12 лет назад 28 декабря 2006 в 1:48 95

Жесткие диски не претерпевали каких-либо технологических скачков в развитии очень много лет. Однако используемая продольная технология хранения данных за полвека все же успела себя исчерпать, рост плотности записи приостановился. Для продолжения наращивания емкостей накопителей была разработана новая технология перпендикулярной записи, которая станет стандартом на ближайшие несколько лет.

Для того чтобы понять, что такое перпендикулярная запись и что она дает, нам придется хотя бы в общих чертах разобраться с тем, каким образом работают диски с продольной записью. Мы постарались максимально доступно объяснить принципы магнитной записи, тем не менее полностью избежать употребления некоторых специфических терминов и понятий нам не удалось.

ПРОДОЛЬНАЯ ЗАПИСЬ
Запись информации на магнитный слой происходит благодаря тому, что любой магнитный материал состоит из доменов (областей, внутри которых магнитные моменты всех атомов могут быть направлены в одну сторону), имеющих большой суммарный магнитный момент, а также благодаря тому, что направление этого магнитного момента можно изменять воздействием внешнего магнитного поля. Именно направлением домена кодируют логические состояния – ноль или единицу.

Материалы, из которых делают диски, имеют резко выраженный анизотропный характер магнитных свойств. Это означает, что существуют направления труднейшего и легчайшего намагничивания (легкая ось). В дисках с технологией продольной записи легкая ось лежит в плоскости записывающего слоя. Намагничивание доменов, то есть запись информации, происходит посредством воздействия на поверхность дисков краевым магнитным полем. Чтение осуществляется магниторезистивной головкой, которая отслеживает изменение вектора намагничивания.

В случае, когда две соседние области на диске имеют противоположные моменты, домены, расположенные на границе этих областей, могут потерять стабильность и произвольно изменять направление. Как следствие этого эффекта при считывании возникнут шумы. До приемлемого уровня шумы снижаются путем включения большого числа доменов в каждый бит.

Именно эта технология была разработана в одной из лабораторий IBM полвека назад. Жесткий диск оказался отличной альтернативой медленным магнитным лентам и перфокартам. Тогда всего за три года лаборатория под руководством Рейнольда Джонсона создала первый в мире накопитель на жестких дисках IBM 350 Disk File, который в 1956 году вошел состав IBM RAMAC (аббревиатура от Random Access Method of Accounting and Control).

Агрегат размером с бытовой холодильник вмещал 50 дисков диаметром 24 дюйма. Диски имели две рабочие поверхности по 100 дорожек на каждой и вращались с частотой 1200 об/мин. Среднее время доступа составляло около одной секунды, а скорость линейного считывания немного не дотягивала до 9 кб/с. Плотность записи составляла 2 килобита на квадратный дюйм, то есть накопитель обладал емкостью около 5 Мб.

Совершенствование технологических процессов позволило за 50 лет увеличить плотность записи в 60 млн раз. Рост емкостей жестких дисков подчинялся закону Крайдера, провозглашавшему экспоненциальное изменение плотности записи. И только сейчас предел технологии оказался достигнут.

СУПЕРПАРАМАГНИТНЫЙ ПРЕДЕЛ
Плотность записи определяется произведением двух параметров: линейной плотности (плотность на один дюйм дорожки – bits per inch, BPI) на количество дорожек, приходящихся на каждый дюйм диаметра (tracks per inch, TPI). Для повышения емкостей носителей нужно увеличивать либо площадь рабочей поверхности (читай – диаметр и число дисков), либо плотность записи. Первый путь приводит к усложнению накопителей, а значит, к снижению надежности и повышению их цены, второй же упирается в суперпарамагнитный предел.

Проблема в том, что при увеличении плотности записи рано или поздно начинает существенно уменьшаться устойчивость записанных данных к внешним воздействиям. Так, повышенная температура окружающей среды может привести к возникновению тепловых флуктуаций (случайных отклонений от состояния равновесия) в записывающем слое.

Для простоты лучше описать ситуацию для одиночного магнита. В магнитном поле магнит выстраивается вдоль силовых линий поля. Выведенный же из состояния равновесия, он начинает колебаться и при затухании колебаний возвращается в исходное состояние в соответствии с направлением силовых линий поля. При повышении температуры микроскопический магнит (домен в случае жестких дисков) может испытать случайные тепловые флуктуации и после затухания колебаний вернуться в положение вдоль силовых линий поля, но уже в противоположном направлении.

Вероятность этого напрямую зависит от размера магнита: чем меньше магнит, тем меньше нужно энергии, чтобы он смог изменить направление. Уменьшение физических размеров магнита (или домена) вдвое может привести к увеличению вероятности смены направления на десять и более порядков.
При дальнейшем уменьшении доменов вероятность изменения состояния резко возрастает, пропадает остаточная намагниченность и существенно падает магнитная проницаемость среды. Проще говоря, магниты начинают хаотично изменять направление, отчего ослабевает поле, нарушается порядок доменов, их суммарный магнитный момент становится ничтожно малым. Записанную информацию прочесть уже не удается, она теряется.

Этот эффект и называется суперпарамагнетизмом. Суперпарамагнитный предел сдерживает уменьшение количества доменов, используемых для хранения одного бита информации. На практике суперпарамагнитный предел зависит также от взаимодействия доменов, их распределения по размеру и в пространстве и от взаимодействия с внешними магнитными полями.

ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ ЗАПИСЬ
Одним из методов преодоления суперпарамагнитного предела оказывается перпендикулярная запись. В отличие от классических методов записи, когда магнитное поле генерируется записывающей головкой, парящей над диском с магнитным слоем, и частично проникает в записывающий слой, в устройствах с перпендикулярной записью магнитное поле генерируется между срезом полюса и подслоем из магнитомягкого материала. Этот подслой расположен ниже записывающего материала и фактически является частью диска. Такой подход позволяет намагничивать домены, легкая ось которых направлена перпендикулярно поверхности диска.

Как следствие, исчезает один из основных дестабилизирующих факторов продольной записи – размагничивание на границах битов (чтобы понять механизм этой проблемы, достаточно вспомнить, как ведут себя два магнита, которые мы пытаемся соединить, прикладывая их одноименными полюсами). При перпендикулярной записи конфигурация доменов оказывается более стабильной, к тому же эффект размагничивания проявляет себя еще слабее при увеличении толщины записывающего слоя, что попутно способствует теплоустойчивости. Зона перехода бит становится тоньше, а значит, увеличивается линейная плотность записи.

Вторым преимуществом перпендикулярной записи оказывается форма считываемого сигнала. Если рассмотреть диаграммы полей рассеивания, испускаемые средами для продольной записи и для перпендикулярной с подслоем, можно заметить, что для продольной записи сигнал исходит только из зон переходов, для перпендикулярной же записи поле исходит из эффективных магнитных зарядов, то есть сигнал присутствует во всей области чтения, а не только в зонах переходов.

Благодаря перпендикулярной записи разработчикам удалось несколько отодвинуть суперпарамагнитный предел. Мощное магнитное поле, возможность использования для записи толстой среды и ничтожно малое размагничивающее поле в зонах переходов позволяют повысить плотность записи еще на порядок. Далее суперпарамагнитный предел будет достигнут и для перпендикулярной записи, на смену которой, конечно, придет кардинально иная технология.

ГОТОВЫЕ РЕШЕНИЯ
Seagate была первой компанией, выпустившей винчестеры с перпендикулярной записью. Новая технология позволила после продольной топовой модели на 500 Гб выпустить сразу модель на 750 Гб. Остальные немногочисленные производители также выпустили накопители с перспективной технологией записи.

На тестирование к нам попали два перпендикулярных флагмана: 3,5-дюймовый Barracuda 7200.10 на 750 Гб и 2,5-дюймовый Momentus 5400.3 на 160 Гб. 500-гигабайтный представитель корпоративной линейки использует традиционную продольную запись, но отличается повышенной надежностью – для него заявлен один миллион часов наработки на отказ.

Seagate Barracuda 7200.10 (ST3750640AS)
Диски новой версии “рыбной” линейки выпускаются как с SATA-, так и с PATA-интерфейсами. При этом SATA-устройства доступны в диапазоне емкостей от 250 до 750 Гб, а PATA – от 80 до 750 Гб.
У протестированного нами накопителя четыре пластины, восемь головок и кэш-буфер объемом 16 Мб. Контроллер диска поддерживает SATA-II-интерфейс и технологию NCQ, в случае необходимости можно принудительно переключить режим работы интерфейса с 3 Гбит/с на 1,5 Гбит/с.

Seagate Momentus 5400.3 (ST9160821AS)
Мобильные винчестеры Seagate со скоростью вращения 5400 об/мин постепенно приобретают пластины с перпендикулярной записью. Это позволило накопителям достичь емкости в 160 Гб. В скором будущем появится 200-гигабайтная модель. Приводы для энтузиастов со скоростью вращения 7200 об/мин пока застряли на отметке 100 Гб. Как и в случае с Barracuda, Momentus выпускаются в версиях с PATA– и SATA-интерфейсами. Диски имеют буфер на 8 Мб. Производитель уверяет, что по уровню энергопотребления привод сравним с моделями со скоростью вращения 4200 об/мин, но на 50% их производительнее.

Seagate NL35 (ST3500641NS)
Как уже говорилось, NL35 – это линейка емких и надежных дисков для корпоративного использования. Приводы семейства выпускаются исключительно с SATA-интерфейсами, имеют кэш-буферы на 8 или 16 Мб и объем 250, 400 или 500 Гб. В наши руки попала старшая модель.

Как мы тестировали
Для оценки быстродействия винчестеров использовались три приложения:
1. Ziff-Davis WinBench 99 2.0 измерял время доступа к диску. Чем меньше результат, тем быстрее работает механика привода, тем быстрее считываются и записываются файлы небольшого размера или просто разбросанные по диску данные.
Остальные тесты из пакета были исключены по одной простой причине: WinBench 99 устарел и уже не способен учесть всех особенностей диска. Многократно выросшие скорости и объемы кэш-буферов приводят к ошибочным результатам.
2. Futuremark PC Mark 2004 Pro ver.1.3.0. В пакет включены четыре теста файловой подсистемы:
– Windows XP Startup – эмулирует последовательность обращений к диску во время старта операционной системы;
– Application Loading – реализует дисковую активность при последовательном открытии и закрытии Microsoft Word, Adobe Acrobat Reader 5, Windows Media Player, 3DMark 2001SE, Leadtek Winfast DVD, Mozilla Interner Browser;
– File Copying – реализует копирование файлов общим объемом около 400 Мб;
– General Hard Disk Drive Usage – симулирует работу дисковой подсистемы при параллельной работе нескольких приложений, когда происходит одновременно и чтение, и запись.
3. FC-Test 1.0 build 13. Тест осуществлял копирование и запись следующих паттернов:
– Install – 414 файлов общим объемом 575 Мб;
– ISO – 3 файла общим объемом 1,6 Гб;
– MP3 – 271 файл общим объемом 1 Гб;
– Programs – 8504 файла общим объемом 1,4 Гб;
– Windows – 9006 файлов общим объемом 1,06 Гб.
Паттерн в данном случае – это набор файлов, который создается на диске при тестировании скорости записи, этот же набор используется при считывании. Результат приводится в виде средней скорости чтения/записи паттерна. В операционной системе были остановлены все ненужные службы, перед запуском каждого теста система перезагружалась. Ввиду неактуальности файловой системы FAT32 тестирование проводилось только на 32-гигабайтных разделах, размеченных в NTFS. Между тестами диски не охлаждались.
/конец врезки

Конфигурация тестового стенда
Процессор – Intel Core 2 Extreme X6800 (2,93 ГГц, 1066 МГц, 4 Мб L2 кэш)
Материнская плата – Gigabyte GA-945GM-S2 (Intel 945G Express)
Оперативная память – 2x 1 Гб Corsair CM2X1024-6400
Жесткий диск – Seagate Barracuda 7200.7 120 Гб (IDE, 7200 об/мин)
Программное обеспечение – Windows XP Professional Service Pack 2

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВ
Тестируя приводы, нам хотелось выяснить, каким оказался эффект от перехода к технологии с более высокой плотностью записи – выявить принесенные ею преимущества или раскрыть недостатки, которые еще придется устранять производителям. Для получения более логичной картины среди дисков с продольной технологией записи мы выбрали продукты той же Seagate. Два 2,5-дюймовых накопителя: Momentus 5400.2 на 120 Гб и более быстрый Momentus 7200.1 на 100 Гб. Barracuda 7200.10 сравнивалась с NL35-накопителем.

Благодаря повышению плотности записи логичным кажется повышение линейной скорости чтения. Время поиска, однако, для нового вида записи может оказаться выше, чем для отработанной продольной технологии. К чести Seagate, опасения наши остались только опасениями – оба диска продемонстрировали отличные результаты в тестах времени поиска. 750-гигабайтный гигант переступил порог 9 мс, а мобильный носитель немного не дотянул до скоростного Momentus 7200.1.
В тестах линейного чтения Barracuda 7200.10 в начале диска считывает информацию со скоростью более 75 Мб/с, средняя скорость чтения по всему диску составляет 62 Мб/с.

При симулировании реальной нагрузки в PCMark04 и FC-Test приводы показывают блестящие результаты. Momentus 5400.3 при чтении оказывается практически безразличен к характеру нагрузки, то есть при переходе от крупных файлов к мелким теряет менее 25% производительности. Скорость считывания десктопного собрата “проседает” несколько больше. Однако же более интересно падение скорости при записи. Винчестеры с перпендикулярной записью при переходе к мелким файлам в скорости теряют несколько больше, нежели классические приводы. Между тем это не мешает им работать в целом быстрее накопителей с продольной технологией.

Суммарно Momentus 5400.3 по скорости оказывается сравним с Momentus 7200.1. Благодаря увеличившейся плотности записи закономерно увеличились скорости линейного чтения и записи. Малое время поиска при этом позволяет винчестерам резво “пережевывать” даже очень маленькие файлы. Сверхнадежный продольный NL35 ожидаемо оказывается устройством более заурядным. Накопитель продемонстрировал неплохие результаты во всех тестах при чтении, отличное время поиска и чуть более скромные результаты при записи. Такой диск будет оптимальным решением для хранения больших объемов данных с повышенными требованиями к сохранности.

Результаты тестирования

Futuremark PCMark04 Pro v. 1.3.0. FC-Test 1.0 build 13 (чтение, Мб/с) FC-Test 1.0 build 13 (запись, Мб/с) Ziff-Davis Winbench 99 2.0
XP Startup Application Loading File Copying General HDD Usage Overall Score Install ISO MP3 Programs Windows Install ISO MP3 Programs Windows время доступа, мс
NL35 500 Гб 7,842 6,207 45,646 4,808 4611 49,02 58,87 45,35 45,05 44,14 31,61 37,11 35,18 25,82 22,68 9,3
Barracuda 7200.10 750 Гб 8,534 6,542 52,075 5,119 5016 58,70 71,53 53,86 49,91 46,60 38,80 43,40 40,14 28,17 24,31 8,8
Momentus 5400.3 160 Гб 6,170 4,667 30,462 3,661 3403 38,93 42,87 37,13 35,51 34,40 26,02 28,65 27,28 19,72 17,88 11,7
Momentus 5400.2 120 Гб 6,347 4,947 26,497 3,788 3398 34,58 38,32 33,52 32,48 30,59 24,74 27,17 25,72 19,77 16,42 12,8
Momentus 7200.1 100 Гб 7,250 5,442 30,653 4,318 3852 39,59 44,13 39,16 37,15 35,01 26,62 31,42 28,77 20,35 15,86 11,3

ПРЕДЕЛ ПОДОЖДЕТ
Смена продольной записи перпендикулярной только начинается, но уже первые экземпляры накопителей с новой технологией демонстрируют отличную производительность. Новый метод записи позволил временно отодвинуть суперпарамагнитный предел, дав разработчикам еще несколько лет для создания новых методов хранения информации.