Жесткие диски: то, о чем вы даже не подозревали

⇡#Технологии будущего: Shingled Recording, Heat-Assisted Recording, Bit-Patterned Media

3DNews: В новостях уже мелькают технологии под названиями Shingled Recording, Heat-Assisted Recording, Bit-Patterned Media, которые позволят плотности записи на HDD расти в будущем. В чем их сущность и как скоро можно ожидать появления коммерческих продуктов, в которых они будут внедрены?

Алекс Блеквелл: Shingled Recording — это такая странная технология, которая заимствует кое-что у SSD. Идея в том, чтобы, как и сейчас, записывать данные последовательно на магнитную пластину, только вместо одной дорожки здесь и одной там с промежутком между ними мы будем накладывать дорожки одна на другую. Но нам придется быть очень осторожными в том, как применять эту технологию. Потому что Shingled Recording повлияет на то, как хост-контроллер будет использовать привод. И в конце концов она может оказаться всего лишь нишевым решением для конкретного рынка, который будет в ней заинтересован.

Прим. автора: коль скоро дорожки накладываются друг на друга, при необходимости записать фрагмент данных на одной дорожке придется сначала прочитать и сохранить все данные из пересекающихся дорожек, а затем записать все это обратно на диск. Другой вариант — стараться производить запись на свободные участки, что приведет к сильной фрагментации файлов. Все это действительно очень похоже на то, как работает SSD с NAND-памятью, которая также позволяет освобождать ячейки для перезаписи только в виде крупных блоков (скажем, по 128 Кбайт). Поскольку у жестких дисков и так плохи дела с произвольным доступом, то похоже, что дискам с Shingled Recording уготована судьба хранилищ больших объемов данных с преимущественно последовательной записью.

Shingled Recording

Cледующая технология — Heat-Assisted Recording. Возьмем кусок масла. Вы достаете его из холодильника и кладете на стол в теплый день. Тогда оно становится очень мягким, и в нем можно проделать дырку пальцем. Но чтобы сделать дырку в куске сразу из холодильника, нужно что-то очень острое. Точно так же удобно представить свойство магнитного носителя — coercivity.

Коэрцитивная сила — такое размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью H, которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность I или индукцию магнитного поля B внутри (Wikipedia).

Для диска с малой плотностью записи подходит мягкое масло (низкое coercivity) и толстый палец (большое расстояние между головкой и носителем). Для диска с большой плотностью записи, чтобы удерживать намагниченные участки, нужно твердое масло (высокое coercivity), а чтобы производить запись — очень, очень острый «палец»: большая напряженность магнитного поля и меньший зазор между записывающей головкой и носителем.

Возьмем жесткий диск IBM из 1950-х. Можно было разглядеть провода, накрученные на головке, и расстояние до носителя. Теперь головки изготавливаются как интегральные схемы, из тонкопленочных материалов. Но я, вероятно, буду вынужден вас убить, если расскажу о головках слишком много. Головки — это технология, которая держит нас в бизнесе.

Итак, мы можем развить только ограниченную напряженность магнитного поля. И приблизить головку к носителю тоже уже не можем. Но мы можем сделать намагниченный носитель «тверже». Нам нужен небольшой лазер, чтобы сделать масло мягким, проделать в нем дырку и положить обратно в холодильник. Вы можете ожидать, что эта технология станет коммерчески доступной в течение двух-трех лет. Но сначала — Shingled Recording, которая может как сочетаться с Heat-Assisted Recording, так и применяться отдельно.

Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR)

Другая технология, которая значится в нашем технологическом roadmap’е после HAMR, — это Bit-Patterned Media. HAMR, как и сейчас, все еще подразумевает использование непрерывного носителя, хотя и из экзотических материалов. А Bit-Patterned Media означает запись индивидуальных битов данных, окруженных пустотой. Тогда намагниченные участки смогут располагаться очень близко друг к другу, не вызывая интерференции. Проблема в том, чтобы создать структуры такого размера. Существующая литография не дает нам даже той плотности записи, которую мы имеем с непрерывным носителем. Должны произойти большие улучшения в литографии, чтобы за счет Bit-Patterned Media произошло увеличение плотности записи.

Bit-Patterned Media

⇡#«Нативная» поддержка секторов 4 Кбайт

3DNews: Ну когда уже?

Алекс Блеквелл: Мы хотели бы увидеть «нативную» поддержку секторов 4 Кбайт. Они уже дали нам преимущество на уровне самого накопителя: форматирование стало на 10% эффективнее, коррекция ошибок — проще. Но только представьте, столько денег уже вложено в инфраструктуру, построенную вокруг секторов 512 бит…

Я бы показал вам диск WD с «нативной» поддержкой секторов 4 Кбайт прямо сейчас (нужно только сначала заказать из США). А как только рынок будет к этому готов, мы тут же можем начать их продавать. Достаточно одного-двух месяцев на подготовку.

⇡#Жесткие диски с гелием. До семи пластин в корпусе

3DNews: HGST не так давно продемонстрировала жесткий диск, вместо воздуха заполненный гелием. Будут ли за счет этого действительно коммерчески производиться жесткие диски с семью магнитными пластинами?

Алекс Блеквелл: Гелий хорош тем, что он менее плотный по сравнению с воздухом. Из-за меньшей плотности можно сделать магнитные пластины тоньше и легче, можно поместить больше пластин в корпус, вплоть до семи. Подумайте о компаниях, которые хотят получить максимальную плотность данных на квадратный метр. Вот им понравятся такие диски.

3DNews: А нельзя ли было с таким же успехом просто разрядить воздух внутри корпуса?

Алекс Блеквелл: Мы все используем аэродинамическую технику, чтобы контролировать расстояние от головки до поверхности носителя. И я не знаю, какова будет физика при использовании разряженного воздуха. Я также думал об использовании водорода вместо гелия. И об этом я также не могу ничего сказать. Водород легче получить, чем гелий, — путем электролиза воды. А вот ресурс гелия ограничен, и, чтобы получить больше, нам нужен токамак — установка для термоядерного синтеза. Хотя если гелия хватает для наполнения шариков, то, предполагаю, будет достаточно и для жестких дисков.

На самом деле, мы сейчас уже используем гелий в процессе производства. Привод заполняется гелием на стадии, которая требует большой точности позиционирования головок. Сложность при внедрении гелия в коммерческих продуктах состоит в том, чтобы удержать его внутри по меньшей мере в течение гарантийного срока. Молекула газа очень маленькая, поэтому легко выходит через мельчайшие поры. Я не знаю подробностей о том, как это сделала HGST, но если вы посмотрите на конструкцию жесткого диска, то увидите элементы, на которые для этого нужно обратить особое внимание.

Первая вещь — нужно заблокировать воздушный фильтр. Привод превратится в сосуд под давлением. Вторая — нужно убедиться, что прокладка между крышкой и корпусом не является пористой для гелия. Это задача по части материалов.

3DNews: Появятся ли когда-нибудь диски с гелием под брендом WD?

Алекс Блеквелл: Я никогда не говорю «никогда». Мы уже используем гелий в производстве и знаем, какие технологии для этого нужны. Кроме того, преимущество в нашей индустрии часто измеряется в месяцах, а не в годах.

⇡#Про надежность, долговечность и статистику

3DNews: Каков расчетный срок жизни отдельно взятого привода? Возьмем жесткий диск с MTBF (mean time between failures, «среднее время наработки на отказ») на уровне 1 млн часов. В пересчете на годы это даст совершенно нереальный срок жизни в 114 лет. Похоже, что так просто MTBF в срок жизни не переводится…

Алекс Блеквелл: На самом деле MTBF не является утверждением о долговечности отдельно взятого диска. Это статистическое утверждение о популяции дисков. Миллион часов MTBF говорит мне, что я, будучи менеджером дата-центра с сотней тысяч дисков, могу ожидать, что один из них будет отказывать каждые 10 часов. Что даст мне возможность понять, сколько запасных приводов нужно иметь на руках.

MTBF вычисляется с помощью такого теста. Если вам нужно получить MTBF 2 млн часов, вы должны сгенерировать больше 2 млн часов работы. Наполняете стойки тысячей дисков и гоняете в течение тысячи часов (шесть недель). Так и получается миллион часов. А еще мы можем повысить температуру тестового стенда, ускоряя в четыре раза амортизацию дисков. Вот уже 4 млн часов работы. Если за это время два диска отказали, то и получается MTBF 2 млн часов. На самом деле мы начали удалять MTBF из наших документов на устройства, ибо люди зачастую неправильно понимают, что означают эти числа.

И все же, какова сервисная жизнь отдельно взятого диска? По консервативной оценке, она составляет не меньше 5 лет. Вы сами вряд ли знаете кого-то, кто использовал бы компьютер старше этого срока. Проживет ли диск дольше — зависит эксплуатации. Это как машина. Если каждый день ездишь по сотне километров, то она износится быстрее, чем машина, которая выходит из гаража только в выходные.

Более точную оценку продолжительности жизни дать трудно, так как сейчас в ходу мало дисков десятилетнего возраста. Диск такой давности имеет объем всего 10-40 Гбайт, большинство из них находятся в снятых с гарантии и более неиспользуемых компьютерах. Нет данных. Все, что у нас есть на этот счет, — это частные, иногда анекдотические свидетельства. Например, один из моих клиентов недавно списал массив дисков WD, которые были куплены пять лет назад, и все до единого еще работали. А это был дата-центр с режимом работы 24/7.

Корпоративные жесткие диски изначально проектируются с упором на надежность. Это и подбор компонентов, и конструкция. Например, в дисках форм-фактора 2,5 дюйма на 15 000 об/мин используются пластины емкостью 300 Гбайт. В то время как высшая на сегодня емкость пластины этого размера — 500 Гбайт. Надежность — серьезная дисциплина. У нас в Western Digital этим занимаются множество людей со степенью PhD.

Важный фактор, который вносит вклад в надежность жесткого диска, — это температура. Чем она выше, тем чаще они ломаются. Температура — это все. У нас есть модель связи количества отказов и так называемой эффективной активационной энергии, в которую вносит свой вклад и температура. Похожие модели есть и у Seagate, HGST, Toshiba. Они очень точные, все это легко измерить и проверить. Для владельцев дата-центров мой совет: держите жесткие диски в диапазоне 40–50 °C.

⇡#Балансировка магнитных пластин

3DNews: Одна из технологий, которые отличают недавно вышедшие диски серии WD Red, как и корпоративные винчестеры WD, — 3D Active Balance Plus. Что это значит?

Алекс Блеквелл: Как на колесо машины, на блок магнитных пластин на шпинделе действуют дисбалансирующие силы в двух направлениях: одна трясет (вектор в плоскости пластин), другая качает (вектор перпендикулярный). Чтобы компенсировать силу типа «трясет», мы помещаем кусочек проволоки в виде круга с разрывом в узел мотора. Чтобы справиться с той, которая «качает», мы помещаем «пробку» в одно из отверстий на шпинделе. Такой мелкий цветной кусочек пластика.