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Western Digital reinventa el disco duro: integración de flash con OptiNAND

Western Digital reinventa el disco duro: integración de flash con OptiNAND

En los últimos años se han producido numerosas innovaciones en el mercado de las unidades de disco duro. Durante bastante tiempo, la hoja de ruta de la tecnología HDD se compartió en toda la industria: los proveedores introdujeron nuevas tecnologías en diferentes momentos, pero todas eran de naturaleza similar. Como ejemplo reciente, HGST (ahora, Western Digital) fue el primero en comercializar discos duros llenos de helio, pero tanto Seagate como Toshiba siguieron con unidades similares en unos pocos años.

Antes de 2017, había consenso en que la grabación magnética asistida por calor (HAMR) ayudaría a impulsar el aumento de la densidad de almacenamiento de los discos duros después de que la grabación magnética perpendicular tradicional (PMR) se agotara. Western Digital sorprendió en el cuarto trimestre de 2017 al anunciar la decisión de optar por la grabación magnética asistida por microondas (MAMR) para futuros discos duros. Mientras tanto, Seagate ha apostado por HAMR y también ha lanzado discos duros de 20 TB basados ​​en la tecnología para clientes empresariales (aunque esos discos HAMR aún no han llegado al mercado minorista). Mientras tanto, Western Digital prometía unidades MAMR para discos duros de más de 16 TB, pero finalmente dio marcha atrás a favor de PMR con energía mejorada (ePMR). Toshiba, por otro lado, introdujo el control de flujo-MAMR (FC-MAMR) en su serie MG09 de HDD empresariales de 16 TB y 18 TB.

En el Reimaginar HDD En el evento de hoy, Western Digital presenta OptiNAND, una arquitectura novedosa que implica la integración de una unidad flash integrada (EFD) iNAND UFS integrada en la placa base de la unidad.

En conjunto, la compañía también anuncia que ha estado probando sus primeras unidades de 20TB no SMR basadas en ePMR habilitadas para OptiNAND para clientes selectos, y que adoptará la plataforma OptiNAND en el futuro para todos los discos duros de 20TB +. La compañía también ve un camino hacia las unidades ePMR de 50 TB habilitadas para OptiNAND en la segunda mitad de la década.

Si bien la compañía no cuantificó la cantidad de NAND en sus unidades OptiNAND, están enfatizando el hecho de que no es una unidad híbrida (SSHD). A diferencia de los SSHD, las unidades OptiNAND no almacenan ningún dato de usuario durante el funcionamiento normal. En cambio, la NAND se está utilizando para almacenar metadatos de la operación del HDD con el fin de mejorar la capacidad, el rendimiento y la confiabilidad.

Capacidad

El anuncio de OptiNAND de Western Digital también transmite el hecho de que sus discos duros de 20 TB y 9 platos seguirán utilizando PMR de energía mejorada (ePMR). Además del uso de un actuador de triple etapa para permitir un posicionamiento más preciso de los cabezales sobre las pistas, el aspecto OptiNAND se promociona como la clave para permitir una capacidad de 2,2 TB para cada plato.

El aumento en la densidad de área se logra al acercar las pistas en el plato (aumento de TPI), mientras que también se mueven algunos de los metadatos (tanto la operación generada en fábrica como la del usuario medio) del plato a la NAND. En particular, Western Digital hizo una mención a la grabación repetible de agotamiento (RRO) de la posición de jitter / error del cabezal a medida que gira el husillo. Estos datos (que llegan a varios gigabytes) se generan en la fábrica durante la fabricación. Por lo general, se almacena en el disco, ocupando espacio que podría haberse utilizado para los datos del usuario. La arquitectura OptiNAND traslada esto a NAND en EFD.

Uno de los desafíos clave para empaquetar pistas más juntas es el concepto de ‘interferencia de pista adyacente’ (ATI). Esto da como resultado la necesidad de actualizar periódicamente los datos en las pistas del plato, ya que podrían corromperse con las escrituras en pistas adyacentes. Los discos duros disponibles actualmente activaron estas actualizaciones pista por pista en función de la grabación de las operaciones de escritura a nivel de pista. Una de las desventajas de aumentar la densidad de área al aumentar el TPI es la necesidad de realizar actualizaciones más frecuentes. De actualizar una vez en 10000 operaciones de escritura en los primeros discos duros, las pistas estrechas ahora deben actualizarse con una frecuencia de una vez cada 6 escrituras. Más allá de cierto punto, no tiene sentido aumentar más el TPI porque el aumento en la frecuencia de las actualizaciones de ATI tiene un impacto extremo en el rendimiento. En los discos duros de la generación actual, estas actualizaciones se han activado a nivel de pista al registrar las operaciones de escritura en esa jerarquía. La arquitectura OptiNAND permite registrar las operaciones de escritura a nivel de sector. Esto significa que las operaciones de actualización están más dispersas tanto temporal como espacialmente, lo que permite que las pistas se empaqueten más juntas sin sacrificar el rendimiento. A su vez, esto aumenta la densidad de área.

Rendimiento

Los consumidores pueden operar HDD con la caché de escritura en el dispositivo habilitada o deshabilitada. Independientemente de la habilitación de la caché, el disco duro tiene que almacenar en búfer los datos entrantes. En el caso de discapacitados, la cantidad de datos que se pueden almacenar en búfer depende de la cantidad de datos que se pueden descargar de manera segura al almacenamiento no volátil en el caso de una situación de apagado de emergencia (EPO). La presencia de una capacidad NAND significativa en el disco duro significa que el disco puede usar la energía de rotación presente en los platos para descargar más datos de la DRAM en el NAND (los discos duros actuales descargan los datos de la DRAM en una memoria flash en serie, alrededor de un par de de MB por valor – en una situación de EPO). La capacidad de almacenar más datos en el búfer en este caso significa que el rendimiento del caso con caché de escritura habilitado y el caso de deshabilitado con caché de escritura se acercan entre sí en los HDD habilitados para OptiNAND.

Western Digital también afirma que el caso de “caché de escritura habilitado” puede beneficiarse en el frente del rendimiento. Este es un resultado indirecto de las frecuencias de actualización reducidas (haciendo referencia a las observaciones de la subsección anterior sobre cómo OptiNAND maneja la interferencia de pistas adyacentes) que permite que el HDD dedique más tiempo a atender las solicitudes de datos del usuario. Nuevamente, no hubo cuantificación de la mejora en IOPS para diferentes patrones de acceso sobre HDD que no son OptiNAND en el evento de Western Digital.

Fiabilidad

Los aspectos de OptiNAND utilizados para mejorar el rendimiento de las unidades en el estado de escritura en caché deshabilitado también contribuyen a mejorar su confiabilidad en condiciones de EPO. Al incluir un almacenamiento no volátil más rápido en comparación con el flash en serie, Western Digital afirma que se pueden eliminar hasta 50 veces más datos en comparación con los discos duros de la generación anterior.

Observaciones finales

Western Digital afirma que la integración vertical posible con la tecnología HDD del lado WD / HGST junto con la tecnología flash del lado SanDisk es esencial para la creación de una plataforma como OptiNAND.

Es probable que haya una prima de costo asociada con las unidades debido a la integración NAND. Las nuevas tecnologías de grabación (como HAMR y MAMR) requieren una inversión significativa en el diseño de los cabezales de grabación y de los platos, y deben renovarse cada pocas generaciones. Por otro lado, tecnologías como OptiNAND son independientes de la tecnología subyacente.

Sin una cuantificación exacta del aumento en la densidad de área habilitada por OptiNAND, no es posible proporcionar comentarios comparativos sobre el Capacidad aspecto de la trifecta OptiNAND de Western Digital, excepto que la compañía ahora puede introducir discos duros de 20 TB en el mercado con la misma tecnología ePMR utilizada en sus unidades de 18 TB (alrededor de 2,2 TB / plato).

los Rendimiento El aspecto debería ser más fácil de evaluar cuando las unidades OptiNAND lleguen al mercado minorista. Si bien los beneficios para el caso de ‘escritura en caché deshabilitada’ (donde la NAND puede actuar como una caché segura en una situación de EPO) son fáciles de verificar (esencialmente actuando de la misma manera que en el caso de ‘escritura en caché habilitada’), el puro ‘almacenamiento en caché de escritura El caso habilitado debería ser mucho más interesante de analizar frente a unidades de la competencia de la misma capacidad.

Western Digital indicó que todos sus discos duros de más de 20 TB en el futuro estarán habilitados para OptiNAND. Esto ocurrirá en todas las verticales del mercado: implementación en la nube, unidades empresariales (Gold), almacenamiento para grabaciones de vigilancia (línea púrpura) y NAS (línea roja). Cabe señalar que la empresa ya tiene en el mercado una unidad SMR de 20 TB que no está habilitada para OptiNAND. La nueva arquitectura HDD con su SoC flexible y la integración NAND de alto rendimiento también se puede utilizar para permitir mejoras específicas del cliente en el futuro. La capacidad de utilizar NAND para reasignar sectores dinámicamente puede aumentar la densidad de área y mejorar el rendimiento mucho más en las unidades SMR. En base a esto, podemos esperar que las unidades SMR habilitadas para OptiNAND obtengan una ventaja de capacidad significativa sobre las unidades CMR en comparación con lo que se está viendo en el mercado actualmente.

La industria de los discos duros aún no tiene una necesidad urgente de RCP, pero el uso de OptiNAND de Western Digital para abordar el problema Capacidad, PAGrendimiento y Reliability trifecta es otro aspecto único en el mercado de unidades de disco duro, rico en innovación. Western Digital tiene HDD y tecnología flash completa (desde la fabricación NAND hasta el controlador) internamente, mientras que los otros proveedores de HDD no tienen esa ventaja. Como tal, los otros proveedores pueden tardar algún tiempo en ponerse al día con las ventajas de usar NAND para los metadatos de HDD.