Im vergangenen Mai stellte Western Digital seine 26-TB-Festplatte vor, das Laufwerk mit der höchsten Kapazität der Branche erhältlich. Es ermöglicht Cloud-Scale-Kunden, die gigantischen Kapazitäten zu erreichen, die für die heutigen massiven Datenspeicheranforderungen erforderlich sind. Die unaufhörlichen Kapazitätssteigerungen des Marktführers im Speicherbereich werden durch die Integration mehrerer technologischer Innovationen ermöglicht. Eine solche Zusammenstellung ist UltraSMR, die dazu beigetragen hat, die 26-TB-Festplatte zum Tragen zu bringen.
UltraSMR verschmilzt Hardware-, Controller- und Lesekanaltechnologien mit proprietärer Firmware und Algorithmen, um den Kapazitätsvorteil, den Shingled Magnetic Recording (SMR) gegenüber herkömmlicher Magnetaufzeichnung (CMR) bietet, erheblich zu erweitern.
Zusammen erhöhen diese Technologien die Kapazität eines SMR-Laufwerks um weitere 10 %, was eine Steigerung von 20 % gegenüber einem herkömmlichen CMR-Laufwerk ermöglicht.
Das Erreichen solcher Meilensteine in der Branche geschieht jedoch nicht über Nacht. Der Weg zu UltraSMR war ein mehrstufiger, mehrjähriger Prozess, bei dem aufeinanderfolgende Innovationen integriert wurden.
Zuerst gab es SMR
Chad Mitchell, Director of HDD CTO Innovation and IP bei Western Digital, leitet ein Team renommierter Ingenieure, von denen jeder eine Vielzahl von Patenten besitzt, von denen einige dreistellig sind. Die meisten Ingenieure sind in Rochester, Minnesota, ansässig, wo UltraSMR in den letzten zehn Jahren entwickelt wurde. Das Team von Mitchell entwirft die Funktionen für jede Generation von HDD-System-on-Chip (SOC), einschließlich ihrer Fähigkeit, die Nullen und Einsen von Datenlese- und -schreibvorgängen zu codieren, zu decodieren und umzuwandeln.
„Es begann im Jahr 2013 mit der ersten SMR-Version, die Western Digital auf der weltweit ersten 14-TB-Festplatte veröffentlichte“, sagte Mitchell. „Nach und nach haben wir die Technologien hinzugefügt, die im heutigen UltraSMR kulminieren.“
SMR überlagert wie Dachschindeln Tracks auf einer Festplatte, sodass mehr Tracks und Daten auf demselben Platz untergebracht werden können, was eine höhere Dichte und beeindruckende Kapazitätsgewinne ermöglicht.
„Wenn Sie Schindeln über Ihr ganzes Dach legen und sie nur nebeneinander liegen, können Sie nur eine begrenzte Anzahl von Schindeln anbringen“, sagte Ravi Pendekanti, SVP des HDD-Produktmanagements bei Western Digital, in einem Interview mit TechRepublic. Wenn Sie die Schindeln etwas überlappen lassen, können Sie weitere Schindeln mit der gleichen Kapazität oder im gleichen Bereich hinzufügen. Das ist im Wesentlichen das, was SMR ist.“
Aber ohne die Trennung von Spuren besteht die einzige Möglichkeit, Daten zu lesen und zu schreiben, ohne andere Spuren zu beschädigen, darin, dies sequentiell zu tun. Aus diesem Grund werden bei SMR-Laufwerken Daten nicht sofort auf das Laufwerk geschrieben, sondern in einen Cache und dann als große Einheit auf das Medium geschrieben, wo die gesamte Spur anstelle einzelner Sektoren gelesen wird.
SMR ermöglicht die Codierung über größere Bereiche, da die Daten vor dem Schreiben zusammengeführt werden, wodurch Abfall minimiert und die mechanische Effizienz erhöht wird. Für Unternehmensanwendungsfälle sind einige Softwareänderungen im Voraus erforderlich, um diese Art der Datenverarbeitung durchzuführen, aber die einmalige Investition bringt enorme, kontinuierliche Vorteile in Bezug auf die Kapazitätseffizienz.
UltraSMR: A Riese nach vorne springen
Mit zunehmender Festplattenkapazität stieg auch die Herausforderung der Fehlerkorrektur. Da immer mehr Bits in Blöcke mit demselben Formfaktor gequetscht werden, wurde deutlich, dass eine größere Sektorgröße komplexere Fehlerkorrekturalgorithmen und -prozesse ermöglichen würde.
„Vor SMR konnte CMR keine Fehlerkorrektur an großen Blöcken durchführen, weil es keine Möglichkeit gab, über große Bereiche zu codieren, ohne die Zufallsleistung zu beeinträchtigen, aber SMR ist anders“, sagte Rick Galbraith, Distinguished Engineer im HDD-Geschäft von Western Digital.
UltraSMR ermöglicht die Codierung über einen viel größeren Bereich als in der Vergangenheit, und seine sequentielle Natur, die früher als Hürde angesehen wurde, bietet jetzt neue Möglichkeiten für intelligentes Datenhandling.
Um Fehler zu beheben, kombiniert das Engineering-Team Datenblöcke mit Redundanzinformationen, um Codewörter zu generieren. Je größer die Codewortgröße ist, desto perfekter kann ein Fehlerkorrekturcode sein. Mit teilweiser Redundanz, die eine ganze Spur abdeckt, ist dies eine neue Welt für Fehlerkorrekturalgorithmen, die gleichzeitig leistungsfähiger und effizienter sein können.
Darüber hinaus trägt der größere räumliche Bereich von UltraSMR dazu bei, das Signal-Rausch-Verhältnis der Festplatte auszugleichen, indem es über einen größeren Bereich verteilt wird, um etwaige Defekte zu verdünnen.
“Die [UltraSMR] Der Vorteil liegt in der Signalverarbeitung beim Zurücklesen“, sagte Mitchell. „Fehler spontan beheben, was vorher nicht möglich war.“
Die Ermöglicher
Bei UltraSMR geht es nicht nur um eine einzelne Technologie. Es ist eine Ansammlung von Hardware-, Software- und Firmware-Fortschritten, die es den entsprechenden Teams ermöglichten, die bahnbrechende Kapazität zu erreichen. Zu diesen Technologien gehören zweidimensionale magnetische Aufzeichnung (TDMR), Soft-Track Error Correction Code (sTECC), Distributed Sector (DSEC) und OptiNAND™, die alle für die Zusammenarbeit entwickelt wurden.
Zweidimensionale magnetische Aufzeichnung (TDMR) bezieht sich auf das Hinzufügen eines zweiten Lesegeräts an jedem Arm, der über der Medienoberfläche hängt. Dies trägt dazu bei, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern und zu vermeiden, dass die Daten auf einer gewünschten Spur mit dem verwechselt werden, was auf benachbarten Spuren geschrieben ist.
„TDMR ist der Unterschied zwischen einem und zwei Augen“, erklärt Galbraith. „TDMR ermöglicht eine Tiefenwahrnehmung und eine bessere Beurteilung dessen, was betrachtet wird, und reduziert die elektrischen Rauschkomponenten des Lesesignals.“
In der Natur können Menschen viel mehr Informationen über ihre Umgebung erhalten, wenn die Sinnesorgane verdoppelt werden. Zwei Augen statt einem ermöglichen die Tiefenwahrnehmung. Zwei Ohren statt einem helfen festzustellen, in welche Richtung ein Raubtier lauert.
Bei der Signalverarbeitung ermöglicht TDMR dem Controller und der Firmware, die gelesenen Signale zu kombinieren, um Off-Track-Rauschen herauszufiltern und Störungen zwischen den Spuren besser zu unterdrücken.
Intelligentere Algorithmen
Viele der Fortschritte von UltraSMR werden durch bahnbrechende Fehlerkorrekturalgorithmen und -prozesse ermöglicht.
„Ohne einen Fehlerkorrekturcode kann man nichts bauen“, sagte Galbraith. „Wir fügen Redundanz hinzu, um Codewörter zu bilden. Ein Codewort ist die Kombination eines Datenblocks mit einer Art Paritätsredundanz, die Fehler erkennen und korrigieren kann“, erklärte er. Wie diese Codewörter konstruiert und entschlüsselt werden, ist ein Spielplatz ständiger Innovationen.
Soft-Track Error Correction Code (sTECC) ist ein Codierungsmechanismus, der es Western Digital ermöglichte, a 20 TB SMR-Produkt im Jahr 2020. Es fügt eine Fehlerkorrekturparität innerhalb von Tracks hinzu, wobei ein kleines Stück Immobilien verwendet wird, um die Datenintegrität zu überprüfen.
UltraSMR mit sTECC führt Parität ein, indem ein Korrelationsschema hinzugefügt wird, bei dem der Lesekanal analysieren kann, ob die Daten zu 100 % korrekt sind. Galbraith beschreibt es als „Ausnutzen des Lösens einer Reihe separater Rätsel, indem Informationen verwendet werden, die die Rätsel miteinander verbinden“.
Die Kombination der Codierung großer Blöcke mit diesem fortschrittlichen Fehlerkorrekturalgorithmus ermöglicht es Ingenieuren letztendlich, die Track-per-Inch (TPI) zu erhöhen und höhere Kapazitäten bereitzustellen.
Mehr Coding-Innovation
Als nächstes kam Distributed Sector (DSEC), eine Innovation, die Daten über eine Gruppe von Sektoren verteilt, sie auseinander bricht und sie über mehrere Sektoren hinweg neu schreibt, um jeden Fehler über die gesamte Strecke zu mitteln. Es ist wie bei einem diversifizierten Aktienportfolio oder einem Investmentfonds, bei dem man nicht alle Eier in einen Korb hat. Da eine Erhöhung der Kapazität bedeutet, dass die Spuren näher zusammen geschrieben werden, ermöglicht das Verteilen von Daten über viele Sektoren das Mitteln des Signalrauschens und das Reduzieren des Spielraums für jeden Positionierungsfehler zwischen geschriebenen Spuren.
„Logische Sektoren sind physisch auf viele physische Sektoren verteilt“, erklärt Galbraith. „Physische Defekte werden auch logisch in viele logische Sektoren verteilt. Beide Eigenschaften ermöglichen, dass die logischen Sektoren korrigierbarer werden.“
Wenn Daten über die gesamte Spur verteilt werden, wird im Wesentlichen jeder Fehler auch in kleineren Abschnitten verteilt. Dadurch können Daten leichter abgerufen werden, anstatt vollständig verloren zu gehen.
„Das Tolle am verteilten Sektor ist, dass er gebührenfrei ist; Es ist kein Overhead erforderlich“, sagte Galbraith. „Sie erzielen gute Gewinne aus der Tatsache, dass Sie keine Redundanz hinzugefügt haben und es zu 100 % effizient ist.“
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Innovation über HDD und Flash
Das letzte Stück des UltraSMR-Puzzles war die Einführung von OptiNAND, eine Technologie, die HDDs mit in das Laufwerk eingebettetem Flash verbessert.
Die Technologie ist einzigartig bei Western Digital und wird durch die Herstellung und vertikale Integration seiner HDD- und SSD-Engineering-Teams erreicht. Seine Erfinder, einschließlich David HalleDistinguished Engineer bei Western Digital, begann bereits 2015, noch vor der Übernahme von SanDisk durch Western Digital, über neue Möglichkeiten zur Verwendung von NAND nachzudenken.
OptiNAND verbessert die Festplattenkapazität und -leistung, indem es Metadaten in einem nichtflüchtigen Flash statt auf rotierenden Medien speichert.
So wie der Bau eines Hauses einfacher ist, wenn Sie mit Bauplänen beginnen, verwendet OptiNAND nichtflüchtigen Speicher, um die Zuverlässigkeit der auf der Festplatte gespeicherten Daten zu verbessern. Die Paarung ermöglicht eine Verengung der Schreibspuren, während eine Speicheroption verwendet wird, die weit mehr Cache speichern könnte als DRAM oder NOR-Flash, um die Leistung zu steigern.
Die ultimative Zusammenstellung für Kapazitätsführerschaft
Die Integration dieser Technologien im Laufe der Zeit hat UltraSMR zum Tragen gebracht und seine erheblichen Kapazitätsgewinne gegenüber CMR und SMR erzielt.
Wenn SMR ein Schindeldach ist, dann ist UltraSMR ein Strohdach mit einem besseren Gewebe, das es stärker macht und einen Sturm überstehen kann.
“Es ist eine Teamleistung”, sagte Mitchell. „Die ursprüngliche Idee der Innovation durchläuft eine Transformation, die sie Wirklichkeit werden lässt. Auf seinem Weg wird eine große Gruppe von Weltklasse-Ingenieuren mit unterschiedlichen Fachgebieten benötigt, um die neuen Funktionen zu schreiben und in den bestehenden Kundencode zu integrieren.“
Die Zusammenarbeit zwischen Hardware-, Servomechanik-, Fertigungs- und Firmware-Teams trug zum Debüt von UltraSMR bei. Firmware-Ingenieure wurden beauftragt, die neuen Innovationen in den Code zu integrieren und sicherzustellen, dass sie alle zusammenarbeiten würden.
„Durch die sorgfältige und schrittweise Kombination der Innovationen in den letzten 10 Jahren konnte Western Digital weiterhin Festplatten anbieten, die unseren hohen Qualitätsstandard beibehalten. Das Ingenieurteam, das dies möglich gemacht hat, gehört zu den besten in unserer Branche, und ihr innovatives Denken und ihre globale Zusammenarbeit im gesamten Unternehmen mussten stattfinden, damit alles in einem System zusammenarbeitet“, sagte Mitchell.
Mit dieser Art von Teamwork ist das Unternehmen auf dem Weg zu 50 TB, indem es weiterhin Grenzen verschiebt, die Kapazitätssprünge machen. Es geht um inkrementelle Schritte, um zu verstehen, wie verschiedene Technologien auf wirkungsvolle Weise zusammenkommen, und um eine klare Roadmap für die Zukunft von HDDs