Носители данных. Что нам несет год 2015

Производители классических «винчестеров» и далее вкладывают огромные средства в развитие этой технологии, выжимая из нее все больше и больше производительности. Начиная свой путь с самого первого жесткого диска, весом в тонну и объемом 5 МБ — IBM 350, через 60 лет в массовое производство уже готовы поступать диски легко вмещающиеся на ладонь, имея на борту впечатляющие 10 ТБ. Наиболее передовая технология Shigled Magnetic Recording (SMR), по которой и будет производится первый анонсированный 10 ТБ жесткий диск, имеет существенный потенциал роста объема размещаемых данных, что позволит уже в ближайшие годы получить «винчестеры» объемом до 20 ТБ.

Данная технология весьма прогрессивна, ее применение позволило более эффективно использовать площадь самих металлических пластин размещенных внутри жесткого диска. Вместо того чтоб тратить ценную поверхность металлических дисков под разграничивающие элементы, отделяющие секторы записи, было принято решение пойти по другому пути формирования самой пластины. Благодаря наслоению множества шаров, материала который будет поддаваться перезаписи, удалось на четверть увеличить эффективность записи на диски, при этом цена производства такой «черепичной» структуры возросла незначительно. Но ликвидировав границы секторов, инженеры столкнулись с проблемой существенного падения скорости обработки информации накопителем, с которой еще только предстояло побороться.

Говоря о технологии SMR, нельзя не вспомнить об еще одной технической хитрости, после применения которой она действительно стала коммерчески успешной. Решить проблему с недостаточной скоростью чтения/записи «черепичной» структуры поверхности дисков удалось благодаря другой передовой разработке — Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR). Система двухмерной магнитной записи позволила устранить проблему размытости магнитного сигнала нанесенного на поверхность диска. Дело в том, что ранее, устранив четкие границы между отведенными под запись соседними полосами секторов на диске, с их частичным наложением друг на друга, головке считывающего механизма необходимо было тратить больше времени на получение однозначного результата в определяемом намагниченном секторе. Решением стало использование нескольких считывающих головок. Расширив область регистрации намагниченности диска стало возможным получить более детальную информацию о конкретном секторе. После математической обработки более целостного изображения снятых данных, инженеры устранили «магнитный шум» от соседних зон и получить однозначный результат за приемлемое время.



Третьим технологическим порывом для HDD стала разработка способа записи данных с предварительным нагревом сектора который поддается записи на носителе, этот метод получил название — Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR). Сама техника записи предусматривает размещение на пишущих головках новых «винчестеров» лазера, который будет, перед непосредственным намагничиванием, нагревать поверхность метала. Благодаря такому специфическому методу записи, в результате, инженерам удалось добиться повышения четкости намагниченности, что также позволило избавиться от лишних шумов и увеличить концентрацию записи. Массовое производство носителей данных, использующих принцип HAMR, ранее планировался компанией Seagate на 2015 году, но недавно эта дата была передвинута аж на 2017 год, видимо с технологией не все так гладко как это виделось в начале сотрудникам Seagate.



Тем временем, также, один из лидеров среди производителей носителей данных – компания Hitachi, пошла по несколько другому пути. Заменив в герметичном корпусе носителя привычный нам воздух на гелий, техники смогли существенно снизить вязкость среды, и это позволило размещать металлические диски ближе один к одному чем это было доступно когда либо ранее. Результатом такого решения стала возросшая вместимость всего носителя, при сохранившихся внешних габаритах.



Все последние нововведения делают носители данных — HDD весьма конкурентным на ИТ-рынке. Но и все более остро подымается проблема этой технологией. Сам первоначальный принцип, положенный в основу HDD – магнитная регистрация информации на пластины, фактически исчерпал себя целиком. Даже «черепичное» расположение перезаписываемых секторов и все ухищрения связанные с ним, вряд ли смогут через три-четыре года также успешно противостоять все более доступной и производительной технологии «флеш».

На протяжении двух последних десятилетий мы наблюдаем все набирающий скорость процесс развития флеш памяти. Становление этой технологии воистину схожее с яркой вспышкой света. Стекаясь множеством ручейков — технологий, из разных сфер технологического прогресса, в единое русло Solid-State Drive ( SSD ) результат на сегодняшний стал впечатляющим.



Еще одна технология, что должна дозреть в 2015 году это 3-х уровневая структура флеш — TLC. Когда заходит речь о флеш памяти, ячейка памяти обычно представляется как объект имеющий или не имеющий электрозаряд, что в привычном понимании приравнивается к двоичному коду 1 / 0. Инженеры-новаторы взглянули на дело немного под другим углом, откинув уставленную трактовку и задались вопросом, а что если начать рассматривать не просто наличие заряда в ячейке, а измерять сам диапазон напряжения, который она несет? Приравнивая конкретное значение напряжение к единице, а любой другой его диапазон к нолю, бинарной системы исчисления, можно также легко кодировать ячейки носителя данных. Правильно поставленный вопрос принес свои плоды. Благодаря тому, что используемые материалы поддерживают широкий диапазон напряжений, запись ячеек стало возможным делать более грубо, при этом сохраняя высокую читаемость сигнала.



MLC – данная много уровневая структура имеет четыре диапазона напряжения, что отвечают бинарному кодированию 00 / 01 / 10 / 11 – тем самым фактически являясь эквивалентом двух клеток первого уровня, то есть технология MLC позволяет увеличить плотность записи вдвое. Вспомнив о плюсах технологии, невозможно не вспомнить и о ее минусах. Создание чипов таким образом сопряжено с разными факторами: дополнительные затраты при производстве, процесс записи чтения данных при такой компоновке должен быть максимально точным. Ну и конечно ускоренная деградация ячеек памяти, в результате чего долговечность изделия будет идти в низ, а количество возникающих ошибок секторов возрастать.

TLC – способна оперировать восемью уровнями напряжения, комбинируя на всех трех уровнях комбинации из 1 / 0. Данная технология способна дать прирост размещаемой информации на носители на 50 % больше чем MLC. Проблема же тут скрывается в том, что сама структура носителя подвергается более кардинальным конструктивным изменениям нежели у MLC. Более сложная конструкция изделия несет в себе и существенно большую его стоимость и для того, что б такое решение могло достойно занять свое место на рынке рядом с конкурентами, должно пройти, по оценки специалистов, не менее пяти лет.



В данный момент в продаже уже представлены образцы накопителей созданные на основе объединения технологий NAND 3D и TLC. Характерным примером может послужить SSD накопитель объемом в 1 ТБ Samsung 850 EVO. Скорость запись / чтение носителя составляет около 530 МБ/с, при этом количество IOPS более чем 90 тысяч. Сочетая в себе большой объем, производительность, приемлемые габариты, надежность (гарантия от производителя на изделие составляет 5 лет), цена на SSD-чудо достигает $500.

Эксперты ожидают, что в 2015 производители носителей данных сделают основной упор на усовершенствование и оптимизацию технологии TLC. Основными точками усовершенствования TLC должны будут стать способы применения чипов и борьба за уменьшение ошибок возникающих в процессе чтения/записи ячеек. Один из перспективных путей устранения ошибок может стать чип разработанный инженерами компании Silicon Motion, имеющий три логических уровня подавления возникающих неоднозначностей.

Первый уровень Low Density Parity Check (LDPC) – это специально разработанный метод кодировки данных благодаря которому уже на самом первом этапе будет возможным устранить множество ошибок. Благодаря математическому алгоритму обработки данных, возможно будет гарантированно обнаруживать и устранять ошибки записи без особых потерь в производительности. Сама логика системы LDPC была разработан еще в 1960-х, но в силу слабости технических средств в полной мере реализовать ее потенциал не представлялось возможным. В 1990-х, когда объемы обрабатываемых даных достигли определенного, критического уровня, для LDPC настал звездный час. Найдя себя в сетях WI-FI, 10 Гб сетях, цифровом телевидении — алгоритм продолжил свою службу на благо SSD.

Кроме кодирования данных LDPC также может стать инструментом для отслеживания и корректировки напряжения электрозаряда массивов памяти, для более эффективного функционирования TLC. Электротехнические свойства полупроводников, и массивов формирующихся ими, со временем претерпевают некоторые изменения. Изменения могут быть как кратковременные, связанные с температурой, так и долговременные, связанные с деградацией материала. Основываясь на статистической информации, алгоритм LDPC, помогает свести возникновение ошибок, по выше приведенным причинам, к минимуму.

Такое наслаивание технологий позволяет компенсировать большенство минусов технологии TLC и делает ее более рентабельной. Самой большей не решенной проблемой SSD носителей, произведенных по технологии TLC, все еще является короткий срок службы ячеек записи. Учитывая все за и против, такие диски стали высоко востребованные для потребителей, что применяют такой вид памяти для информации, к которой часто происходят обращения и не претерпевает особых изменений.

На данный момент сложно увидеть потенциального конкурента связке флеш памяти и жестких дисков. Более того не видно даже серьезных работ нацеленных на поиск этого конкурента(ов). На рынке носителей данных, существует чрезвычайно большое соперничество, что вынуждает производителей техники работать с минимальной маржой, при этом выделять огромные средства на разработку кардинально новых способов хранения информации непозволительная роскошь. Весь научный прогресс направлен на более локальные задачи — модернизацию существующих решений, как результат, о революции носителей данных, в обозримом будущем, говорить не приходится.

Очевидно, что прогресс технологий не стоит на месте и конечно же мы доживем до того дня, когда повсеместно будут представлены технологии хранения данных существенно отменные от существующих. Будет это голографическая или полимерная память, использующая фазовый переход или это будут образцы на основе FeRAM сейчас не понятно. Ясно одно, что это все перспектива следующего десятилетия, ведь не стоит забывать, что от появления даже самой успешной разработки должно пройти как минимум несколько лет до того как она триумфально появится на прилавках магазинов. Соответственно все это время мы будем наблюдать уже привычные нам решения.



Хотя и сложно, с абсолютной достоверностью, в наше гиперактивное время утверждать, где окажется целая отрасль через 10 лет. При этом, основываясь на десятилетиях предшествующих, кое что можно предвидеть с полной уверенностью. С революциями или без них, будущее носителей данных будет двигаться в едином ключе: быстрее, дешевле, безопаснее, вместительнее, куда нас заведет этот путь, время покажет.