Прогресс собственно жестких дисков — если не учитывать повышение интеллекта их котроллеров и переход к объектным решениям на системном уровне — происходит в следующих направлениях: диски становятся компактнее, увеличивается их емкость и скорость доступа к данным. Уменьшение геометрических размеров станет возможным благодаря переходу к вертикальной записи и интерфейсу Serial Attached SCSI.

 

Вертикальная запись

Одним из решений, обеспечивающих дальнейшее ежегодное удвоение плотности записи и открывающих возможности для совершенствования физики дисков на ближайшее десятилетие, станет переход от параллельной к перпендикулярной записи. Различие двух методов записи состоит в том, каким образом ориентированы магнитные домены на дисковой пластине — горизонтально или вертикально.

В любом случае носителями двоичных чисел являются магнитные домены, сгруппированные в так называемые «зерна». Основной характеристикой способа записи является его интегральная плотность (areal density), которая складывается из произведения линейной плотности, определяемой числом битов на один дюйм дорожки (Bits per Inch, BPI), на количество дорожек на дюйм диаметра (Tracks per Inch, TPI). При заданной скорости вращения для увеличения интегральной плотности в четыре раза достаточно удвоить как TPI, так и BPI. На самом деле процесс увеличения плотности вовсе не так линеен: на уменьшение зернистости оказывают влияние и увеличение скорости вращения дисков, необходимое для повышения скорости обмена данными, и снижение соотношения сигнал/шум, и другие физические факторы. Наблюдавшийся квазилинейный рост оставался возможным до того момента, пока технологии не подошли вплотную к суперпарамагнитному пределу, который делает невозможным последующее увеличение плотности традиционными методами. Суть этого ограничения состоит в том, что миниатюризация зерен рано или поздно приводит к тому, что носитель теряет свою стабильность и превращается в хаотически расположенное множество намагниченных частиц, произвольным образом изменяющих свою направленность. Суперпарамагнитный эффект возникает в том случае, когда энергия, необходимая для изменения магнитного момента, становится сравнимой с термической окружающей среды.

Современные технологии параллельной записи основываются на двух типах эффектов, эффекте супермагниторезистивности (giant magnetoresistive, GMR) и туннельном магниторезистивном эффекте (tunnel magnetoresistance, TMR). И TMR, и GMR являются средствами для совершенствования линейной записи, но их возможности приблизились к так называемому «суперпарамагнитному пределу». Для сохранения нынешних темпов роста плотности необходим переход к вертикальной записи, где домены ориентированы не вдоль поверхности дисковой пластины, а ортогонально ей (рис. 1), следовательно, их можно упаковать плотнее.

Рис. 1. Горизонтальная (слева) и вертикальная (справа) запись

Простота такого решения является кажущейся. В действительности же замена одного типа записи другим связана с преодолением серьезных технических проблем. В частности, необходимо обеспечить меньшую высоту полета головки и придать головкам специальную конструкцию, которая бы обеспечивала именно вертикальную запись, а в качестве подложки должен использоваться специальный мягкий с точки зрения магнетизма материал. Так или иначе, по прогнозам, уже в 2007 году эти сложности будут преодолены, и на рынок начнут поступать жесткие диски с вертикальной записью.

Сериализация SCSI

Первая версия параллельного интерфейса SCSI была представлена компанией Shugart Associates в 1979 году под именем SASI (Shugart Associates System Interface). После доработки совместно с отделением корпорации NCR, которое сегодня существует как самостоятельная компания Engenio, в 1986 году он был принят в качестве стандарта ANSI. Как у любой параллельной шины, пропускная способность SCSI равняется произведению тактовой частоты шины на размер порции данных, передаваемой за один такт. В первых версиях ширина шины составляла один байт, а частота — 5 МГц, соответственно пропускная способность равнялась 5 Мбайт/с. В наиболее «продвинутой» версии Ultra320 SCSI порция из 2 байт передается на частоте 80 МГц. С учетом использования удваивающего пропускную способность алгоритма DDR скорость передачи данных достигла 320 Мбайт/с*.

К 2001 году, после двух десятилетий постоянного усовершенствования параллельного варианта SCSI, стало очевидно, что ресурсы этого интерфейса исчерпаны. Тогда, в осознании приближающего тупика, группа компаний-производителей жестких дисков организовала «мозговой штурм» с участием ведущих экспертов отрасли. Результатом этой акции стали предложения по созданию нового интерфейса — Serial Attached SCSI. В дальнейшем эти предложения были переданы в технический комитет ANSI INCITS T10, где к 2003 году они были доведены до стадии стандарта ANSI. Решение не было неожиданным. Ранее в форме SATA был сериализован интерфейс ATA, причем признание этого интерфейса произошло подобно взрыву; с не меньшей скоростью завоевал признание интерфейс USB.

Чем же вызвана волна стремительной замены параллельных интерфейсов последовательными? Что за этим стоит, ведь еще на памяти замена старых последовательных интерфейсов параллельными? Как ни странно, но потребовались годы, чтобы осознать, что параллелизм оказался временным решением. Сначала казалось, что замена одного провода несколькими в соответствующее число раз увеличивает скорость. Появление плоских кабелей воспринималось как высокое техническое достижение. Однако, хотя повышение эффективности при параллельной передаче данных, казалось бы, лежит на поверхности, у этой технологии есть серьезный органический дефект: она обостряет проблему синхронизации. Можно до определенного предела наращивать скорость передачи, повышая частоту шины, но за этим пределом издержки на синхронизацию превышают преимущества параллелизма. На самом деле параллельная шина работает только в те короткие моменты времени, когда поступают внешние синхроимпульсы, все остальное время она попросту простаивает. Последовательный канал по определению предполагает включение разделительных меток внутрь передаваемых данных, данные идут единым потоком, поэтому есть возможность для полного использования пропускной способности канала. Примерно такая же проблема свойственна современным процессорам, пагубность синхронизации обнаружилась, когда тактовая частота стала измеряться мегагерцами. К счастью, задача замены параллельных интерфейсов последовательными намного проще, чем замена синхронных процессоров асинхронными. В результате уже сегодня диски SATA II емкостью до 500 Гбайт способны передавать данные со скоростью, достигающей 3 Мбит/с.

Топология SAS отличается оригинальностью: ее можно представить как сеть, но без коммутации, сеть, функционирование которой поддерживается контроллерами дисков и хостов (Target Initiator), а также специальными устройствами Expander, Fanout и Edge. В совокупности они образуют домен SAS, термином SAS Domain называют сеть устройств и пространство уникальных и World Wide Names (WWN), уникальных идентификаторов. Всего в домене SAS может быть до 16256 устройств.

В данный момент скорость передачи данных по интерфейсу SAS составляет 3 Гбит/с, в ближайшее время этот показатель обещает вырасти до 6 Гбит/с, а к 2010 году — до 10 Гбит/с. Отличительная черта SAS состоит еще и в том, что коннекторы к дискам имеют несколько вариантов исполнения. Среди них: SFF 8482, совместимый с коннектором SATA, SFF 8470, совместимый с Infiniband, и SFF 8088, обеспечивающий передачу со скоростью 10 Гбит/с. SAS поддерживает транспортные протоколы Serial SCSI Protocol (SSP) и Serial ATA Tunneling Protocol (STP), при совместимости коннекторов это позволяет совмещать в одном накопителе диски разных типов.

Дальние рубежи

Дальнейшее уплотнение записи перпендикулярной записи станет возможным с внедрением технологии HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording). Из названия следует, что технология эта предполагает вспомогательный нагрев, который осуществляется с помощью лазера (за 1 пикосекунду область записи нагревается до 100 ?C). По разным оценкам, плотность записи может возрасти на один или два порядка; есть основания надеяться, что к 2010 году возможно достижение показателя 5 Тбит/кв. дюйм.

Радикальное повышение плотности станет возможным, если уменьшить область хранения одного бита данных до одного домена; в таком случае частицы будут выстроены в битовый массив (Bit Patterned Media). Теоретически существует два альтернативных решения, которые позволили бы этого добиться, одно — на основе специальных методов литографии на поверхности диска, другое — путем создания соответствующей структуры материала.

Рис. 2. Дисковые нанотехнологии

По первому пути идут исследователи из лаборатории IBM в Алмадене совместно с коллегами из Стэнфордского университета. Они нашли способ нанесения магнитной маски на поверхность диска. Для этого под очень большим давлением полимер припечатывается на основу из оксида кремния и далее сложным образом обрабатывается. Второй путь избрали компании Hitachi и Seagate. В Hitachi (рис. 2) новую технологию именуют Patterned Magnetic Media, а в Seagate аналогичная технология получила название Self-Ordered Magnetic Array (SOMA). В том и другом случае идея заключается в создании такого носителя, структура которого задавалась бы не извне, как в случае литографии, а собственными свойствами материала. В Seagate работают со сплавом FePt, который позволяет поучать идеально ровную ячеистую структуру с размером ячейки в несколько нанометров.

Из «невращающихся» альтернатив жестким дискам наиболее близкой является неразрушаемая память на основе технологии, используемой для флэш-накопителей, а в более отдаленной перспективе — технология PST (Probe Storage Technology), представляющая собой массив сканирующих микроскопов (atomic force microscope, AFM).

 

Вертикальная запись

Перспективность техники вертикальной записи известна хорошо и давно. Впервые этот метод был предложен еще в XIX веке пионером магнитной записи Вольдемаром Поульсеном. А в 1955 году, т. е. параллельно с проектом RAMAC, ставшим родоначальником современных дисков, также в корпорации IBM стартовал проект ADF, в котором предполагалось использовать именно вертикальную запись. Проект должен был обеспечить в десять раз большую емкость и в десять раз меньшее время доступа. Диск ADF предназначался для системы резервирования билетов Airlines Airline Reservations System (Sabre), а также для оборонного суперкомпьютера Stretch. В августе 1959 года был собран опытный образец диска ADF (IBM 1301), но уже в следующем году работы по этой тематике были свернуты. Оказалось, на уровне развития технологий, доступном в 60-е годы, линейная запись обеспечивала более высокую надежность, ей и было отдано предпочтение. Заслуга реанимация идет перпендикулярной записи принадлежит японскому ученому Шуничи Иваски; он в 1976 опубликовал результаты своих исследований и тем самым стимулировал новую волну разработок.

* В отличие от параллельных шин в последовательных соединениях, таких как Serial Storage Architecture (SSA), Fibre Channel (FC-AL) и Serial Attached SCSI (SAS), данные передаются порциями по одному биту. Поэтому скорость измеряется в Мбит/с; кроме того, в них может не быть фиксированной тактовой частоты.