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机械硬盘闪存心 西部数据亮出革命性技术

2021-09-16 16:21:57来源:中存储
导读: OptiNAND技术未来将全面覆盖西部数据主流的大容量HDD,凡是使用大容量HDD的客户,包括云服务商、OEM厂商、企业级用户等。

信息爆炸时代,什么增长最快?几何级数增长的海量数据当仁不让,也带动着相关存储容量的持续增长。

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IDC 称,2020年,全世界创建或复制了约64ZB数据;未来五年所新生产的数据量,将是数字技术诞生以来,所有数据量的两倍多。高效、低成本的数据存储方式非常重要。得益于智能移动终端普及和PC小型化趋势,非易失性(NVM)存储产品在个人消费端市场占比快速提升,其容量需求在云存储等技术的平抑下,增长并不显著。而在企业及存储方面,面对持续快速增长的数据存储需求,哪怕到2025年,机械硬盘(HDD)仍将负责存储82%的数据,HDD产品的复合增长率也将高达25%。对于 HDD 技术的投资,仍是不断满足全球数据增长需求的关键。

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市场需求旺盛,是推动HDD单盘容量不断增长的外因,而其内在原动力,则是来在原厂技术升级。如今,HDD封装的碟片数量已经达到9张,继续增加困难重重,如此一来提升单碟容量提升,更具体的是提高磁道密度是直接可行的方式。

西部数据新近公布的OptiNAND技术,是其HDD技术与闪存技术的集大成者,将此前已经在HDD上得以应用的HelioSeal(氦气封装)技术、三阶寻轨定位系统(Triple Stage Actuator,TSA)、ePMR(能量辅助垂直磁记录)等技术,与上百层堆叠的3D TLC、嵌入式闪存等闪存技术纵向集成在一起,在不改变现有物理、电气及存储架构基础上,推出的全新HDD产品。

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西部数据公司HDD业务部首席技术官车晓东博士透露,西部数据已经开始向部分用户提供采用ePMR OptiNAND技术的20TB HDD产品,而采用这两项技术的HDD有望在未来5年达到50TB单碟容量,大大延长了PMR技术的生命周期,能够与SMR(叠瓦式)技术的产品形成更好的性能与容量差异化。

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西部数据公司HDD业务部首席技术官车晓东博士

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将NAND存储介质与机械硬盘相结合,同时获得SSD的速度与HDD的容量,SSHD产品是这一技术方向的早期尝试。这样新型的存储架构,对操作系统的运作是非常大的挑战,数据如何在两种存储介质之间“搬运”,又向谁发出、发出什么样的读写指令,依赖第三方驱动程序与新款OS配合的模式,严重影像了HDD产品的兼容性。

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OptiNAND的运作机制则完全不同,首先是它不存储“数据”。严格意义上来说,OptiNAND的嵌入式闪存iNAND不是数据存储装置,不存储任何用户数据。它存储的是硬盘操作的所谓元数据,是介质、操作、信号、数据甚至更多元素的混合体。

随着硬盘容量的不断增加,一方面逻辑扇区的数量线性增加,另一方面TPI(磁轨密度)与BPI(位线密度)增长实现了单碟容量增加,物理扇区寻址及读写稳定所依赖的数据量几何级数增长,传统HDD中Firmware(固件)所能存储的信息非常有限,相关数据早已转向存储于磁介质的特殊区域(类似于0磁道),操作延迟和性能水平可想而知。

例如可重复偏转(RRO),是位置误差信号中随着主轴旋转会重复出现的部分。RRO元数据在工厂的制造过程中产生,传统HDD将这些数据存储在碟片上,而OptiNAND技术则将它们存储在iNAND中,从而为用户释放磁盘空间并实现更快的数据访问速度。

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而昂贵的DRAM,为数据提供缓冲(Buffer)都还不够,哪有闲心存储这些元数据;同时,DRAM断电即丢失的易失性,也不能用来存储元数据。

在OptiNAND架构中,iNAND(嵌入式闪存盘,EFD)很好地平衡了容量/成本与非易失性之间的矛盾,转向存储于闪存介质上后,读写性能、延迟、容量都不再是问题。更理想的是,这样还带来了更好的OS透明特性,外部数据读写需求,无关硬盘内部运作方式,从OS到应用软件,均无需调整HDD运行机制,甚至连驱动程序都不用额外加载。

OptiNAND的架构,不禁让我们联想到多年前的Hybrid Drive及OneNAND(NV Cache)设想:DRAM做数据传冲,NAND做操作缓冲,高可靠性、长寿命甚至低功耗也是其主要特性。OptiNAND还提供了SLC(重写负载)与TLC(重读负载)的混合架构,可分别存储不同类型数据,并保持DRAM运作机制不变。技术领域殊途同归,如今相关产品还不见身影,而西部数据的OptiNAND产品已箭在弦上。

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除了取代碟片上的专门区域,成为元数据的存储介质,OptiNAND的加入还带来了诸多“意想不到”的技能二次加成:

iNAND的加入,在一定程度上简化了磁盘控制SoC的复杂度,数据与元数据分别置于碟片与NAND中,无需复杂的混合控制逻辑,SoC也能更专心地提升性能和优化控制;

加电后,NAND数据加载速度远高于HDD加速再读取相关信息,大幅减小了硬盘延迟;

NAND容量远高于DRAM,且具有非易失性,在紧急断电(EPO)情况下,元数据写回的时长更短,或可写回量更大,初期可保留的用户数据增加了近50倍;

更大容量的元数据可包括更高的磁数据记录的位置与精度信息,如三阶寻轨定位系统(Triple Stage Actuator,TSA)的三个Actuator独立控制信息,甚至可针对不同扇区的物理位置、磁头飞行高度、磁介质性能,逐一保存磁头读写信号强度;

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更高精度的定位及读写控制,又进一步推进存储密度提升与介质层面的性能提升;

通过优化固件缩短时延,主要在减少相邻磁道干扰(ATI)刷新次数,并减少写缓存启用模式下对写缓存刷写的需求。

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OptiNAND技术的出现,在很大程度上改变了HDD产品的容量/时间发展趋势,另外,在EAMR(能量辅助存储,如HAMR热辅助、MAMR磁辅助存储)技术成熟前,保持HDD容量及性能持续增长。某种意义上说,使HDD拉开了与SSD的容量差异、缩小了性能差异,用更好的容量性能比、容量价格比,持续满足不断增长的数据存储需求。

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西部数据公司副总裁兼中国区业务总经理刘钢

西部数据公司副总裁兼中国区业务总经理刘钢在最后也补充道:“OptiNAND技术未来将全面覆盖西部数据主流的大容量HDD,凡是使用大容量HDD的客户,包括云服务商、OEM厂商、企业级用户等,都将进一步受益于搭载了OptiNAND技术HDD的大容量、高性能和高可靠性。”


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