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How Western Digital Created OptiNAND™, a New Flash-Enhanced HDD Architecture

Comment Western Digital a créé OptiNAND™, une nouvelle architecture de disque dur optimisée pour le flash

En tant que vétéran de 23 ans chez Western Digital, David Hall décrit son rôle comme celui d'un instigateur. Bien que son titre soit celui d'ingénieur en recherche et développement de disques durs, son meilleur travail provient de normes exigeantes pour parvenir à l'innovation.

"Mon travail consiste à lancer les choses, à labourer de nouveaux champs, puis à passer à autre chose", a déclaré Hall dans une interview. "J'aime être l'instigateur en chef et remettre en question les façons dont nous avons toujours fait les choses."

L'un de ces projets s'est concrétisé aujourd'hui sous le nom de Western Digital a annoncé une architecture de lecteur améliorée par flash appelée OptiNAND ™, qui inclut un iNAND® lecteur flash intégré (EFD) de stockage flash universel (UFS). Pas une technologie hybride, mais un disque de stockage plus intelligent, plus rapide et plus dense qui pourrait atteindre une capacité estimée à 50 To cette décennie.

C'est une réalisation que les leaders technologiques de Western Digital, y compris Hall, considèrent comme unique à une entreprise qui peut fabriquer et intégrer verticalement à la fois la technologie HDD et flash. 

Entreprises pour mettre en œuvre la NAND

En 2015, l'un des projets de Hall consistait à étudier comment obtenir plus de performances et d'espace de stockage sur les disques durs en utilisant la mémoire flash NAND, mais pas en tant que lecteur hybride. Un précédent projet Hall faisait partie des lecteurs flash et HDD combinés dans une approche de stockage hybride, mais il s'est avéré ne pas être adapté au marché à l'époque. Sur cette approche, il s'est intéressé à ce qui pourrait être fait avec NAND pour augmenter la capacité et les performances.

"Souvent, lorsque vous contestez le statu quo, il s'avère que le statu quo est ce qu'il y a de mieux, mais j'avais le sentiment que cette fois j'étais sur quelque chose", a déclaré Hall. Même dans les cas où rien de matériel n'en découle, a ajouté Hall, il y a souvent de très bonnes raisons d'explorer au moins ce qui pourrait être possible.

Et le acquisition de SanDisk, qui a fermé ses portes en mai 2016, offrirait une opportunité cruciale pour l'intégration verticale. À ce moment-là, Hall avait déjà commencé ses recherches sur les cas d'utilisation de la NAND, les tendances des prix et les potentiels d'augmentation de la densité de surface et des performances.

Son argumentaire initial pour les utilisations potentielles de la NAND et l'amélioration des performances a reçu des réponses positives de la part de ses pairs et des dirigeants d'entreprise. Mais transformer la recherche en production nécessiterait des efforts bien au-delà des siens, notamment en réunissant deux grands groupes d'ingénierie de différentes maisons de technologie pour travailler vers un même objectif. Une collaboration étroite entre les groupes d'ingénierie NAND et HDD serait d'une importance cruciale. 

Pour Mark Murin, directeur principal de l'ingénierie de conception de systèmes flash, ce processus était particulièrement un point de fierté pendant le projet. Le processus a nécessité une refonte sérieuse de la conception et des normes héritées, a-t-il déclaré.

"Deux groupes d'ingénierie totalement différents, ayant le même objectif, tandis que chaque groupe apporte des modifications à la conception et à la compréhension de l'héritage - c'est quelque chose d'extrêmement précieux", a déclaré Murin. « Nous avions un objectif commun de créer quelque chose de très nouveau, de très réussi. Chaque partie était ouverte aux demandes et à l'apprentissage des nouvelles technologies. 

L'objectif final, en fin de compte, était de créer un produit qui aiderait les clients de Western Digital à suivre le rythme de la demande croissante de stockage de données.

Un besoin croissant

L'année dernière, le monde a créé ou reproduit certains 64 zettaoctets de données, selon IDC. Et la quantité de données numériques créées au cours des cinq prochaines années sera plus du double de ce qui a été créé depuis l'introduction du stockage numérique. Par conséquent, les industries de presque tous les secteurs du monde auront besoin de méthodes de stockage efficaces pour créer beaucoup plus de données à un rythme sans précédent.

Bien que cela soit plus complexe qu'il n'y paraît, dans les disques durs, le moyen le plus simple d'ajouter plus de stockage est d'ajouter plus de disques de stockage et plus de têtes d'écriture. Mais le faire n'est pas nécessairement le moyen le plus rentable. 

Bill Boyle, ingénieur chargé de la recherche et du développement de disques durs chez Western Digital, a déclaré que dès le début du projet OptiNAND, il y avait deux axes principaux en matière d'architecture : ceux qui augmentent la capacité et ceux qui augmentent les performances. 

« Si nous pouvons augmenter le nombre de téraoctets par lecteur, [les clients] bénéficient d'un avantage en termes de coût par téraoctet », a-t-il déclaré. « Les autres catégories concernent les performances, la vitesse à laquelle nous pouvons exécuter des commandes. »

Réinventer l'utilisation de la DRAM

L'une de ces améliorations de performances n'est pas exactement à quelle vitesse quelque chose est fait, mais à quelle fréquence. Plus précisément, avec le rafraîchissement par interférence de piste adjacente (ATI), l'utilisation de la NAND réduira la fréquence des rafraîchissements nécessaires. 

En plus d'ajouter des disques à un lecteur pour gagner en capacité, un autre moyen éprouvé d'augmenter la capacité consiste à augmenter la densité en serrant les pistes d'écriture plus près les unes des autres. Imaginez le rétrécissement des voies d'une autoroute pour s'adapter à plus de voies de circulation.

Cependant, un disque dur ne peut écrire qu'un certain nombre de fois avant qu'il n'y ait un risque d'interférence magnétique sur les secteurs adjacents à celui en cours d'écriture. Le nombre de fois qu'un secteur reçoit des interférences, lorsqu'un secteur a été réécrit, et la position de la tête d'écriture sont des métadonnées de lecteur clés qui sont stockées dans la DRAM. La précision des métadonnées est limitée dans la DRAM, de sorte que le lecteur doit parfois déduire - ou faire une supposition éclairée - quant à la piste et à la position précises des données écrites. Pour s'assurer que les données correctes sont accessibles, le lecteur va revenir en arrière et relire les données, puis réécrire les pistes pour éviter toute corruption de données. 

L'ensemble de ce processus, qui se produit en fait très rapidement, s'appelle une actualisation ATI. Au fur et à mesure que les pistes sont rapprochées pour augmenter la capacité, le nombre d'écritures autorisées avant une actualisation doit diminuer pour éviter toute corruption de données. Faire plus de rafraîchissements augmente la latence, car le lecteur doit prendre du temps pour lire et réécrire plus souvent.

"Il n'y a pas si longtemps, on pouvait écrire 10 000 fois avant de devoir actualiser les secteurs de chaque côté", a déclaré Hall. "Et puis, alors que nous rapprochions les pistes de plus en plus, il est passé à 100 puis 50 puis 10, et maintenant pour certains secteurs, il est aussi bas que six."

C'est un équilibre délicat, car le fait de rétrécir trop souvent les pistes d'écriture aurait un impact inacceptable sur les performances. Et c'est là que l'amélioration NAND dans OptiNAND joue un rôle clé. 

iNAND était un choix évident pour l'intégration : une option de mémoire existante, de petit format, rapide, non volatile, qui pouvait stocker beaucoup plus de cache que la DRAM ou la mémoire flash NOR.

Murin a déclaré qu'au moment d'évaluer les options, les ingénieurs du côté du disque dur recherchaient une mémoire flash gérée. "[iNAND] est une technologie très petite, à grand volume, suffisamment rapide et déjà existante", a déclaré Murin. « La NAND est un composant plus dense et moins cher que la DRAM, bien qu'il soit plus lent en écriture. La NAND, cependant, doit être gérée, et c'est là qu'iNAND entre en jeu. »

Write-cache : activé ou désactivé ? 

Pour certains, ce n'est pas important lorsque les données sont physiquement écrites sur le disque. Le fait que le système ait reçu les données et les ait mises en file d'attente pour l'écriture sur un stockage non volatile est une validation suffisante. C'est le cache en écriture activé. 

Pour les autres, il est extrêmement important que rien d'autre ne soit fait avec le lecteur jusqu'à ce que les données soient écrites et stockées en toute sécurité sur un disque. Bien que cela puisse prendre plus de temps, un avis d'écriture signifie que les données ont été stockées en toute sécurité en cas de panne de courant ou de tout autre événement susceptible d'interrompre les opérations du disque dur. C'est le cache en écriture désactivé. 

En activant le cache d'écriture, le lecteur peut être un peu plus dynamique dans ses opérations, car il peut planifier les écritures et les lectures (et les actualisations) dans l'ordre le plus efficace possible. Ainsi, les performances seront plus rapides. Mais il y a une faible chance que, lors d'une perte de puissance soudaine, le lecteur n'ait jamais réellement la possibilité d'écrire les données sur le disque. 

Mais avec OptiNAND, les données seront enregistrées dans une mémoire NAND non volatile pour éviter toute perte de données.

"Lorsque nous avons un cache non volatile disponible, nous avons suffisamment d'énergie dans le lecteur pour prendre les données et les écrire sur la NAND avant qu'aucune donnée ne soit perdue", a déclaré Boyle. « Lorsque le cache d'écriture est désactivé, nous pouvons le laisser dans la DRAM en sachant que si l'alimentation est coupée, nous pouvons le sécuriser. » 

Supposons que, pour une raison quelconque, l'alimentation soit coupée pendant le processus d'écriture sur un lot de données volumineux. Le système sur puce (SoC) d'un lecteur OptiNAND - en moins d'une seconde - utilisera la puissance de rotation générée par les disques déjà en rotation à l'intérieur du lecteur pour alimenter les condensateurs internes jusqu'à ce que les données mises en cache soient transférées vers la NAND non volatile. Auparavant, sans composant iNAND, ces données seraient potentiellement perdues.

Pour prouver qu'il n'y aurait plus de compromis de performances significatif, Hall a tracé un tracé d'écritures aléatoires dans un simulateur et a pu montrer que la différence de performances entre le cache d'écriture activé et celui du cache d'écriture désactivé était pratiquement inexistante.

« Dans certains cas, vous pouvez obtenir jusqu'à 80 % de gain de performances », a-t-il déclaré. « Donc, maintenant, les clients qui exécutent le cache en écriture activé et qui se heurtaient aux limites d'E/S, s'ils obtiennent beaucoup plus de performances, ils peuvent utiliser beaucoup plus de cette capacité. » 

Feuille de route future

Ce n'est certainement pas le point final, mais le premier point de passage sur une feuille de route de fonctionnalités et de mises à jour de produits que Western Digital prévoit de mettre en œuvre. Dans l'état actuel des choses, Hall et d'autres dirigeants de Western Digital s'attendent à ce que la capacité d'un disque individuel atteigne 50 To avant la fin de la décennie. 

Pour l'instant, alors que la nouvelle architecture entre dans sa phase finale de développement, la société la teste avec certains clients HDD, mais a clairement indiqué qu'elle avait l'intention d'utiliser OptiNAND dans de nombreux segments à l'avenir, y compris l'hyperscale, le cloud, la vidéo intelligente, le NAS, stockage externe professionnel, plates-formes, JBOD, stockage à froid et autres.

En l'état, l'architecture OptiNAND est un triomphe des efforts de collaboration des côtés HDD et NAND de Western Digital. Le projet impliquait presque toutes les disciplines et expertises de chaque entreprise, et de nombreuses remises en question des normes.

Lorsqu'on lui a demandé comment les fonctionnalités étaient décidées, Hall a déclaré qu'il s'agissait de faire confiance à l'équipe et d'éliminer les obstacles au brainstorming des meilleures idées.

« Vous ouvrez la porte et supprimez une contrainte du système », a-t-il déclaré. « Dites : « Oui, c'est le monde dans lequel nous vivons tous, mais que pouvons-nous faire si nous supprimons simplement cette contrainte ? » À partir de ce point, de nouvelles opportunités peuvent être envisagées, vérifiées et finalement mises en œuvre. »

Pour en savoir plus sur OptiNAND, consultez le communiqué de presse ici et le fiche technique ici

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