Seagate SMR: Công nghệ cho phép ổ cứng vượt ngưỡng 5TB

Hôm thứ hai vừa rồi, Seagate công bố với báo giới rằng hãng này đã bán được hơn 1 triệu ổ cứng hoạt động dựa trên nền công nghệ SMR mới với tiềm năng “vượt rào” 5TB vào năm tới và thậm chí là vượt ngưỡng 20TB vào khoảng 2020.

Mặc dù ngày nay, dung lượng của các thiết bị lưu trữ mà người dùng có thể tiếp cận đã tiến rất – rất xa so với cái thời của đĩa mềm floppy disk hay CD của thập kỉ trước, thế nhưng với nhu cầu ngày càng tăng nhanh dành cho các nội dung số chất lượng cao, tốc độ phát triển chóng mặt từ vài chục MB của ngày trước tới hàng TB của các thiết bị lưu trữ ngày nay có vẻ như chưa bao giờ là đủ. Tuy nhiên, cũng tương tự với việc các công nghệ chế tạo chip nhớ NAND cũ đang gặp khó khăn với giới hạn thu nhỏ của các bóng bán dẫn (cũng là động lực để Samsung phát triển V-NAND mới công bố gần đây), mặt trận lưu trữ từ tính cũng đang vấp phải các khó khăn tương tự với mật độ dữ liệu trên các phiến đĩa.

 

Các giới hạn cũ

Theo Seagate, công nghệ ghi từ tính trực giao Perpendicular Magnetic Recording hay PMR hiện đã đạt giới hạn của nó, và việc tăng mật độ track dữ liệu trên các phiến đĩa sử dụng công nghệ ghi này đã sắp trở thành việc bất khả thi. Với giới hạn lưu trữ lí thuyết 1TB/inch vuông để đảm bảo độ tin cậy và tốc độ truy xuất dữ liệu của các công nghệ lưu trữ từ tính, việc tạo ra các ổ cứng có dung lượng trên 4TB mà vẫn sử dụng PMR là cực kì khó khăn. Thực tế, Seagate cho biết model ổ cứng với dung lượng lớn nhất hiện nay của họ đã đạt mức mật độ 625GB/inch vuông, nói cách khác giới hạn 1TB hiện không còn quá xa nữa.

 

Trên nền công nghệ PMR, dữ liệu trên các ổ cứng được ghi lên các phiến đĩa chứa các track dữ liệu với kích thước khoảng 75nanomet (nhỏ hơn một virus cúm). Công nghệ PMR được Seagate giới thiệu lần đầu trên các ổ Barracude vào năm 2007, với mật độ dữ liệu 250GB trên mỗi phiến đĩa. Như đã nói con số này sẽ nhanh chóng đạt ngưỡng 1TB chỉ trong những tháng sắp tới. Theo như các tính toán của Seagate, con số này chỉ tương đương với lượng dữ liệu mà một hộ gia đình tại Mỹ tạo ra mỗi tháng thông qua các thao tác như streaming, tạo tài liệu, chụp ảnh và chia sẻ nhạc. Thậm chí hãng còn dự đoán rằng nhu cầu này sẽ tăng tới hơn 20 lần chỉ trong vòng 2 năm tới, đồng nghĩa với việc một giải pháp thay thế hiệu quả cho PMR là hết sức bức thiết.

Vì vậy công nghệ ghi mới mà hãng này đang quảng bá - shignled magnetic recording (tạm dịch: cơ chế ghi từ tính xếp lớp) hay SMR được cho biết sẽ là một trong những bước tiến quan trong nhất trong lĩnh vực lưu trữ từ tính. Kình địch của Seagate – Western Digital – cũng đang có những nỗ lực tương tự với công nghệ ghi từ tính trợ nhiệt – Heat-assisted magnetic cording, với cốt lõi nằm ở việc sử dụng khí helium thay cho không khí trong các mẫu ổ cứng sắp ra mắt vào năm tới.

"Với những cải tiến mà SMR đem lại, mục tiêu sắp tới của Seagate là tăng giới hạn mật độ lên 25% - hay đạt ngưỡng 1.25TB trên mỗi phiến đĩa, giúp tạo ra những mẫu ổ cứng với mức chi phí/gigabyte thấp nhất đồng thời đạt ngưỡng 5TB hay thậm chí là cao hơn thế nữa”. Giám đốc công nghệ Mark Re của Seagate phát biểu.

 

Hiện tại Seagate từ chối cung cấp thông tin về các mẫu ổ cứng đã được ứng dụng SMR, ngoại trừ việc nói mập mờ rằng các hãng lắp đặt hệ thống và PC được cung cấp các mẫu này đã được cho biết rằng họ đang sử dụng SMR.

Căn bản về SMR

Cơ chế đằng sau SMR khá đơn giản. Thay vì được đặt nối tiếp nhau như trên các phương pháp ghi truyền thống, các track dữ liệu trên ổ cứng sử dụng SMR sẽ được xếp lớp chồng lên nhau như khi ta lợp mái ngói, vì thế cho phép tăng mật độ track dữ liệu trên một đơn vị diện tích lên khá nhiều.

Cơ chế ghi truyền thống.

Trước đây, giới hạn về mật độ xuất hiện khi Seagate và các hãng sản xuất thiết bị lưu trữ khác không thể tiếp tục thu hẹp khoảng cách giữa các track trên một phiến đĩa. Dĩ nhiên khoảng cách này nhỏ, số lượng track mà ta có thể “nhồi nhét” lên một phiến đĩa càng tăng, đồng nghĩa với việc tăng dung lượng lưu trữ. Nhưng khoảng cách quá nhỏ sẽ dễ dàng dẫn đến hư hỏng dữ liệu, lỗi độc.v.v., xuất phát từ việc các đầu đọc ghi không thể phân biệt rõ ràng các track như khi khoảng cách còn đủ lớn. Tuy có thể tạm thời khắc phục việc này bằng các vùng đệm (buffer) giữa các track để tăng độ chính xác cho đầu đọc, nhưng cái gì cũng có giới hạn của nó.

Một phương pháp khác để tăng dung lượng HDD mà nhiều người thường nghĩ tới là… tăng số lượng phiến đĩa. Nhưng cầm một ổ 3.5” trên tay đã đủ cảm thấy cồng kềnh, liệu có ai muốn mua một ổ cứng với chiều cao hàng…chục cm?

Quy trình xếp lớp

Phần ghi trên các đầu đọc/ghi của các ổ đĩa là nhân tố quyết định kích thước track dữ liệu, bởi các dữ liệu sẽ được đưa lên track từ phần đầu ghi này. Nó cũng thường lớn hơn đầu đọc bởi còn phải được tích hợp các công nghệ để ghi dữ liệu từ tính. Trên các ổ sử dụng SMR, track tiếp theo sẽ được xếp chồng lên phần chênh lệch kích thước giữa đầu đọc và đầu ghi của track trước, chỉ để hở lại phần dữ liệu cần được đọc để sau này đầu đọc có thể tìm đến. Nói cách khác cơ chế xếp chồng dựa trên sự chênh lệch giữa đầu đọc và đầu ghi của ổ đĩa.

Xếp lớp dựa trên chênh lệch kích thước giữa đầu đọc/ghi.

Theo như Seagate, với phương pháp xếp lớp này, các dữ liệu cần thiết vẫn có thể được đọc khỏi đĩa mà không làm giảm độ toàn vẹn hay tin cậy của dữ liệu. Phó giám đốc của tổ chức nghiên cứu thị trường dữ liệu IDC – John Rydning cho biết: “Ngành công nghiệp HDD đang phải gánh trên lưng mức tăng trưởng dữ liệu lên tới hơn 30% mỗi năm, trong khi mật độ lưu trữ trên các ổ HDD chỉ đang tăng ở mức thấp hơn 20% mỗi năm. SMR sẽ là giải pháp hiệu quả để thu hẹp khoảng cách này đồng thời vạch ra một hướng đi đơn giản, kinh tế hơn trong việc tạo ra các mẫu HDD với dung lượng cực cao”.

Thao tác ghi lại có thể tình cờ làm hỏng một phần dữ liệu vừa được ghi.

Tuy nhiên Seagate cũng phải thừa nhận một số hạn chế, chẳng hạn như SMR chỉ hoạt động hiệu quả nhất trên các ổ cứng mới, khi mà các track được ghi theo đúng tuần tự. Khi tuổi đời ổ cứng đã quá cao, các track cũ thường xuyên bị ghi đè, quá trình xếp chồng có thể tình cờ đè lên một track dữ liệu vừa mới được ghi và không may phá hủy nó.

Quản lí theo từng cụm track.

Để tránh tình trạng này, thao tác xếp lớp sẽ được thực hiện trên từng band – hay cụm track. Quản lí theo cụm sẽ giúp SMR xử lí tốt hơn các thao tác rewrite (ghi lại) và tăng hiệu năng làm việc bằng cách nhóm các khu vực mà track dữ liệu thường xuyên cần được ghi lại vào với nhau.

Tham khảo:computerworld, anandtech