Grabación magnética con tejas + tecnología HelioSeal

Logrando una capacidad de almacenamiento sin precedentes a través de Innovat

Introducción

A medida que los datos en vuelo pasan a datos en reposo, el almacenamiento se convierte en uno de los componentes clave de la infraestructura. Sin embargo, la demanda de almacenamiento masivo escalable y rentable a un precio económico atractivo continúa desafiando las capacidades tecnológicas de la industria del almacenamiento. El resultado es que en los casos en que el costo de almacenamiento excede el valor de los datos disponibles, los datos se dejan sin almacenar y sin explotar. Según los analistas de la industria, los petabytes almacenados en el segmento de disco duro de capacidad empresarial están aumentando a una tasa de crecimiento anual compuesta del 40%. Acompañando este hipercrecimiento, la industria del almacenamiento también está experimentando un cambio tectónico en el que están surgiendo nuevos segmentos de mercado y niveles de almacenamiento. 

A medida que los datos fríos se calientan, las categorías de almacenamiento empresarial evolucionan

La aparición de la analítica de Big Data y el almacenamiento masivo ha cambiado la forma en que los arquitectos de datos ven y abordan los datos. Con un mayor poder de procesamiento y tecnologías de análisis de datos, los datos que anteriormente estaban en un "archivo profundo" (datos que se encuentran fuera de línea en medios extraíbles) se están migrando a un "archivo activo" (datos que se mantienen en línea y accesibles), donde se puede extraer valor continuo del conjunto de datos. La noción simplista de datos archivados como datos escritos en los medios más baratos disponibles y a los que rara vez se accede, es decir, unidades de cinta, está cambiando rápidamente.Además, muchos clientes de almacenamiento en la nube y a hiperescala ahora están comenzando a darse cuenta de que sus cargas de trabajo tienden hacia los datos escritos. Se actualiza secuencialmente y rara vez, luego se lee aleatoriamente y con frecuencia. En estos casos, los clientes buscan soluciones de almacenamiento con el menor costo total por terabyte y la máxima capacidad. Estas cargas de trabajo secuenciales activas tienen el potencial de crear una nueva oportunidad de paradigma para soluciones de almacenamiento innovadoras.

Desafíos

Las leyes de la física están limitando hasta qué punto los proveedores de almacenamiento pueden continuar impulsando las tecnologías de grabación magnética convencional (CMR) existentes para obtener ganancias de capacidad significativas que satisfagan las demandas de almacenamiento de las empresas. Tres factores que limitan la densidad de grabación son: • Tasa de errores suaves (SER): al aumentar aún más la densidad de bits más allá de los niveles actuales, la señal de lectura se deteriora hasta el punto en que las mejoras del algoritmo de corrección y las extensiones ECC ya no producen ganancias netas de capacidad en el nivel requerido tasas de error de bits de 1E-15 o mejores para unidades de clase empresarial • Interferencia de pista adyacente (ATI): al reducir aún más la densidad de pista, hay un deterioro gradual de la integridad de la señal de las pistas adyacentes cuando se escribe repetidamente en campos magnéticos altos. Este efecto se denomina interferencia de pista adyacente. Hoy en día, las unidades aún pueden administrar ese efecto al monitorear la frecuencia de escritura y las tasas de error de lectura para iniciar ciclos de actualización apropiados para cumplir con los requisitos de retención de datos. Sin embargo, aumentar la densidad de pistas resultará cada vez más difícil. • Interferencia de pistas lejanas (FTI): aumentar el campo de escritura también da como resultado campos perdidos que impactan las pistas vecinas en las proximidades de la ubicación de escritura actual. Este efecto, conocido como interferencia de vía lejana, impulsa acciones correctivas muy similares a la gestión de ATI.

Estos desafíos, entre otros, continuarán frenando el crecimiento de la densidad de área de CMR para los HDD de factor de forma de 3,5 pulgadas existentes.

Cómo la tecnología de helio aborda el desafío de la capacidad

Los discos sellados y llenos de helio representan uno de los avances tecnológicos de almacenamiento más importantes en décadas. En 2013, Western Digital introdujo la tecnología HelioSeal®, un componente fundamental para las unidades de disco duro (HDD) de alta capacidad. Esta innovación tecnológica sella herméticamente el disco duro con helio, que es una séptima parte de la densidad del aire. La atmósfera menos densa permite discos más delgados y más para capacidades más altas en el mismo factor de forma estándar de la industria. Menos fricción de aire significa menos energía requerida para hacer girar los discos y menos turbulencia de aire para una mayor confiabilidad. Las unidades de helio amplían los límites de los discos duros convencionales de alta capacidad, lo que permite aumentos drásticos en eficiencia, confiabilidad y valor. La tecnología HelioSeal ofrece el costo total de propiedad (TCO) más bajo de la actualidad para aplicaciones de hiperescala y centradas en datos. Cómo la grabación magnética de Shingled aborda aún más el desafío de la capacidad La tecnología de grabación magnética de Shingled (SMR) complementa la tecnología de helio al proporcionar un aumento adicional del 16% en la densidad de área en comparación con unidades de la misma generación que utilizan tecnología de grabación magnética convencional (CMR). Físicamente, esto se hace escribiendo los datos de forma secuencial, luego superponiéndolos (o "superponiéndolos") con otra pista de datos. Al repetir este proceso, se pueden colocar más pistas de datos en

Reducir el TCO: el valor de la tecnología HelioSeal

Al reducir la turbulencia dentro del disco duro sellado, la tecnología HelioSeal permite una densidad de almacenamiento inigualable con una capacidad líder en la industria en un diseño de ocho discos y 3.5 pulgada de espacio en el disco duro. La combinación de la tecnología HelioSeal con Western Digital Host Managed SMR establece un nuevo estándar de capacidad, aumentando la capacidad del disco duro de 3,5 pulgadas a 14 TB, un aumento del 16% en comparación con las unidades de 12 TB. Además de la innovadora capacidad de transmisión, la tecnología HelioSeal ofrece los siguientes beneficios: Mayor eficiencia energética con menor potencia operativa que las unidades neumáticas. Nuestras unidades SMR de helio de 14 TB consumen solo 5,2 vatios durante el funcionamiento inactivo, una reducción del 60% en vatios por TB en comparación con los discos duros de aire Ultrastar de 8 TB. Reduzca los requisitos de enfriamiento con unidades que normalmente funcionan de 4 ̊ a 5 ̊C más frías para reducir los costos de energía y enfriamiento. La operación más fría también da como resultado una mejor confiabilidad y permite sistemas con densidades de almacenamiento más altas. Un funcionamiento más silencioso y hasta un 50% menos de peso por TB mejoran las condiciones ambientales en implementaciones de alta densidad y permiten una mayor capacidad de almacenamiento donde los códigos de construcción imponen límites de carga en el piso. Unidad de disco duro HelioSeal CMR de 12 TB: un mayor volumen conduce a un menor costo de comercialización

Cómo la grabación magnética Shingled aborda aún más el desafío de la capacidad

La tecnología de grabación magnética Shingled (SMR) complementa la tecnología Helium al proporcionar un aumento adicional del 16% en la densidad de área en comparación con las unidades de la misma generación que utilizan la tecnología de grabación magnética convencional (CMR). Físicamente, esto se hace escribiendo los datos de forma secuencial, luego superponiéndolos (o "shingling") con otra pista de datos. Al repetir este proceso, se pueden colocar más pistas de datos en cada superficie magnética. Consulte la figura 1. (La grabación magnética convencional coloca espacios entre las pistas de grabación en los discos duros para tener en cuenta el presupuesto de registro incorrecto de la pista (TMR). Estos separadores afectan la densidad del área, ya que algunas partes del plato no se utilizan por completo. La grabación magnética escalonada elimina los espacios entre pistas escribiendo pistas secuencialmente de manera superpuesta, formando un patrón similar a las tejas en un techo.) El cabezal de escritura diseñado para unidades SMR es más ancho de lo necesario para una sola pista de datos. Produce un campo magnético más fuerte adecuado para magnetizar películas de alta coercitividad. Una vez que se ha escrito una pista, el cabezal de grabación avanza solo una parte de su ancho, por lo que la siguiente pista sobrescribirá parcialmente la anterior, dejando solo una banda estrecha para la lectura. Las pistas superpuestas se agrupan en bandas (llamadas zonas) de fijos capacidad para una organización de datos más eficaz y capacidad de actualización parcial. Los espacios de grabación entre las bandas se colocan para evitar que el cabezal de escritura ancho sobreescriba los datos de una banda a otra.

Figura 1: La grabación magnética escalonada permite que las pistas de datos se superpongan una encima de la otra para aumentar la densidad de área hasta en un 16%. Sin embargo, para mantener un rendimiento predecible, este enfoque combinado requiere que todos los flujos de datos se organicen y escriban secuencialmente en los medios.

Implicaciones fundamentales de SMR

Debido al formato shingled de SMR, todos los flujos de datos deben organizarse y escribirse secuencialmente en los medios. Si bien los métodos de implementación de SMR pueden diferir (consulte la sección Implementaciones de SMR a continuación), los datos, no obstante, deben escribirse en los medios de forma secuencial. En consecuencia, si una pista en particular necesita ser modificada o reescrita, toda la "banda" de pistas ( zone) debe ser reescrito. Debido a que los datos modificados se encuentran potencialmente bajo otra “teja” de datos, no se permite la modificación directa, a diferencia de las unidades CMR tradicionales. En el caso de SMR, es necesario reescribir toda la fila de tejas por encima de la pista modificada en el proceso. Los HDD de SMR aún brindan una verdadera capacidad de lectura aleatoria, lo que permite un acceso rápido a los datos como cualquier unidad CMR tradicional. Esto convierte a SMR en un excelente candidato tecnológico tanto para el archivo activo como para las cargas de trabajo secuenciales de mayor rendimiento.

Implementaciones de SMR

Hay tres opciones de implementación de grabación magnética escalonada. Es importante comprender sus diferencias, ya que no todas las opciones de SMR son adecuadas para las aplicaciones de almacenamiento empresarial. Las tres opciones son:

• Drive Managed SMR permite la implementación plug-and-play sin modificar el software del host. Se adapta a la escritura secuencial y aleatoria, pero puede dar como resultado un rendimiento empresarial altamente impredecible

• La SMR administrada por el host requiere una modificación del software del host, pero ofrece el máximo beneficio y ventaja competitiva. Solo admite cargas de trabajo de escritura secuenciales y ofrece un rendimiento y control predecibles a nivel de host.

• Host Aware SMR ofrece la comodidad y flexibilidad de Drive Managed SMR, con las ventajas de rendimiento y control de Host Managed SMR. Admite tanto escrituras secuenciales como algunas escrituras aleatorias, pero es la opción más complicada de implementar para discos duros. Para obtener el máximo beneficio y previsibilidad, el host debe realizar gran parte del mismo trabajo que el SMR administrado por el host.

Dependiendo del tipo de implementación, el diseño de los medios de grabación y las características de rendimiento de la unidad resultante pueden diferir.

Drive Managed SMR

El principal punto de venta de Drive Managed SMR es que no se requiere ningún cambio en el lado del host, lo que resulta en un plug-and -Jugar implementación con cualquier sistema existente. Para permitir esta facilidad de implementación, las unidades de disco duro SMR administradas por Drive deben administrar todas las escrituras aleatorias en escrituras escalonadas secuenciales mediante el almacenamiento en caché de medios y una tabla de indirección. No se requiere responsabilidad ni acción del anfitrión. La caché de medios proporciona un área de almacenamiento distribuida para almacenar datos a la mejor velocidad posible (independientemente de la dirección de bloque proporcionada por el host asociada con esos datos). Los datos almacenados en búfer se migrarán desde la caché de medios al destino final como parte de la función de tiempo de inactividad en segundo plano de la unidad. En resumen, Drive Managed SMR requiere algoritmos de almacenamiento en caché más fuertes y más espacio de escritura aleatoria para almacenar temporalmente datos no secuenciales. Debido a que el HDD trabaja constantemente para optimizar el algoritmo de almacenamiento en caché y el manejo de la tabla de indirección, el rendimiento es impredecible en ciertas cargas de trabajo, como la escritura aleatoria de bloques grandes. con ciclos de trabajo elevados. Debido a la amplia gama de variabilidad e imprevisibilidad del rendimiento, Drive Managed SMR se considera poco práctico e inaceptable para implementaciones de clase empresarial. Drive Managed SMR es adecuado para aplicaciones que tienen tiempo de inactividad para que la unidad realice tareas en segundo plano, como mover los datos. Los ejemplos de aplicaciones adecuadas incluyen el uso de PC cliente y discos duros de respaldo externos en el espacio del cliente. En el espacio empresarial, las operaciones paralelas de las tareas de copia de seguridad se convierten en operaciones de escritura aleatorias dentro del HDD, lo que generalmente da como resultado un rendimiento impredecible o una degradación significativa del rendimiento.

SMR administrado por host

El SMR administrado por host se está convirtiendo en la opción preferida para implementar la grabación magnética escalonada. A diferencia de Drive Managed SMR, Host Managed SMR promueve la administración de SMR al host para ayudar a administrar los flujos de datos, las operaciones de lectura / escritura y la administración de zonas. Y como otra diferencia clave de Drive Managed SMR, Host Managed SMR no permite ninguna operación de escritura aleatoria dentro de cada zona.

Como su nombre lo indica, el host gestiona todas las operaciones de escritura para que estén en secuencia siguiendo un puntero de escritura. Una vez que los datos se escriben en la zona, el puntero de escritura se incrementa para indicar el punto de inicio de la siguiente operación de escritura en esa zona. Cualquier escritura fuera de orden o escritura en áreas no indexadas correctamente para escrituras por contadores asociados forzará a la unidad a abortar la operación y marcará un error. La recuperación de un error de este tipo es responsabilidad del host controlador. Esta aplicación permite que Host Managed SMR brinde un rendimiento predecible y consistente. Con Host Managed SMR, los datos se organizan en una serie de zonas SMR que van desde una hasta potencialmente muchos miles. Hay dos tipos de zonas SMR: una zona de escritura secuencial requerida y una zona convencional opcional. La zona convencional, que normalmente ocupa un porcentaje muy pequeño de la capacidad total de la unidad, puede aceptar escrituras aleatorias, pero normalmente se utiliza para almacenar metadatos. Las zonas de escritura secuencial requerida ocupan la mayor parte de la capacidad total de la unidad donde el host impone la secuencialidad de todos los comandos de escritura. (Cabe señalar que en Host Managed SMR, los comandos de lectura aleatorios son compatibles y funcionan de manera comparable a la de las unidades CMR estándar). A diferencia de Drive Managed SMR, Host Managed SMR no es compatible con versiones anteriores de pilas de almacenamiento de host heredadas. Sin embargo, Host Managed SMR permite a las empresas mantener el control y la gestión del almacenamiento a nivel de host.

Host Aware SMR

Host Aware SMR es el superconjunto de SMR administrado por host y manejado por unidad. A diferencia de Host Managed SMR, Host Aware SMR es retrocompatible con pilas de almacenamiento de host heredadas. Con Host Aware SMR, el host no necesariamente tiene que cambiar el software o el sistema de archivos para hacer que todas las escrituras en una zona determinada sean secuenciales. Sin embargo, a menos que el software del host esté optimizado para escritura secuencial, el rendimiento se vuelve impredecible al igual que Drive Managed SMR. Por lo tanto, si las aplicaciones de host de la empresa requieren un rendimiento predecible y optimizado, el host debe asumir la responsabilidad total del flujo de datos y la administración de zonas, de manera idéntica a la SMR administrada por el host. En aplicaciones empresariales donde puede haber múltiples operaciones o múltiples flujos de escrituras secuenciales, sin la intervención del host, el rendimiento rápidamente se volverá impredecible si la administración de SMR se difiere en el nivel de la unidad. Host Aware SMR también tiene dos tipos de zonas: la zona preferida de escritura secuencial y una zona convencional opcional. A diferencia del SMR administrado por el host, las zonas de escritura secuencial requerida se reemplazan por las zonas preferidas de escritura secuencial en el SMR de host, lo que permite comandos de escritura aleatorios. Si la zona recibe escrituras aleatorias que violan el puntero de escritura, la zona se convierte en una zona de escritura no secuencial. Una implementación de Host Aware SMR proporciona medidas internas para recuperarse de escrituras fuera de orden o no secuenciales. Para administrar escrituras fuera de orden y desfragmentación en segundo plano, la unidad tiene una tabla de indirección, que debe mantenerse y protegerse permanentemente contra interrupciones de energía. Los datos desordenados se registran en las áreas de almacenamiento en caché. A partir de ahí, la unidad puede agregar los datos a la banda SMR adecuada una vez que se hayan recibido todos los bloques necesarios para completar la banda. Host Aware SMR es ideal para escenarios de lectura / escritura secuencial donde los datos no se sobrescriben con frecuencia y la latencia no es la principal consideración.

SMR de nivel empresarial: rendimiento sin concesiones

Algunos proveedores de almacenamiento logran mayores capacidades y un menor costo por terabyte al eliminar funciones de sus unidades. Por ejemplo, reducir las especificaciones de confiabilidad, las garantías de los productos y las especificaciones de rendimiento es una forma de reducir los costos. Pero el resultado final son discos duros de clase de escritorio. Los datos son el elemento vital de cualquier negocio. Es por eso que Western Digital cree que los ahorros de costos no pueden producirse a expensas de la disponibilidad y la confiabilidad. La solución SMR administrada por host de Western Digital mantiene los niveles más altos de confiabilidad, calidad y rendimiento de la industria. En lugar de eliminar características para lograr densidades más altas y ahorros de costos, la solución Western Digital agrega características, como capacidades de verificación de escritura, optimizaciones de diseño y tecnología patentada HelioSeal para reducir tanto el costo por terabyte de almacenamiento como el TCO.

Cómo implementar SMR administrado por host: consideraciones de alto nivel

SMR administrado por host es la primera implementación de SMR en lograr la adopción del mercado empresarial, aunque requiere que los clientes modifiquen su pila de software de almacenamiento.

Conjuntos de comandos ZBC/ZAC

En primer lugar, se ha definido una nueva especificación de comandos para SMR administrado por host. Estos nuevos protocolos de comando están todos basados ​​en estándares y desarrollados por los comités INCITS T10 y T13. (No existe un estándar de la industria para Drive Managed SMR porque es puramente transparente para los hosts) .Consulte el último borrador de ZBC/ZAC cuando diseñe para Host Managed SMR.

La optimización de Write

La data debe escribirse en una posición de puntero de escritura de zona y en porciones alineadas con el tamaño del sector físico del disco y deben entregarse en secuencia sin espacios dentro de una zona. Este puntero se incrementará al completar cada comando de escritura. Las escrituras consecutivas deben comenzar desde la última dirección de puntero; de lo contrario, la unidad marcará un error y cancelará la operación. Se pueden abrir varias zonas SMR para escrituras en cualquier momento, donde el número exacto es una función de los recursos internos del disco disponibles. El número máximo está documentado en los datos de identificación de cada unidad.

La lectura es tan buena como CMR

La lectura de datos de una unidad SMR no es diferente de las unidades CMR tradicionales. Sin embargo, la reducción del ancho de vía puede afectar los tiempos de asentamiento y los recuentos de relecturas, que dependen del ancho de vía real y la capacidad de seguimiento de la unidad.

Expectativas de desempeño

Para garantizar que las operaciones de escritura no dañen las pistas previamente escritas, algunos HDD SMR administrados por el host realizan la verificación de lectura de la pista anterior en determinadas condiciones. Este proceso de verificación de lectura garantiza la entrega de la capacidad máxima con la máxima integridad de bits, al tiempo que ofrece un rendimiento de escritura cercano pero ligeramente inferior al de los HDD CMR.

Consideraciones del ecosistema

Debido a la naturaleza del diseño de SMR administrado por host, no es una implementación plug-and-play con sistemas heredados. Hay tres formas de diseñar para SMR administrado por host según la estructura del sistema del cliente y la capacidad de modificar su capa de aplicación.

1. Los clientes que poseen aplicaciones de software y no dependen del sistema operativo y del sistema de archivos para controlar el HDD pueden comenzar con nuevas especificaciones de comando ZBC / ZAC que se definieron recientemente para Host Managed y Host Aware SMR. Estos nuevos conjuntos de comandos se basan en los estándares del comité T10 / T13. Será necesario volver a escribir las aplicaciones con los nuevos conjuntos de comandos y garantizar que todos los flujos de datos sean secuenciales.

2. Los clientes que se ejecutan en Linux® de código abierto, que depende de su propio kernel para controlar el disco duro, deberán modificar el sistema de archivos, la capa de bloques y el controlador del disco. Se requiere un conocimiento profundo de ZBC / ZAC para modificar la capa del núcleo. Una opción alternativa es utilizar un kernal de Linux reciente que incluya compatibilidad con ZBC / ZAC, agregado a todas las versiones del kernal de Linux desde la versión 4.10.0. Estos kernals implementan soporte para unidades SMR en diferentes niveles (controlador de disco, sistema de archivos, controladores de mapeo de dispositivos), ofreciendo una amplia gama de opciones para el diseño de aplicaciones.

3. Si un cliente carece del control del software en el nivel de la aplicación y al mismo tiempo conserva el control sobre las opciones del kernel de Linux, se puede utilizar un controlador de abstracción de dispositivo SMR para presentar los discos SMR como discos CMR normales en la capa de la aplicación. Esta característica es proporcionada por el controlador mapeador de dispositivos dm-zoned desde la versión de kernal 4.13.0. Con dicha solución, los sistemas de archivos y las aplicaciones existentes se pueden utilizar sin ninguna modificación.

4. Si un cliente carece del control de software tanto a nivel de aplicación como de kernal, componentes como adaptadores de bus de host o receptáculos de disco inteligentes pueden proporcionar soporte de hardware especializado para ayudar a administrar las restricciones de acceso SMR. Sin embargo, este cliente debe trabajar directamente con el HBA o los proveedores de gabinetes para soporte SMR.

Conclusión

Con los datos y el almacenamiento que continúan creciendo a un ritmo sin precedentes, el mercado empresarial de capacidad está comenzando a ver el surgimiento de nuevos segmentos de almacenamiento que son predominantemente secuenciales, altamente accesibles y en puntos de capacidad sin precedentes. Para estos nuevos segmentos se requiere una solución especialmente diseñada que aproveche la innovación, como Host Managed SMR. Para aprovechar las ventajas de la capacidad, los clientes deben realizar ciertos cambios para adaptarse a la SMR administrada por el host, es decir, el software del host (o la aplicación final) debe modificarse, todos los flujos de datos deben secuenciarse y se requieren nuevos conjuntos de comandos. Debido a que los tipos de SMR basados ​​en host se volverán más omnipresentes y omnipresentes en el futuro, la inversión se aprovechará por completo para las generaciones posteriores de productos SMR e incluso tecnologías de grabación. Al construir las soluciones de almacenamiento SMR de mayor capacidad de la actualidad en la plataforma HDD sellada y llena de helio más confiable de la industria, Western Digital está abordando la necesidad urgente de un verdadero almacenamiento masivo de nivel empresarial a un costo total de propiedad convincente.

Fuente: https://documents.westerndigital.com/content/dam/doc-library/en_us/assets/public/western-digital/collateral/white-paper/white-paper-shingled-magnetic-recording-helioseal-technology.pdf