Основы хранения данных 3

Начало в номере 26, номере 27

Влияние новейших технологий на массовую память Основные принципы работы жестких дисков, описанные в предыдущих номерах, не претерпели существенных изменений с момента их появления на свет три десятилетия назад. Однако производители внедрили множество новшеств, так что современные продвинутые винчестеры едва ли похожи на первый накопитель IBM RAMAC 350.

Чтобы оценить важность этих усовершенствований, надо понимать, что прогресс в области жестких дисков в целом измеряется тремя показателями: увеличением плотности записи, повышением быстродействия и уменьшением стоимости хранения мегабайта данных. Сейчас мы и обсудим, как последние технологические разработки обеспечивают значительные сдвиги в производительности, емкости, стоимости и габаритах.

Каждый технологический прорыв позволяет производителям жестких дисков добиться продвижения вперед на одном или на нескольких фронтах. Зачастую достижения в одной области автоматически вызывают улучшения в другой. Например, в результате появления тонкопленочных технологий, обеспечивших рост плотности записи, повысилась производительность и снизилась удельная стоимость хранения информации.

В основном технологические достижения наблюдаются в шести областях. Это: - усовершенствование применяемых материалов (тонкопленочные покрытия и магниторезистивные головки); - усовершенствование механики приводов (рост скорости вращения и сокращение времени поиска данных); - инновации в полупроводниковой технологии (цифровые процессоры обработки сигналов, более мощные микропроцессоры, работающие на повышенных частотах); - усовершенствование обработки сигналов при чтении/записи (каналы чтения PRML - Partial Response Maximum Likelihood); - технологические усовершенствования в дисковых контроллерах в области фирменных программ и прикладных интегральных схем (ASIC). Фирменные управляющие программы перманентно записываются в микросхемы ПЗУ, устанавливаемые непосредственно на накопителе. В устройствах ASIC реализованы наиболее скоростные функции управления, такие как кэширование данных и коррекция ошибок; - развитие шинных и дисковых интерфейсов.

Технологии, с которыми мы сейчас познакомимся, являются одними из самых важных инноваций в дальнейшем совершенствовании жестких дисков в направлениях плотности хранения данных, производительности и стоимости.

Магниторезистивные головки Существуют разные типы магнитных головок чтения/записи. Одними из первых появились монолитные ферритовые головки, то есть сделанные из одного блока феррита - магнитного керамического материала. В результате совершенствования все ферритовые головки стали композитными, состоящими в основном из немагнитного материала с добавлением небольшой ферритовой структуры.

Следующими появились головки с металлизированным зазором (metal-in-gap, MIG) - с очень тонкими металлическими прослойками, добавленными внутри рабочего зазора для повышения магнитной эффективности. В настоящее время во многих накопителях применяются тонкопленочные головки, само название которых отражает тот факт, что их структурные элементы размещены на подложке способом, очень похожим на тот, что используется при производстве микросхем и чипов процессоров. Тонкопленочная технология позволяет производителям головок добиться значительно меньших физических размеров и улучшить управление процессом производства. И то, и другое ведет к большей эффективности конечных продуктов.

Новейшая технология, применяемая в головках для жестких дисков, получила название магниторезистивной (MR). Она создана для поддержки носителей с очень высокой плотностью записи - в диапазоне от 1 до 2 миллиардов бит на квадратных дюйм (bpsi), что стоит сравнить с плотностью менее 200 миллионов bpsi, достижимой при применении других технологий головок записи/чтения. В отличие от других современных головок, конструкции которых всегда основываются на использовании миниатюрных индуктивных электромагнитов, магниторезистивные применяются для чтения, так как в их основе лежит специальный материал, электрическое сопротивление которого изменяется в присутствии магнитного поля.

Маленькая полоска магниторезистивного материала наносится на головку и, когда под ней проходят намагниченные области диска, воспринимает силу магнитного поля и создает электрические импульсы, соответствующие смене направления намагниченности. Такой механизм не может быть использован для записи данных, поэтому эта функция в современных винчестерах оставлена за традиционными тонкопленочными индуктивными записывающими элементами, расположенными бок о бок с магниторезистивной полоской.

Магниторезистивные головки впервые появились в отдельных разработках жестких дисков в 1994 году, а широкое распространение и признание они получили в 1995-м. Во многом благодаря совместному использованию MR-головок и каналов чтения PRML стала реальностью плотность записи, при которой на одной пластине помещается один гигабайт данных и даже больше.

Каналы чтения

Канал чтения в накопителях отвечает за кодирование и преобразования, необходимые для записи данных на носитель и их последующего чтения с высокой степенью точности. Традиционно использовались каналы с распознаванием пиковых значений аналогового сигнала. Впрочем, в последнее время их начали активно вытеснять каналы с цифровой фильтрацией, такие как PRML, поскольку они дают возможность считывать и записывать более плотно размещенные на поверхности носителя данные.

Во время записи канал с детектированием пиковых аналоговых сигналов преобразует двоичные цифровые данные в аналоговый сигнал, который используется головками записи/чтения винчестера для управления изменениями направления намагниченности участков поверхности пластины. Когда производится чтение, головки реагируют на изменения направленности намагниченности рабочего слоя и генерируют аналоговый сигнал, имеющий форму волны, передаваемый в канал чтения. Канал анализирует входящий в него сигнал, определяя наибольшие (положительные) и наименьшие (отрицательные) значения сигнала. Пиковые значения в аналоговой волне соответствуют наиболее сильному сигналу. В конце концов каждый из обнаруженных пиков декодируется в единичный бит цифровых данных.



Недостаток каналов с детектированием пиков в том, что при увеличении плотности записи данных пики аналогового сигнала начинают перекрываться, при чтении возникают проблемы и снижается производительность. Для борьбы с этим эффектом в жестких дисках применяется кодирование данных при записи, разделяющее пики аналогового сигнала. Схема кодирования обычно ограничивает количество пользовательских данных, которые накопитель может поместить на пластину, в зависимости от общего объема записываемых битов и ранее сохраненных закодированных данных. Следовательно, накопители с детектированием аналоговых пиков нуждаются в большем, чем винчестеры с цифровой фильтрацией, числе пластин для достижения заданной емкости. Снижение же плотности хранения данных влечет за собой уменьшение скорости их передачи.

Компания Quantum первой из независимых производителей жестких дисков реализовала каналы чтения PRML. С помощью изощренного цифрового кодирования и фильтрации каналы чтения PRML разбивают (дискретизируют) волновой аналоговый сигнал на множество точек, в противоположность обнаружению только высоких и низких пиков. На основе этих дискретных значений каналы чтения PRML могут восстановить форму прочитанного головками аналогового сигнала и затем получить максимальные и минимальные пики, очень точно отображающие биты данных.

Несмотря на использование одних и тех же головок чтения/записи и носителей, технология PRML обеспечивает намного более экономно расходующую площадь схему детектирования ошибок, на 25% повышающую плотность данных, в сравнении с обеспечиваемой схемой распознавания аналоговых пиков при таком же низком уровне вероятности получения ошибочных битов. Поскольку плотность хранения битов повышается, винчестер способен за то же время передать в канал чтения больше битов данных. Поэтому технология PRML способствует также достижению более высокой внутренней скорости передачи.

Альтернативные дисковые носители и контактная запись Рост плотности хранения данных представляет основную препону для способности головок чтения/записи аккуратно снимать и накладывать магнитные сигналы на поверхность пластин. Чем выше плотность, тем слабее сигнал, поэтому головки должны парить ближе к поверхности носителя. Один из способов уменьшения высоты полета головок состоит в получении более гладких пластин, лишенных изъянов, которые могут привести к поломке головок. В этом направлении исследуются возможности применения для дисковых пластин альтернативных материалов.

Наиболее обещающим выглядит использование стекла, уже получившего некоторое распространение в коммерчески выпускаемых накопителях. Впрочем, у стекла есть недостатки, которые способны помешать его повсеместному внедрению, по крайней мере, в ближайшем будущем. Главный из них - относительная хрупкость и намного более высокая стоимость производства по сравнению с алюминиевыми пластинами.

Другой вариант состоит в устранении проблемы высоты полета головок на корню, то есть в разрешении им скользить непосредственно по поверхности пластин точно так же, как головки магнитофона контактируют с лентой. Чтобы использовать этот подход, называемый контактной записью, производители винчестеров должны найти способ устранить трение, которое при нормальной на сегодня скорости вращения быстро разрушит и головки, и рабочую поверхность пластин.

При контактной записи можно использовать жидкую смазку, или технологию "мокрых дисков", любо придется положиться на улучшенные низкофрикционные материалы, которые не должны изнашиваться. Впрочем, на пути применения в винчестерах как альтернативных материалов для дисков, так и "мокрых дисков" стоит столько технологических барьеров, что пока их внедрение в массовые компьютеры и не просматривается.

Новые шины Для подключения жестких дисков к хост-системе разработаны две новые шинные технологии - локальные шины и стандарт PCMCIA.

Локальные шины Локальные шины в персональных компьютерах традиционно использовались в качестве высокоскоростного коммуникационного канала между центральным процессором и системной памятью. Сегодня применение локальных шин для подключения жестких дисков стало очень существенным усовершенствованием, позволившим поднять производительность винчестеров в IBM-совместимых персональных системах.

Скорость работы процессоров и ширина шины увеличились с 8 мегагерц и 16 бит в РС первых поколений до 200 мегагерц и 32 разрядов в современных системах. Поднялась и скорость передачи данных винчестерами. Усовершенствования в технологиях локальных шин соответствуют этим переменам. Увеличилась их тактовая частота (значительно более высокая, чем у шин для подключения периферии) и разрядность, благодаря чему процессор и системная память могут взаимодействовать на максимальной пропускной способности этого канала. Для использования локальных шин были разработаны соответствующие им по скоростным характеристикам графические и видеоконтроллеры.



В то же время периферийные устройства, такие как жесткие диски, традиционно обменивались данными с системой через шину расширения РС, коммуникационные возможности которой ограничивались 8 мегагерцами и 16 битами. В качестве шины расширения долгое время применяли шину ISA; когда же она окончательно перестала соответствовать уровню производительности периферии, были представлены более скоростные разработки - шины EISA и MicroChannel. Но и они, хотя и значительно превосходили по скорости и разрядности старую ISA, тем не менее не поднялись по производительности до требований мощных компьютеров с процессорами 486 и Pentium. И в конце концов (не так уж давно это и было) жестким дискам удалось воспользоваться преимуществами, обеспечиваемыми локальными шинами. Применение для передачи данных локальных шин позволило сразу поднять производительность более чем в 4 раза по отношению к ISA.

Для подключения к локальной шине дополнительных устройств почти одновременно были разработаны два стандарта: ассоциация Video Electronics Standards Association (VESA) предложила локальную шину VESA Local Bus (VLB), а корпорация Intel совместно с другими ведущими компаниями - Peripheral Components Interface (PCI).

Шина VLB была использована конструкторами для первых опытов по подключению к высокоскоростному каналу данных видеоконтроллеров и впоследствии широко распространилась и стала стандартом де-факто в системах с 486-ми процессорами. Интерфейс PCI появился несколько позже, но также применялся в компьютерах на базе Intel 486 и совместимых с ним процессоров.

Но это уже дела минувших дней. Гораздо важнее, что благодаря лучшим характеристикам, перспективной архитектуре и функционально более полному набору команд, чем у VLB, шина PCI стала общепринятым стандартом для Pentium-систем. В то же время коммуникационные возможности традиционных шин расширения в компьютерах с Pentium улучшены не были. Поэтому жесткий диск, если его подключить к Pentium-системе через шину расширения ISA, будет работать с такой же производительностью, как в системе на базе i486.

Понятно, что разработчики компьютеров Pentium были просто вынуждены поместить жесткие диски на локальную шину, чтобы устранить самое узкое место в производительности. Прямой результат перехода к локальным шинам VLB и PCI проявился в более чем трехкратном повышении общей скорости передачи данных по сравнению с любыми системами, использующими шины ISA, EISA или MicroChannel.

Стандарт PCMCIA В виду потребности в шине со специфичными для мобильныхкомпьютеров характеристиками в 1990 году комитет по стандартам PCMCIA создал шину и интерфейс для карт, получившие такое же название.

В этом стандарте было описано новое поколение легко подключаемых компактных (размером с кредитную карточку) устройств памяти, в основном подобных РС-картам, используемым сегодня для расширения памяти в сверхпортативных и карманных компьютерах-палмтопах. Но, поскольку стандарт PCMCIA был создан очень гибким, оказалось возможным расширить его на множество других устройств памяти и ввода/вывода, выполняемых в формате РС-карт, включая различные устройства массовой памяти, модемы и сетевые интерфейсные адаптеры.

Итак, стандарт PCMCIA фактически вышел за рамки исключительно шинной спецификации. Независимо от существования многих примеров удачной реализации шинных технологий, стандарт PCMCIA сломал сложившиеся нормы и охватил физические спецификации карт, интерфейсов, форматов данных и даже любого размещаемого на картах программного обеспечения, так же как и характеристики гнезд, в которые они вставляются. На сегодня стандарт PCMCIA остается единственной шиной, обеспечивающей на практике расширение возможностей компьютеров-субноутбуков. Он рассчитан на низкое потребление энергии, и созданные в соответствии с ним устройства способны питаться низким напряжением 3.3 - 5 вольт. И хотя разрядность шины составляет всего 16 бит, высокая скорость передачи данных достигается за счет того, что большинство РС-карт выполнено полностью из твердотельных электронных компонент, то есть в них нет подвижных частей и, соответственно, механических задержек.

Шину PCMCIA можно рассматривать как обособленный стандарт, пока речь идет о мобильных компьютерах, но она также способна сосуществовать с другими шинными архитектурами. Например, в некоторых палмтопах отсутствует жесткий диск, и они ограничены только встроенной памятью. В таком случае наличие PCMCIA-слота играет особую по важности роль, обеспечивая дальнейшее расширение ресурсов и возможностей системы через шину PCMCIA. В настольном компьютере или ноутбуке в основе архитектуры системы может применяться любая шина, например EISA, но также сохраняется и возможность установки слота с шиной PCMCIA.

Производительность жесткого диска Параметры и что они означают Решение о покупке того или иного винчестера часто основывается на разных критериях, включая и репутацию компании-производителя, и сведения о его качестве и надежности, и характеристики его производительности, то есть спецификацию. Существует множество общих параметров производительности, сообщаемых производителями жестких дисков. Поскольку эти накопители уникальны в плане совмещения электронной и механической частей, в спецификациях приводятся параметры, измеряющие производительность в обеих этих областях.

К сожалению, обилие чисел способно запутать покупателя, что ведет к тенденции описания производительности только одним или несколькими параметрами, но тогда не вырисовывается реальная картина.

Чаще всего упоминаются такие характеристики, как время поиска, время переключения головок, задержка на вращение, время доступа, определяющие электромеханическую производительность, то есть быстродействие механической части явно проявляется в работе электроники. Дисковая и внешняя скорости передачи данных отражают скоростные характеристики электронных компонент винчестера, в то время как другая похожая характеристика - внутренняя скорость передачи, или пропускная способность, определяется эффективной скоростью передачи данных на всем пути от диска к хост-системе.

Время поиска Так называется время, необходимое на перемещение приводом головок чтения/записи между дорожками. Сегодня на каждой стороне 3.5-дюймовой пластины винчестера умещается порядка 3,000 дорожек. Поэтому для перемещения к следующей порции данных может потребоваться как перескочить к соседнему треку, так и пройти все 2,999 дорожек. Время поиска измеряется в миллисекундах. Переход между смежными дорожками может занять всего 2 мс, в то время как на перемещение на всю ширину рабочей поверхности пластины необходимо около 20 мс. Поэтому введено среднее время доступа, определяемое как время, требуемое для перемещения головок чтения/записи по случайному запросу. Для сегодняшних накопителей этот показатель находится в диапазоне от 8 до 14 мс.

Хотя время доступа описывает только одно "измерение", его чаще других параметров используют для быстрого сравнения производительности разных винчестеров. Иногда даже описывают целые семейства винчестеров как принадлежащие к классу, скажем, "14-миллисекундных", имея в виду их среднее время поиска, равное 14 мс.

К сожалению, как следует из самого принципа измерения этой характеристики, она не может полноценно отражать истинную производительность накопителя. Среднее время поиска эффективно описывает только дисковые операции (обращения) случайного типа и полностью игнорирует последовательное считывание данных. Впрочем, это лишь одна из многих характеристик, отражающих производительность жесткого диска.

Время переключения головок Привод головок переносит все головки чтения/записи над рабочей поверхностью пластин синхронно. В то же время в любой момент лишь одна из головок может читать или записывать данные. Время переключения головок соответствует среднему времени, которое затрачивается накопителем на переключение между любыми двумя головками, когда те записывают или считывают данные. Этот параметр также измеряется в миллисекундах.

Время переключения цилиндров Переключение цилиндров, также называемое переключением треков, требует передвижения привода головок чтения/записи для установки их в новое положение над другим цилиндром данных. (Цилиндром, если помните, называется совокупность треков, расположенных в одном и том же месте, но на разных пластинах.) Время переключения цилиндров отражает средние затраты времени на переход от одного цилиндра к другому непосредственно в процессе записи или чтения данных и измеряется в миллисекундах.

Задержка на вращение Когда головки чтения/записи займут позицию над нужным треком, им придется еще немного подождать, пока пластины повернутся и подойдет требуемый сектор. Этот период, называемый задержкой на вращение, измеряется в миллисекундах и зависит от скорости вращения пластин.

В самом худшем случае головки подойдут к треку как раз в тот момент, когда нужный сектор выйдет из-под них. Тогда придется прождать время полного оборота диска. Впрочем, в среднем ожидание совпадает со временем половинного поворота пластин.

Один из способов, которым производители жестких дисков сокращают ожидание, состоит в увеличении оборотов пластин. Однако чем быстрее происходит вращение, тем сильнее нагревается привод и изнашиваются механические движущиеся части. По мере решения этих проблем происходит вытеснение старых дисководов со скоростью вращения 3,600 оборотов в секунду более быстрыми. В таблице приведены скорости вращения, обычно используемые в жестких дисках, и соответствующие им задержки Для сокращения задержки на вращение применяется также сдвиг секторов на смежных цилиндрах (по цилиндрам) и рабочих поверхностях пластин (по головкам) относительно друг друга. При этом задача состоит в том, чтобы начальный сектор трека, который должен будет читаться или записываться следующим, оказался под головками сразу после их подвода. То есть за время перемещения головок от предыдущего трека начало следующего должно как раз успеть подойти под головки. Если начальный сектор не успеет "подвернуться", головкам придется простоять без работы, пока пластины не повернутся на нужный угол. Запись или чтение начинается сразу же, как только начало трека окажется под головками.

Смещение начальных секторов относительно соседних дорожек помогает избежать длительного ожидания при последовательном чтении или записи. Начальный сектор следующего трека при этом сдвигается относительно последнего сектора предыдущего трека на угол, время поворота пластин на который соответствует времени перехода головок между этими треками.

Сдвиг по головкам выполняет аналогичную задачу. Во время переключения головок пластины продолжают вращаться, поэтому к тому моменту, когда накопитель закончит переключение, головка записи/чтения способна сразу же приступить к записи или чтению логического сектора, попадающего под нее следующим. Если заказанный сектор задержится, опять придется ждать, пока провернутся пластины. За счет сдвига начальных секторов внутри цилиндра, читаемых разными головками, на угол, поворот на который совпадает со временем переключения головок, этого ожидания удается избежать.

Следующий способ борьбы с задержками на вращение состоит в применении различных хитроумных схем переупорядочения запросов на чтение или запись.

Время доступа к данным Этот параметр показывает, сколько времени уходит на перемещение головок чтения/записи к заданному треку и поиск на нем интересующего сектора. Таким образом, время доступа является комбинацией времени поиска, времени переключения головок и задержки на вращение. Измеряется оно, естественно, тоже в миллисекундах.

Скорости передачи данных После окончания позиционирования головок накопитель готов к чтению данных с диска или записи на него. Тут же возникает вопрос о скорости передачи данных между диском и центральным процессором компьютера (CPU). Чем быстрее передаются данные, тем меньше пользователь ждет, пока работает программа, то есть пока база данных сортирует свои записи или система копирует файлы.

Скорость передачи данных теснейшим образом зависит от двух величин: дисковой скорости передачи, или как быстро данные проходят от головок чтения/записи к контроллеру винчестера, и внешней скорости передачи, или как быстро данные передаются между контроллером жесткого диска и процессором компьютера. Скорость передачи данных измеряется в мегабайтах или в мегабитах в секунду.

Чтобы увеличить внешнюю скорость передачи и минимизировать влияние механических задержек (от поиска до задержки на вращение), производители оснащают контроллеры жестких дисков кэш-буферами. Встроенный в электронику накопителя кэш-буфер является временным хранилищем для передаваемых данных, устраняя или уменьшая любые заторы на пути потока данных между диском и CPU. Кэш-буфер в сочетании с эффективным алгоритмом кэширования может увеличить эффективную скорость передачи данных между накопителем и CPU на значительную величину - от 50 до 100%.

Пропускная способность данных Пропускная способность является величиной, отражающей как время доступа к данным, так и скорость их передачи. Она показывает, какое количество данных может быть получено центральным процессором за единицу времени. А это весьма существенный показатель, один из важнейших способов измерения производительности жестких дисков.

Впрочем, пропускная способность данных отражает также и скоростные характеристики хост-компьютера, а поэтому не может рассматриваться как единый индикатор производительности винчестеров. (Любые измерения, не учитывающие скорость передачи данных хост-компьютеру, являются теоретическими, поскольку пропускная способность не может быть проверена без подключения дисковода к машине.) Поддерживаемая другими системными компонентами, способными обрабатывать данные с такой же скоростью, с какой их читает и записывает винчестер, пропускная способность данных становится хорошим показателем производительности жесткого диска.

Роман Соболенко. По материалам Quantum Corp.