Za výkonem pevných disků - RAID 0 vs. Raptor

Proč rychlejší pevný disk

Pevné disky zaznamenaly od dob uvedení před cca padesáti lety dramatický vývoj. Původní pevný disk RAMAC uvedený firmou IBM v roce 1956 měl kapacitu pouhých 5 MB a velikost velké skříně.

Moderní disky dnes dosahují kapacity až 750 GB. To vše v mnohem menších rozměrech. Technologie hustoty záznamu pokročila natolik, že dnešní modely jsou schopné zapsat na stejnou plochu takový objem dat, který v číselném vyjádření dá o osm řádů více než prvotní pokus. IBM RAMAC 305 dosahoval hustoty záznamu 2 000 bitů na čtvereční palec. 15. září 2006 oznámila společnost Seagate, že se jí díky kolmému záznamu (spočívajícímu v použití asymetrické prstencové indukční zápisové hlavy a pomocné vrstvy umístěné na plotně pod záznamovou) podařilo dosáhnout hustoty 421 000 000 000 bitů na čtvereční palec (zdroj zprávy – Seagate).

Oproti původním generacím disků se ty dnešní mohou pyšnit o hodně vyšším výkonem. Problém ale spočívá v tom, že tento nestoupá tak rychle jako kapacita a požadavky. Srovnejme si například hry. Před dvaceti lety se celá hra vešla do pár kilobajtů prostoru (např. Atari 800 má jen 64 kB RAM). Dnes se hry často distribuují na DVD médiích s kapacitou přes 4 GB. Výkon úložných zařízení se za tu dobu samozřejmě nezvýšil úměrně, tedy 65536×.

Možné cesty zvyšování výkonu disků

Protože je princip fungování pevných disků v zásadě neměnný, jsou faktory stojící za jeho výkonem také prakticky neměnné. Pro pochopení, kde jsou ony limity, je zapotřebí si nejdříve vysvětlit, jak pevný disk funguje.

Kotouč (plotna) se záznamovou látkou a elektromagnet na rameni

Základem je kotouč pokrytý magnetizovatelnou látkou reprezentující uložená data. Poblíž této látky se pohybuje elektromagnet (čtecí a zapisovací hlavička), který prostřednictvím pole vytvářeného s pomocí elektřiny orientuje látku umístěnou nejblíže pod ním do cílené polohy (při zápise), případně na základě orientace látky určí binární hodnotu 0 nebo 1 (při čtení). Tato operace probíhá velmi rychle. Aby ale bylo možné obsáhnout celou plochu kotouče, je zapotřebí dvou úkonů:

• otáčení kotouče

• přesun elektromagnetu

Toto jsou mechanické pohyby a jako takové trvají v éře GigaHertzů dlouho. Navíc způsobují nespolehlivost (vibrace, namáhání materiálu, tepelná roztažnost atd.).

Diskem poskytovaný výkon je, podobně jako u téměř všech paměťových technologií, nutné rozdělit na dobu vyhledávání a dobu čtení (resp. zápisu). Začněme první jmenovanou položkou. Jak už z logiky věci vyplývá, doba vyhledávání je závislá na tom, za jak dlouho se cílová oblast dostane pod elektromagnet. Mechanický pohyb je zde klíčovým faktorem. Do hry vstupuje jak otáčení kotouče, tak také přesun elektromagnetu (kde typem pohybu je pohyb po části kružnice).

Mikroskopická hlavička na konci vystavovacího ramene

Dobu vyhledání dat je v zásadě možné zkrátit třemi způsoby:

1. Přesouvat elektromagnet rychleji – To vyžaduje použití odolnějších materiálů (přetížení při rozjezdu je běžně kolem 60 G, což je hodnota pro člověka několikanásobně převyšující smrtelnou dávku), zvyšuje hluk, nárazový odběr elektrické energie, a tedy ve výsledku i cenu.
2. Zmenšit kotouč (plotnu) – Tím se zkrátí vzdálenost, kterou musí hlavička obsluhovat. Nevýhodou přirozeně je, že na menší kotouč je možné uložit menší množství dat, úměrně s menší plochou.
3. Otáčet kotoučem rychleji – Vyvstává požadavek na lepší vyvážení ložisek, spotřeba je vyšší, disk se tedy i více zahřívá (a tepelná roztažnost působí ve větším měřítku, což zhoršuje spolehlivost). Výsledkem je opět tlak na prodejní cenu.

Urychlení vyhledávání dat tak s sebou nese vždy nějaká ta negativa. Proto všechny dnešní pevné disky pro běžné uživatele otáčí plotnou stejnou rychlostí (7200 otáček za minutu) a posouvají hlavičku také cca stejně rychle (v průměru za asi 8,5 milisekundy).

Co druhý faktor, rychlost čtení, resp. zápisu? Ten je závislý na tom, jak rychle „se pohybují (mění)“ data pod elektromagnetem, tedy v podstatě na dvou věcech:

1. Rychlosti otáčení kotouče (plotny).
2. Hustotě záznamu.

Čím rychleji se otáčí plotna, tím lépe, ale opět z toho plynou negativa v podobě většího zahřívání, nutnosti lepšího vyvážení atd. Mnohem zajímavější je proto hustota záznamu. Dnešní disky zde ale naráží na fyzikální limit. Tímto limitem je tzv. superparamagnetický efekt. Ten způsobuje, že od určité velikosti záznamové oblasti (čím menší, tím hůř, protože se používá méně atomů magnetizovatelné látky) dochází k samovolnému otáčení magnetické orientace. Jinými slovy to, co zápisová hlavička nějak nastavila (do určitého směru) se začne samo měnit jiným směrem. Začnou se tedy ztrácet informace.

Data jsou na disku uspořádána v kruzích zvaných stopy. Elektromagnet vždy čte nebo zapisuje v jedné stopě. Rychlost čtení a zápisu ovlivňuje hustota záznamu v rámci této jedné stopy. Aby výrobci předcházeli superparamagnetismu, rostla kapacita pevných disků v poslední době nikoli tak, že by se zvětšovala hustota záznamu v rámci jedné stopy, nýbrž nárůstem počtu stop (vzdálenost mezi stopami totiž byla mnohem větší než vzdálenost mezi jednotlivými bity na jedné stopě). Přestože tak rostla hustota záznamu, na výkon to prakticky mělo malý nebo dokonce žádný vliv. Např. v roce 2000 uvedený disk IBM Deskstar 75 GXP byl schopen na plotnu standardní velikosti uložit 15 GB dat. Jeho špičková rychlost čtení dosahovala asi 40 MB/s. Disky schopné uložit na tu samou velikost 100 GB dat přitom čtou pouze asi 65 MB/s. Téměř sedminásobný nárůst kapacity se tedy v nárůstu hustoty záznamu v rámci jedné stopy projevil jen málo.

Rychlost čtení je přímo závislá na rychlosti otáčení (která se neměnila) a hustotě záznamu v rámci stopy. Proto lze vyvodit, že za pět let vývoje se mezi těmito generacemi zvýšila hustota záznamu v rámci stopy jen asi 1,5×.

Boj se superparamagnetismem probíhal doteď tak, že se používala vždy odolnější a odolnější magnetizovatelná látka. Na její přepólování bylo ale zapotřebí stále silnější elektromatické pole, kterého bylo možné dosáhnout jedině přesnějším (lépe zaměřeným) elektromagnetem. A to je samozřejmě problém vyrobit a udržet.

Podélný záznam (longitudinal recording)

Částečné řešení situace přichází v podobě kolmého záznamu. Ten nahrazuje padesát let používaný podélný, u nějž byl klíčovým prvkem prstencový elektromagnet, mezi jehož póly bylo vyvoláváno pole, které procházelo (na obrázku znázorněno siločarami) také magnetizovatelnou látkou, kterou orientovalo vhodným směrem.

Kolmý záznam (perpendicular recording)

Kolmý záznam na to jde jinak. Základními prvky jsou asymetrický elektromagnet a stabilizační vrstva. Ta je umístěna pod záznamovou a stará se o to, aby magnetické pole procházelo magnetizovatelnou látkou nikoli podélně, ale pokud možno kolmo. Asymetrická hlavička, kde jeden pól je výrazně tenčí, se stará o to, aby bylo pole směřováno více do hloubky než do šířky. Tím jsou prvky záznamové plotny orientovány nikoli podélně, nýbrž svisle. Takto je možné dosáhnout několikanásobně vyšší hustoty záznamu v rámci jedné stopy, a tedy zvýšit nejen kapacitu, ale především výkon. Aby bylo docíleno žádoucí spolehlivosti, je použita látka vyžadující pro své přepólování silné elektromagnetické pole. Záznam je umožněn díky tomu, že pole je směřováno směrem dolů do pomocné vrstvy, tedy velmi intenzivně a bez ovlivňování okolních datových prvků. Díky kolmému záznamu je možné dosáhnout asi pětinásobné kapacity. Očekává se tedy, že zatímco podélný záznam nabídl 100 a 200 Gbitů na čtvereční palec, kolmý záznam se postará o 500 až 1000 Gbitů.

Kolmý záznam v následujících několika málo letech (pokud by se zachovalo tempo dvojnásobku kapacity každé dva roky, tak do pěti let bude potenciál technologie vyčerpán) zvýší výkon, bohužel ale postup bude pozvolný, neboť se jedná o další novinku, kterou je nutné postupně ladit (a přirozeně vydělat na ní adekvátní množství peněz). Pokud se zajímáme o to, jak zvýšit rychlost nyní, musíme se porozhlédnout jinde. Z toho, co už dnes na trhu existuje.

Western Digital Raptor - deset tisíc otáček pro bohaté

Pevné disky s plotnami otáčejícími se rychleji než 7200 otáček za minutu byly až do roku 2003 určené výhradně pro pracovní stanice a servery. Platila se za ně náležitá cenová prémie.

Odkrytovaný Raptor

To všechno se změnilo s příchodem disku Raptor od společnosti Western Digital. Ten původně nabídl (už na tu dobu směšnou) kapacitu 36 GB uloženou na jedné plotně. O rok později následovala verze s dvěma plotnami a kapacitou 74 GB. Až letos se podařilo dostat na trh 150 GB model sestavený ze dvou 75 GB ploten.

Tyto poměrně nestandardní kapacity jsou způsobeny „zaběhlým schématem“ u pracovních stanic a serverů. Tam z důvodu možností ploten měly disky kapacity 9, 18, 36, 74 GB atd. Protože Western Digital nesměřuje Raptor pro typického uživatele (na to je příliš drahý), postupuje podle tohoto schématu, přestože v reálu je technicky dostupná kapacita o něco málo větší. V současnosti nejnovější verzí Raptoru je 160GB model WD1600ADFD (Raptor EL160), který je ale určen pouze pro společnosti Dell a HP a normálně ho není možné koupit. Běžně jsou v obchodech dostupné typizované kapacity 36, 74 a 150 GB. 

Raptor při dosahování vyššího výkonu vychází z jednoduchého principu:

• Vyšší otáčky zrychlují vyhledávání dat a jejich čtení a zápis.
• Plotna je fyzicky menší než u standardních 7200 ot./min disků, a tedy umožňuje rychlejší vyhledávání.
• Rameno operující s větším přetížením dokáže přesouvat elektromagnetem podstatně rychleji.

Za všechny tyto výhody samozřejmě zaplatíte a to jak menší kapacitou, tak také podstatně vyšší cenou (150GB model momentálně stojí asi 6500 Kč, přičemž za tuto cenu seženete u 7200 ot./min disk s cca 500 GB úložného prostoru). Útěchou snad může být to, že na Raptor je poskytována záruka 5 let a že má vysoce nadstandardní spolehlivost se střední dobou mezi poruchami 1,2 milionu hodin (vyjma modelu X s průhledným krytem určeným pro frajery). A pořád je levnější než obdobné disky pro rozhraní SCSI nebo Serial Attached SCSI.

Klikněte pro zvětšení

Raptor je mechanicky velice rychlý disk. Výhody můžeme shrnout následující tabulkou:

Raptor tedy oproti běžnému disku vyhledává data o třetinu rychleji. Díky o 40 % rychlejšímu otáčení má také potenciál pro rychlejší čtení a zápis – čtení v praxi dosahuje v průměru 78 MB/s, zatímco běžné disky poskytují jen asi 55 MB/s.