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西数畅想基于OptiNAND闪存的机械硬盘性能改进方案

浏览:出处:cnBeta2021-09-01 11:36

  过去几年,硬盘驱动器市场迎来了蓬勃的发展。不过较长一段时间内,机械硬盘(HDD)制造商的技术路线图都是大同小异的。比如 HGST 率先推出了充氦机械硬盘,然后希捷与东芝也在几年内引入了类似的产品线。2017 年前,大家又一致转向了基于热辅助磁记录(HAMR)的技术路线,以拓展传统垂直记录(PMR)的存储密度潜力。

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  (图 via AnandTech)

  2017 年 4 季度的时候,西数又宣布决定为将来的 HDD 产品线引入微波辅助磁记录(MAMR)技术。与此同时,希捷一直在 HAMR 方案上发力,并为企业客户推出了 20TB 的产品(尽管尚未进入零售市场)。

  与此同时,西数承诺提供 16TB 的 MAMR 机械硬盘驱动器,然后提供了能量增强型 ePMR 产品线。另一方面,东芝也推出了基于磁通控制(FC-MAMR)的 MG09 系列企业级 16TB / 18TB HDD 产品线。

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  在周二举办的 HDD Reimagine 活动期间,西数隆重介绍了新颖的 OptiNAND 架构,特点是在 PCB 上集成了嵌入式的 UFS 闪存(EFD)。

  该公司还宣布,其已为特定客户提供了基于支持 OptiNAND + ePMR 方案的首批非叠瓦(SMR)驱动器样品,并致力于为所有 20TB+ 硬盘驱动器引入 OptiNAND,且有望在本世纪下半叶实现 50TB 存储容量。

  尽管没有披露确切的 OptiNAND 闪存容量,但西数还是强调这并不是重新发明混合式驱动器(SSHD)。

  与 SSHD 不同的是,OptiNAND 不会在正常操作期间存储任何用户数据,而是用于存储来自 HDD 操作的元数据,以提升容量、性能与可靠性。

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  在公告中,西数还揭示其 9 碟版 20TB 机械硬盘驱动器将沿用 ePMR 方案。除了使用三级驱动器来增强磁头在磁道上的定位精确度,该公司还吹嘘 OptiNAND 是达成单碟 2.2 TB 磁记录密度的一个关键。

  通常情况下,面密度的增加,是通过将盘片上的相邻轨道塞得更近(增加 TPI)而实现的。不过西数的设想,是将将工厂或中间用户操作生成的一些元数据,也从磁盘挪动到 NAND 闪存部分,以进一步增强性能。

  举个例子,西数提到了主轴旋转时磁头抖动 / 定位错误时的可重复跳动(RRO)记录。这些动辄数 GB 的数据,就是在 HDD 工厂制造过程中生成的。它通常被存储在磁盘中,并占用用户可用的数据空间。

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  将轨道包装得更紧密的重要挑战之一,就是所谓的“相邻轨道干扰”(简称 ATI)。这导致驱动器需要定期刷新盘片轨道中的数据,否则可能因为写入相邻轨道而造成数据破坏。

  当前可用的 HDD 基于轨道级的写入操作记录,可在逐个轨道的基础上触发这些刷新。但通过增加 TPI 来增加面积密度的缺点之一,就是需要更频繁地刷新。

  早期 HDD 可能只需每隔 10000 次写入操作刷新一次,但现在的窄磁道可能需要每隔 6 次写入操作就刷新一次。在超过某个临界点后,TPI / ATI 刷新就会对磁盘性能造成极大影响。

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  在当今的 HDD 中,这些刷新是通过在该层次记录写入操作、而在轨道级别触发的。而在 OptiNAND 架构中,磁盘将允许扇区级别的记录写入操作。

  这意味着刷新操作在时间和空间上更加分散,允许轨道更紧密地打包在一起、而不会牺牲性能。反之,这又更好地增加了磁记录的面密度。

  对于普通消费者来说,也能够在启动或禁用设备写入缓存的情况下操作 HDD 。无论是否启用缓存,HDD 都必须对传入数据提供缓冲。

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  在禁用缓存的情况下,该方案就取决于在紧急断电(EPO)情况下可安全刷新到非易失性存储器的数据量。西数还声称,在启用写入缓存的情况下,磁盘性能还可更加受益,因为这间接降低了刷新率。

  值得一提的是,OptiNAND 还可在禁用写入缓存时,提升其在 EPO 条件下的可靠性。与串行闪存相比,通过包含更快的非易失性存储,西数宣称可将数据刷新率提升至上一代 HDD 的 50 倍。

  最后,西数希望通过垂直结合 WD / HGST 的 HDD 技术、以及闪迪(SanDisk)的闪存技术,可对 OptiNAND 等平台产生至关重要的影响。

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  虽然集成 NAND 闪存必然会导致成本溢价,但新颖的磁记录技术(如 HAMR 和 MAMR)更需要在磁头和盘片设计上进行大量投资,且需要每隔几代旧开展一次改造。

  另一方面,诸如 OptiNAND 这样的混搭方案,则是相对独立于底层的技术路线。至于相关产品的实际表现,仍有待其正式进入零售市场。

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