrated Drive Electronics и Advanced Technology Attachment, растет корнями из 90-х и уже уходит в прошлое. Новых массовых материнских плат с ним не делают уже лет 10 наверно, но в наличном парке его еще полно. Пропускает 133 мегабайт в секунду и выглядит разъемом конкретно вот так на накопителе. Крайнее слева — питание, справа — данные. И соответственно на материнской плате. Подключается плоским шлейфом обычно серого или черного цвета. Вот таким.

Ресурс современных жестких дисков

Рассмотрели мы это чисто для исторической справки.

Мейнстримом же сегодня является SATA. Типично для 2,5- и 3,5-дюймовых решений выглядит вот так:

Ресурс современных жестких дисковРесурс современных жестких дисков

Справа контактная группа питания, слева — данных. Вид: накопители вверх дном. Между собой совместимо. Подключается как на картинке.

Ревизии и пропускные способности мы рассмотрели в прошлый раз и здесь останавливаться не будем. Отметим только, что есть разновидности типа eSATA для внешних устройств и slimline SATA для компактных внутренних. И да — SATA заточен под горячую замену, т.е. на ходу без перезагрузки. Разве что в диспетчере устройств может понадобиться нажать кнопку «обновить» в случае Windows.

Существуют переходники для питания и возможностей подключить IDE в SATA и наоборот, но мы не об этом.

SAS это Serial Attached SCSI и используется в основном в профессиональной сфере, обратно совместим с SATA и имеет пропускную способность 12–24 Гбит в секунду. Выглядит похоже на SATA, но разъемом отличается. Обороты большие — до 15000, коррекция ошибок, multipath — как «в лучших домах Парижу и ЛондОну», но дорого и в быту не воткнуть. А еще греется так, что на некоторые модели радиаторы килограммовые нужны.

Ресурс современных жестких дисков

Но вернемся к вопросу.

Проблемы технологий

Сегодняшние массовые жесткие диски находятся на излете традиционных технологических возможностей. Плотность данных на одну рабочую пластину можно увеличить только принципиально новыми технологиями, а толщину самого «блина» уменьшать для дальнейшего увеличения их числа в сборке все сложнее. Кроме того, поднимать обороты шпинделя к многотысячным высотам в теории конечно можно, но за этим должны будут успеть остальные участники забега и при этом не упираться в воздух, который в ряде линеек уже меняется на гелий. Увеличивать количество блоков головок, вспоминая прошлое, тоже неслабая инженерная задача, учитывая все изложенное. Да и пост-SCSI в виде SAS в SOHO приземлять никто не спешит, правда это дорого и по факту почти устарело морально. Но не в этом направлении, похоже, пойдет индустрия.

Если коротко, то совокупность проблем развития жестких дисков изложена в тройке взаимоисключающих параграфов, которая вполне научно называется трилеммой. Суть примерно такова — для увеличения плотности записи нужно уменьшать записываемые области на носителе и соответственно размеры головок вкупе с материалами, из которых все изготавливается, но при этом ухудшаются как магнитные свойства таких миниатюрных областей, так и возможности маленькой головки, в том числе по их стабильному разборчивому чтению. Чтобы решить последнее надо увеличивать первое, а общая задача изначально требует как раз обратного. Т.е. кольцевая.

Ресурс современных жестких дисков

Но НИОКР не стояли на месте и их результаты сконцентрировались вокруг вполне конкретных и реализуемых предложений для достижения поставленной задачи увеличения объемов жестких дисков. Часть из них еще в разработке, а что уже и рынку показывали. Основной тренд — полировка магнитных технологий подходами локального нагрева в процессе записи и создание инфраструктуры для системы в целом, с учетом новых вводных. Но среди оставшихся производителей традиционных «винтов» единства в видении перспектив нет. Т.е. направление в целом одно, а вот пути достижения вроде бы похожих целей — технически отличаются.

Термомагнитная схватка трех ёкодзун

В ближайшем будущем мы, вероятнее всего, увидим для решения трилеммы магнитной записи соединения следующих подходов. Тон будут задавать, несомненно, термомагнитные концепции. Основных сегодня известно две. Это HAMR — Heat-Assisted Magnetic Recording — запись с, в прямом смысле, подогревом! А мы помним, что по чисто физическим причинам в случае наличия подогрева намагничивать для записи бита можно меньшую площадь и делать это с меньшими энергозатратами, т.е. одновременно с достижением нужной плотности и головке легче работать и ее саму проще делать в части подбора материалов и электромагнитных характеристик. Продвигается Seagate. Тематическое видео производителя не песня, но посмотреть можно.

Ресурс современных жестких дисков

Второй подход называется MAMR — Microwave Assisted Magnetic Recording — тоже про нагрев, но иным способом, спинтронным, прости Господи, осциллятором на базе ну очень маленького аналога того, что массам понятно как микроволновая печка. Поддерживается WD и Toshiba. Видео куда более информативное и его можно глянуть по ссылке.

Ресурс современных жестких дисков

Оба подхода, как видим, по сути, про нагрев, но разными способами и второй способ совместим с гелием, а первый — не очень, т.к. сильно греть гелиевую герметичную среду лазером или подобным, это как варить сгущенку в закрытой банке. Может, конечно, какие-то принципиально новые лазерные технологии подвезут в перспективе, но пока это так.

Масленица

Следующим системным элементом эволюции HDD будут «блины потоньше». Здесь, конечно, все и так предельно тонко, но уменьшая толщину отдельного блина в типичный корпус их можно поместить больше. Даже +1 блин — это существенное увеличение общей емкости, а на фоне еще и увеличения плотности — так вообще хорошо. Один из главных черенков этого рынка Showa Denko K.K. из Японии предлагает пластины, способные нести около 2 терабайт на штуку в случае 3,5-дюймового типоразмера накопителя. Восемь блинов в сборке — реальность вчерашнего дня, в лабораториях прототипы на 12! Немцы гарантируют.

Ресурс современных жестких дисков

Почему прозрачные? Так блины бывают на основе алюминия и стекла.

Ресурс современных жестких дисков

Стекло пожестче и не менее главный черенок, но уже, в том числе, медицинского рынка — Hoya из той же Японии — уже пиарит предложения стеклянных вариантов толщиной аж до 0,38 мм! Обе иллюстрации выше — их творчество. Причем тут они? Они с оптикой хорошо работают, а под жестко-стеклянные блины для винчестеров целый дополнительный завод в Лаосе к Вьетнамскому и Таиландскому построят. Гарантирует уже Xinhua. К слову — почти весь рынок «стекла» для 2,5″ жестких дисков — за Hoya.

HELIUM

Гелий (но не вакуум, хотя и такие смельчаки есть! — в паспортах на жесткие диски максимальные высоты работы указывают именно по этой причине) станет мейнстримом, хотя и существует с 2012 года. Он менее плотный, чем воздух или азот, и в его среде сборке на высоких оборотах крутиться легче. Ну и головкам проще быстрее перемещаться. О гелии и вакууме мы еще поговорим.

Горячие головы

Головки, как проистекает из вышеизложенного и будет подтверждено ниже, будут инновационнее, меньше и их, возможно, станет больше, как у Conner Peripherals «Chinook».

Ресурс современных жестких дисков

Современное видение многоголовочности от Seagate выглядит примерно так (даже анимация есть):

Ресурс современных жестких дисков

Если картинка от Seagate основана на реальных планах и прошивки таких дисков смогут распределять данные на сборки пластин, которые работают с физически независимыми блоками головок, то фактически мы получим спарку дисков в одном корпусе с RAID 0 подобной логикой работы. В итоге скорости могут возрасти пропорционально количеству блоков головок, т.е., в данном случае, вдвое: что линейные, что 4К-блоками. Правда скорости работы с 4К на уровне 1–2 мегабайт никого не спасут, зато линейные будут вполне себе ничего для технологии и достаточные для своих ниш.

Уголок футуролога

Отдельные футурологи, правда, предсказывают возможность имплементировать в жесткие диски технологии магнитного туннелирования на базе содержащих наномагнитные вкрапления углеродных нанотрубок. Почитать можно по ссылке. Выглядит как-то вот так:

Ресурс современных жестких дисковРесурс современных жестких дисков

Ничего непонятно, но очень интересно (с). Особенно непонятно как это внедрять на практике.

А кто-то пишет про накопители на голографических технологиях и даже технологиях ДНК! Но это пока все в отдаленной перспективе даже у научников, не говоря уже о реальных образцах.

RPM

С оборотами вопрос открыт т.к. эта часть механики жесткого диска обуславливает требования к остальному тандему и способностям интерфейсов. 15 000 об/мин освоены, но насколько можно взять бОльшую высоту со стабильными результатами — пока непонятно. Тут важно понимать, что малейший дисбаланс сборки на 15000+ оборотах кончит мотор очень быстро. С другой стороны, в силу физики, скорость потока данных на внутренних и внешних частях блина при одинаковых оборотах шпинделя будет хорошо так разной. Еще неплохо бы понимать — а выдержит ли тонкий стеклянный блин или сборка из восьми таких пластин на высоких оборотах вибрацию вообще без разрушения? И это мы еще не коснулись привода головок, которому тоже неплохо бы не отставать. В общем, тут комплексная задача, как сказано, для всего тандема и обороты в ней стоят на последнем месте.

Страничка изобретательства и рационализации

Тандема… хорошее слово. Об этом даже патент от 2004 года есть.  Туда бы еще диагональных блоков независимых головок, блины намазать нанотрубками, гелий, черепицу, совместимый калорифер и будет полный стимпанк. Правда с надежностью что будет — подумать страшно.

Ресурс современных жестких дисков

Черепица = SMR

Тут самое время вспомнить про черепичную запись — технология давно в тираже, но там есть нюансы, которые не позволяют внедрять это дома. В англоязычных источниках эта дискотека известна как SMR (Shingled Magnetic Recording). Суть примерно следующая — на пластину стандартного типового физического размера записать поплотнее как можно больше дорожек. Причем тут черепица? А дорожки предлагается чтобы они частично перекрывались. Естественно, чтобы писать тонкие, как sin в армейском анекдоте про комара, дорожки надо иметь соответствующую по размеру головку, а перед этим еще технологии ее таковой сделать с нужными магнитными характеристиками. Но вот совсем микроскопические головки индивидуально делать тяжело, зато записать сразу несколько дорожек — можно. Условно соотношение обычной традиционной дорожки на пластине жесткого диска и дорожки в случае технологии черепичной записи можно визуализировать так (здесь и далее используем инфографику, любезно опубликованную, Microsemi):

Ресурс современных жестких дисков

Синим — пишущая головка и традиционная дорожка, зеленым — ширина ридера инновационных дорожек. Почему нарисована одна дорожка — смотрим ниже т.к. это же одновременно и ключевой косяк затеи.

Вот так условно выглядит записанное. Именно условно, т.к. на практике там начинается почти черная магия для рядового потребителя, и мы тешимся самоуспокоением, что, типа, знаем как оно устроено. Привет вам, мистер Кларк.

Ресурс современных жестких дисков

В общем, головка вспахивает, т.е. намагничивает сразу несколько дорожек. И вроде все достаточно понятно, но все равно имеется проблема. В силу физических особенностей технологии эту прелесть удобно использовать только для последовательной записи т.к…. перезаписать дорожки выборочно и поштучно, внезапно, нельзя. Точнее можно, но для случайной записи там будет серьезное усложнение процедуры, с которым разберемся внимательней. Т.е. в принципе можно, но ходом — нельзя.

Ресурс современных жестких дисков

Итак, записанное в несколько дорожек головка SMR диска и сотрет аналогично — т.е. коллективно, т.к. записывающая головка — она же стирающая. Такой себе комбайн с широким столом.

Выглядит вот так и по версии когда-то еще Hitachi — ниже.

Ресурс современных жестких дисков

Т.е. чтобы записать оранжевый фрагмент надо физически перезаписать дорожки в ширину пишущей головки в обязательном порядке. Чтобы выполнить задачу надо считать фрагмент, где-то на уровне какого-нибудь DRAM буфера разложить его на нужное и ненужное. Присовокупить к нужному новый участок данных. Собрать до кучи и отослать через головку на место для кучной записи. Будет хорошо, если новый фрагмент в целом виде меньше стираемого. Если нет, то дописывать придется фрагментарно (что вызовет проблемы, о которых ниже) или в идеале в место после физического конца данных на таком диске. Чисто в теории контроллер может поискать, где там есть свободные места, но в реальности это вызовет системный паралич. Конечно, МСМК по комбинаторике сейчас не понимают в чем проблема. Но ее с математической точки зрения и не будет — логически это все несложно. А вот провернуть затею на конкретном электро-механическом уровне займет физическое время и расчетные ресурсы плюс возможные издержки на коррекцию ошибок. Т.е. на случайной записи «вертерство» будет еще похлеще обычного HDD. Seagate произвел тестирование накопителя Archive 8TB на SATA3 на Debian. Результат случайной записи выглядит примерно так:

Ресурс современных жестких дисков

Леденящий душу пик провала до лютых 3! (именно три, 1+1+1 шт.) IOPS мы видим после исчерпания буферов на нагрузке случайной записи с глубиной очереди 1, правда, более чем через минуту, что несколько снижает уровень драматизма, но и верхние пики объективно не фонтан.

Если же просто стирать случайные данные (считали, убрали ненужное, записали назад нужный остаток), то получаются проплешины, которые для нормальной записи в будущем надо обрабатывать и уплотнять процессом, похожим на дефрагментацию и фоново. Это очень похоже на TRIM в SSD — и там и тут надо подготовить поле для прямой записи в возможную ширину без дополнительных телодвижений в процессе, но в силу механической природы жёсткого диска быстро это сделать не получится, да и общая нагрузка сильно возрастет — такой себе аналог усиления записи. В идеале вообще все уплотнить так, чтобы писать новое в физический конец имеющегося, но это связано с физической же обработкой больших массивов данных со всеми вытекающими. Состояние диска, когда новая запись идет в чистое пространство вообще или в чистое подготовленное после уплотнения и сбора мусора пространство, иногда называют FOB — fresh out of box или новый из коробки — и это, по сути, идеальные условия для такого рода записи. Просматривается некоторая аналогия с SSD.

Картина требовала обработки напильником и именно поэтому таким дискам добавили для транзитно-буферных целей обычные области, работающие по принципу одной дорожки на всю ширину головки. Т.е. обычная технология традиционных накопителей. По логической сути это аналог SLC-кэширования в твердотельных накопителях TLC и QLC, только в нашем варианте там может храниться еще и служебная информация о том, что и где удалено и прочее. Для еще более действенного решения вопроса и DRAM-буферизацию подвезли. Добавили математики в прошивку и стало более-менее — т.е. пока буфер превышает типичное среднее задание, тормозов системой особо не ощущается, диск не «боттлнечит». Именно это и видно на иллюстрации вверху. В том случае накопитель мог иметь аж 256 мегабайт буфера, но конкретная протестированная модификация, к сожалению, указана не была. Общая характеристика «железки» по ссылке и думается, что производитель тестировал все же максимальную конфигурацию.

Естественно есть и иные ухищрения для решения описанных проблем, логический зонинг, ленточная организация и тому подобное, вплоть до модифицированных прошивок под конкретные задачи! Но в силу основной их проблемы — физической первопричины, такие подходы лишь сглаживают углы.

Все указанное недвусмысленно намекает, что, несмотря на взрослые объемы хранения SMR-накопителей, они, ввиду технологии, являются нишевыми для конкретных типов нагрузок, но в этих нишах они выступают как раз целевым образом. Например — линейная многопоточная запись-чтение без или с минимумом случайных операций. Хорошим вариантом будет дата-центр, ориентированный на чтение не сильно горячих данных. К слову, если на массиве таких дисков будет размещена база какой-нибудь социальной сети, то догадайтесь с 3 раз, будет ли кто-то реально удалять из массива случайные, скажем, фотографии, если пользователь нажмет «удалить» в профиле? Или такие фото просто перестанут отображаться пользователям, но физически останутся в массиве доступными администрации на фоне перспектив падения производительности от связанных с этим дискодвижений? Проще подвезти полуторку дополнительных дисков, чем тормозить массив случайными операциями с последующим уплотнением данных. Выражаясь более приземленно — такой дата-центр будет почти что центром однократной записи. Отчасти именно поэтому из интернета ничего нельзя удалить полностью — в ряде случаев это фактически неудобно делать, а с учетом текущих цен на растущие в объемах накопители и отсутствие наводнений с пожарами на заводах по производству HDD — вообще экономически нецелесообразно. Другим хорошим нишевым сегментом будет потоковое архивирование, например, камер наблюдения, аудиовизуальных эфиров, архивирование критических данных, которые не надо перезаписывать часто и случайно.

Минутка конспирологии

Если пофантазировать, то удобно на такой массив записать месячишко разговоров всех пользователей условного оператора мобильной связи, далее в транзитной области с помощью технологий, которые уже давно не только не секретны, а еще и обкатаны by google on youtube, например, перевести это все в txt для удобного поиска или анализа по ключевым словам и аккуратненько сложить в свободную часть массива. Исходники можно смело тереть целиком, обеспечивая FOB-запись следующего месяца. А можно и не тереть! Тогда родина будет не только слышать, знать, но и очень хорошо помнить! Доклад окончен, тов. полковник, т.е. это все, конечно же, художественный вымысел и любые совпадения с реально существующими технологиями случайны.

И зачем парнокопытным меховые музыкальные инструменты?

В итоге накопители с черепичной записью надо использовать «с поправкой на силу ветра и температуру ствола». Этим занимаются по ситуации вполне железные костыли типа HBA, которые отвечают за конкретную I/O-логику работы с таким накопителями, исполняя спецнаборы команд. В RAID такие накопители тоже можно и нужно собирать, правда, понимая специфику, но это не тема настоящего материала — главное, что вы теперь знаете немного больше вообще. Желающие могут копнуть глубже по запросу DM (самостоятельные по логике работы накопители), HA (поддержка хостом) и НМ (управляемые хостом) SMR, но столкнуться с этим SOHO-пользователю придется сильно вряд ли.

TDMR как предтеча термомагнитного будущего

Отдельно надо упомянуть, что существует и даже начала продаваться технология TDMR — Two Dimensional Magnetic Recording в форме 14 ТБ изделий от Seagate. Здесь пытаются решать трилемму в лоб — уменьшая ширину дорожек и размеры записывающей головки. Недостижимый идеал — 1 бит на магнитное зерно. Выглядит как-то так и пояснений в Cети, что удивительно, не так уж и много.

Ресурс современных жестких дисков

Правда с чтением выходит фигня, которую, в свою очередь, решают головкой с несколькими читающими элементами — улучшается надежность чтения с соседних дорожек и в целом сигнал получается разборчивее. Пишущая головка продолжает быть одна. В общем итоге внедрения технологии немного растет плотность записи — процентов на 10. Но важно не это. Многоголовочное чтение пластины за проход несколькими ридерами очевидно станет мейнстримом по причине необходимости для нормального извлечения плотно записанных данных. Хороший задел, но растет сложность взаимного расположения элементов, точность их исполнения и позиционирования в работе, требуется стабильность показателей во времени.

В любом случае, именно этот этап был критически нужен перед внедрением вышеописанных тепловых инноваций, т.к. своим следствием последние будут иметь именно проблемы мелкого чтения, которые и решены превентивно в TDMR. По крайней мере, начали решаться на практике.

Ресурс современных жестких дисков

Очень интересно о TDMR по достаточно старой, но одной из наиболее полных по теории вопроса ссылке.

Но, возможно, скорости перспективных жестких дисков будут вопросом вторичным — об этом мы еще поговорим. Первичным будет объем и… сохранение надежности.

Некоторые вещи в этом мире созданы для разгона!