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Em maio passado, a Western Digital lançou seu disco rígido de 26 TB, o disco de maior capacidade disponível no mercado. Ele permite que os clientes em escala de nuvem alcancem as capacidades gigantescas necessárias para as necessidades de armazenamento de dados em massa de hoje. Os ganhos incessantes de capacidade do líder em armazenamento são possíveis por meio da integração de várias inovações tecnológicas. Uma dessas compilações é o UltraSMR, que ajudou a concretizar o disco rígido de 26 TB.
UltraSMR funde hardware, controlador e tecnologias de canal de leitura com firmware e algoritmos proprietários para expandir significativamente a vantagem de capacidade que Shingled Magnetic Recording (SMR) oferece em relação a Conventional Magnetic Recording (CMR).
Coletivamente, essas tecnologias aumentam a capacidade de uma unidade SMR em 10% adicionais, permitindo um ganho de 20% em relação a uma unidade CMR tradicional.
Mas atingir marcos da indústria como esses não acontece da noite para o dia. A jornada para o UltraSMR foi um processo de várias etapas e vários anos, à medida que sucessivas inovações foram incorporadas.
Primeiro foi o SMR
Chad Mitchell, diretor de inovação e IP de HDD CTO da Western Digital, lidera uma equipe de engenheiros renomados, cada um detendo uma infinidade de patentes, várias delas com três dígitos. A maioria dos engenheiros está sediada em Rochester, Minnesota, onde o UltraSMR está sendo desenvolvido na última década. A equipe de Mitchell projeta os recursos para cada geração de sistema de HDD em chip (SOC), incluindo sua capacidade de codificar, decodificar e converter os 0s e 1s de leituras e gravações de dados.
“Tudo começou em 2013 com a primeira versão SMR da Western Digital lançada no primeiro HDD de 14 TB do mundo”, disse Mitchell. “Adicionalmente, adicionamos as tecnologias que culminam no UltraSMR de hoje.”
O SMR, como telhas em um telhado, sobrepõe trilhas em um disco para que mais trilhas e dados possam ser compactados no mesmo espaço, permitindo maior densidade e ganhos de capacidade impressionantes.
“Se você colocar telhas em todo o telhado e elas estiverem apenas adjacentes umas às outras, você só pode colocar tantas telhas”, disse Ravi Pendekanti, vice-presidente sênior de gerenciamento de produtos HDD da Western Digital, em entrevista ao TechRepublic. Se você fizer as telhas se sobreporem um pouco, pode adicionar mais telhas na mesma capacidade ou na mesma área. Isso é essencialmente o que o SMR é.”
Mas sem a separação das trilhas, a única maneira de ler e gravar dados sem corromper outras trilhas é fazendo isso sequencialmente. É por isso que nas unidades SMR, os dados não são gravados imediatamente na unidade, mas gravados em um cache e depois na mídia como uma grande unidade onde toda a trilha é lida em vez de setores individuais.
O SMR permite a codificação em áreas maiores porque os dados são agrupados antes de serem gravados, minimizando assim o desperdício e aumentando a eficiência mecânica. Para casos de uso corporativo, são necessárias algumas alterações iniciais de software para executar esse tipo de manipulação de dados, mas o investimento único traz enormes benefícios contínuos em termos de eficiência de capacidade.
UltraSMR: A gigante salto em frente
À medida que as capacidades do disco rígido aumentavam, também aumentava o desafio da correção de erros. À medida que mais bits são espremidos nos mesmos blocos de fator de forma, tornou-se evidente que um tamanho de setor aumentado permitiria algoritmos e processos de correção de erros mais complexos.
“Antes do SMR, o CMR não podia fazer correção de erros em grandes blocos porque não havia oportunidade de codificar em grandes áreas sem degradar o desempenho aleatório, mas o SMR é diferente”, disse Rick Galbraith, distinto engenheiro da Western Digital’s HDD Business.
O UltraSMR permite a codificação em uma área muito maior do que no passado, e sua natureza sequencial, que antes era vista como um obstáculo, agora oferece novas oportunidades para manipulação inteligente de dados.
Para corrigir erros, a equipe de engenharia combina blocos de dados com informações de redundância para gerar palavras-código. Quanto maior o tamanho da palavra de código, mais perfeito pode ser um código de correção de erros. Com redundância parcial cobrindo uma trilha inteira, é um novo mundo para algoritmos de correção de erros que podem ser mais poderosos e eficientes ao mesmo tempo.
Além disso, a maior área espacial fornecida pelo UltraSMR ajuda a equilibrar a relação sinal-ruído do disco rígido, distribuindo-o por uma área mais ampla para diluir quaisquer defeitos.
“O [UltraSMR] A vantagem é sobre o processamento de sinal na leitura de volta”, disse Mitchell. “Resolvendo erros na hora, o que você não podia fazer antes.”
Os facilitadores
UltraSMR não é apenas uma única tecnologia. É um acúmulo de avanços de hardware, software e firmware que permitiram que as equipes correspondentes atingissem a capacidade de referência. Essas tecnologias incluem gravação magnética bidimensional (TDMR), código de correção de erros de faixa suave (sTECC), Setor Distribuído (DSEC) e OptiNAND
, todos construídos para funcionarem juntos.
A gravação magnética bidimensional (TDMR) refere-se à adição de um segundo leitor em cada braço suspenso sobre a superfície da mídia. Isso ajuda a melhorar a relação sinal-ruído (SNR) e evita confundir os dados em uma trilha desejada com o que está escrito nas trilhas adjacentes.
“TDMR é a diferença entre ter um olho e dois”, explica Galbraith. “O TDMR permite a percepção de profundidade e um melhor julgamento do que está sendo visualizado e reduz os componentes de ruído elétrico do sinal de leitura.”
Na natureza, quando os órgãos sensoriais são duplicados, os humanos podem obter muito mais informações sobre o ambiente ao seu redor. Dois olhos em vez de um permitem a percepção de profundidade. Duas orelhas, em vez de uma, ajudam a determinar em que direção um predador está à espreita.
No processamento de sinal, o TDMR permite que o controlador e o firmware combinem os sinais lidos para filtrar o ruído fora da faixa e cancelar melhor a interferência entre as faixas.
Algoritmos mais inteligentes
Muitos dos avanços do UltraSMR são possibilitados por algoritmos e processos inovadores de correção de erros.
“Você não pode construir nada sem um código de correção de erros”, disse Galbraith. “Adicionamos redundância para formar palavras-código. Uma codeword é a combinação de um bloco de dados combinado com um tipo de redundância de paridade que pode detectar e corrigir erros”, explicou. A forma como essas palavras-código são construídas e decifradas é um playground de inovação contínua.
O código de correção de erros Soft-track (sTECC) é um mecanismo de codificação que permitiu à Western Digital lançar um Produto SMR de 20 TB em 2020. Ele adiciona paridade de correção de erros nas trilhas, usando um pouco de espaço para verificar a integridade dos dados.
UltraSMR com sTECC introduz paridade adicionando um esquema de correlação onde o canal de leitura pode analisar se os dados estão 100% corretos. Galbraith o descreve como “aproveitar a solução de um conjunto de quebra-cabeças separados usando informações que conectam os quebra-cabeças”.
A combinação de codificação de bloco grande com esse algoritmo avançado de correção de erros permite que os engenheiros aumentem o rastreamento por polegada (TPI) e forneçam capacidades mais altas.
Mais inovação de codificação
O Distributed Sector (DSEC) veio a seguir, uma inovação que espalha os dados por um grupo de setores, separando-os e reescrevendo-os em vários setores para calcular a média de qualquer erro em toda a trilha. É como uma carteira de ações diversificada ou um fundo mútuo onde você não tem todos os ovos na mesma cesta. Como o aumento da capacidade significa que as faixas são gravadas mais próximas, a distribuição de dados em muitos setores permite calcular a média do ruído do sinal e reduzir a margem para qualquer erro de posicionamento entre as faixas gravadas.
“Setores lógicos são distribuídos fisicamente em muitos setores físicos”, explica Galbraith. “Os defeitos físicos também são distribuídos logicamente em muitos setores lógicos. Ambas as propriedades permitem que os setores lógicos se tornem mais corrigíveis.”
Essencialmente, se os dados estiverem espalhados por toda a trilha, qualquer erro também será distribuído em porções menores. Como resultado, os dados podem ser recuperados com mais facilidade, em vez de serem totalmente perdidos.
“O melhor do setor distribuído é que ele não tem taxas; não requer sobrecarga”, disse Galbraith. “Você obtém bons ganhos pelo fato de não adicionar redundância a nada e ser 100% eficiente.”
Inovação em HDD e Flash
A peça final do quebra-cabeça UltraSMR foi a introdução do OptiNAND, uma tecnologia que aprimora HDDs com flash embutido na unidade.
A tecnologia é exclusiva da Western Digital, realizada com sua fabricação e integração vertical em suas equipes de engenharia de HDD e SSD. Seus inventores, incluindo David Hall, engenheiro distinto da Western Digital, começaram a pensar em novas maneiras de usar o NAND em 2015, mesmo antes da aquisição da SanDisk pela Western Digital.
O OptiNAND melhora a capacidade e o desempenho do disco rígido armazenando metadados em flash não volátil em vez de na mídia rotativa.
Assim como construir uma casa é mais fácil se você começar com plantas, o OptiNAND utiliza memória não volátil para aumentar a confiabilidade dos dados armazenados no disco. O emparelhamento permite um estreitamento das trilhas de gravação ao usar uma opção de memória que pode armazenar muito mais cache do que DRAM ou flash NOR para aumentar o desempenho.
A compilação final para liderança de capacidade
A integração dessas tecnologias ao longo do tempo trouxe o UltraSMR à fruição e seus ganhos significativos de capacidade em relação ao CMR e ao SMR.
Se o SMR é um telhado de telha, o UltraSMR é um telhado de palha com uma trama melhor, tornando-o mais forte e capaz de resistir a uma tempestade de vento.
“É um esforço de equipe”, disse Mitchell. “A ideia original da inovação passa por uma transformação que a torna real. Em sua jornada, é necessário um grande grupo de engenheiros de classe mundial com diversas especialidades para escrever e integrar os novos recursos ao código do cliente existente.”
A colaboração entre as equipes de hardware, servomecânica, manufatura e firmware contribuiu para a estreia do UltraSMR. Engenheiros de firmware foram recrutados para integrar as inovações no código e garantir que todos funcionassem juntos.
“A combinação cuidadosa e gradual das inovações nos últimos 10 anos permitiu à Western Digital continuar fornecendo HDDs que mantêm nosso alto padrão de qualidade. A equipe de engenheiros que fez isso acontecer é uma das melhores em nosso setor, e seu pensamento inovador e colaboração global em toda a empresa tiveram que acontecer para que tudo funcionasse junto em um único sistema”, disse Mitchell.
Com esse tipo de trabalho em equipe, a empresa está no caminho para 50 TB, continuando a ultrapassar limites que dão saltos em capacidade. Trata-se de etapas incrementais, entendendo como diferentes tecnologias se unem de maneira impactante e tendo um roteiro claro para o futuro dos HDDs.
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