二次元磁気記録(TDMR) [ハードディスク]
今年になってから気付いたのだが、ハードディスクの記録方式には“ Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR) ”、日本語で書くと「二次元磁気記録」というものがあるらしい。(二次元磁気記録自体は少なくとも10年以上前に考案されている）
この二次元磁気記録(以下TDMR)は現在、次世代のハードディスク用高密度記録方式の一つとして候補に上がっていて研究が進められているようだ。
昨年以前は単に気付かなかっただけのか、ここ数ヶ月TDMRに関する情報をよく見かける。
そのおかげで興味を持つようになったが、最初はそもそもハードディスクは平面にデータが記録されているのに、一体何が二次元なのかと思った。が、どう考えてもそれは違うはずなので、この点について説明がされた記事を探したが、私の求める説明が記された記事が無い。
あったとしてもそれは単にそういうものがあるという素人向けの記事と、専門家に向けた「それが何か理解していることが前提」の記事ばかりなのだ。
仕方がないのでこれらの記事をたくさん調べる事で素人の私にも理解出来る話の断片を拾い集め、なんとか理解出来た。理解してみると、“二次元磁気記録”という言葉だけでイメージが湧くのが普通と思えるほど単純な話だった。
私がTDMRについて理解した内容を説明すると、まず比較対象として、現在のハードディスクはトラックという円周上に区切られた線上へ一列にデータが記録されている。「線上に一列」なのだから、これは一次元記録である。
身近にあるもので例えると「バーコード」と同じ記録方式。
説明は不要だと思うが、左がバーコード、右がQRコード。
一方で二次元記録はQRコードのように、縦と横(或いは斜め方向にも)に意味を持たせて0と1を並べる。同じ面積に単に0と1を一列に並べるよりも数倍の記録密度が得られる記録方式であり、これをQRコードのような印刷ではなく磁気で記録するのがTDMRであるということだ。
では同心円状のトラックへ横一列にしかデータを記録できないハードディスクでどうやって二次元コードを記録するのかというと、瓦記録方式(SMR)で一列ずつ、複数のトラックに渡って二次元コードを記録していくらしい。以下にそのイメージを図にした。
このような方法で記録していくので、TDMRはSMRとセットで考えられている。言い換えるとTDMRとはSMRの一種であると言えるが、そもそもSMR自体がTDMRの技術を単純化して生まれたものであるようなので、「SMRはTDMR実用化への過渡的な技術」という理解が正しいのかもしれない。（SMRは2008年にTDMRとして報告されたものの記述に含まれている。）
物理的な記録方法がSMRと同じTDMRだが、違う点は複数のトラックの集まりである「ブロック」全体が一つの二次元コードになっている事。物理的な記録方法がSMRと同じである以上、記録されたデータを読むにはトラック内のセクタに対し通常のハードディスクと同様にアクセスするという事ができず、ブロック全部を読み込む必要がある。
従ってブロック内の一部のデータしか必要がないとしても、ブロック全部を読み込まなければならないために通常のハードディスクよりもアクセス速度が遅くなる。
例えばブロック内のトラックが８段なら、円盤が８回転するまでデータを取り出せないために単純計算で8倍以上の時間がかかるという事になる。断片化した情報が複数のブロックに分散していたら、かなり酷いことになるだろう。だがこうしたケースは恐らく、ハードディスクコントローラとファームウェアのプログラムによって極めて少なくなるよう、データの再配置がされるはずだと思われる。
ちなみに書き込み時はSMRという書き込み方式である以上トラックのデータを上書きするため、ブロック内のデータ全てを一旦読み込んでから書き戻す必要がある。従って、データの書き込みにはTDMRでもSMRと同じかそれ以上の時間が必要になるはずだ。
このように、物理的な読み書きに通常のハードディスク以上の手間がかかる上、読み書きするデータには常に二次元コードの生成・復号という手間が上乗せされる。この生成・復号にかかる計算は、汎用CPUコアを使う現在のハードディスクコントローラでは荷が勝ちすぎていると私は考えるが、常に一定のルールで計算されるのならば専用のハードウェアで行うという方法がある。
消費電力の観点で見ても専用のハードウェア回路で計算した方が有利と思われるので、コスト度外視で速度を追求できるのならば、二次元コードの生成・復号の一部又は全部の計算用に専用アクセラレータとしてハードウェア実装する事が必要ではなかろうか。なおこの類の問題への答えとしてはすでにHGSTがホストマネージドSMR、つまりSAS(SATA)コントローラやコンピュータ本体のCPUでデータの処理を行う方式が存在する。SMRですらこんな状況なので、TDMR採用の壁は相当に高いと思う。
最後に、現在製品化されているハードディスクにはTDMR採用機種が存在しないが、WD傘下のHGSTから出ている「Ultrastar DC HC530」がTDMRに関する技術を採用している。
Ultrastar DC HC530
https://www.hgst.com/products/hard-drives/ultrastar-dc-hc530
上記サイトでダウンロード出来るデータシートにはこう書かれている。
“ Features like TDMR technology (two-dimensional magnetic recording) and a third-generation dual-stage microactuator work together to enhance head-positioning accuracy and deliver better performance, data integrity and overall drive reliability, critical in multi-drive environments where operational vibration is present. ”
この一文から読み取れる事は、TDMRに関する技術を使ってヘッドの位置決め精度を向上させているという事だ。
日本国内のパソコン関連情報サイトにはTDMRを採用していると誤認したかのような記事があったが、「Ultrastar DC HC530」の用途を考えてみてもTDMRの採用はありえないと思う。
現在史上最大容量である14TBのハードディスクは、WD(HGST)、Seagate、東芝の3社から出ている。
これらの内にSMRを採用した機種がある一方、同じ14TBの容量で通常タイプ(SMRを使っていない)のハードディスクも存在し、つい先日には一般向けNAS用の14TBハードディスクが東芝より発表されたりもしている。
SMR採用機種の記憶容量が通常タイプと同じである以上、SMRの技術的課題はかなり残っており、TDMR登場の時期もまだ当分先の話ではないかと感じる。
参考：
磁気記録媒体の現状と展望
https://www.fujielectric.co.jp/about/company/gihou_2012/pdf/85-04/FEJ-85-04-314-2012.pdf
SMRのSSD的書込み挙動
https://17inch.blog.so-net.ne.jp/2015-10-01
HDDのSMR技術とはなにか
https://17inch.blog.so-net.ne.jp/2014-12-15
この二次元磁気記録(以下TDMR)は現在、次世代のハードディスク用高密度記録方式の一つとして候補に上がっていて研究が進められているようだ。
昨年以前は単に気付かなかっただけのか、ここ数ヶ月TDMRに関する情報をよく見かける。
そのおかげで興味を持つようになったが、最初はそもそもハードディスクは平面にデータが記録されているのに、一体何が二次元なのかと思った。が、どう考えてもそれは違うはずなので、この点について説明がされた記事を探したが、私の求める説明が記された記事が無い。
あったとしてもそれは単にそういうものがあるという素人向けの記事と、専門家に向けた「それが何か理解していることが前提」の記事ばかりなのだ。
仕方がないのでこれらの記事をたくさん調べる事で素人の私にも理解出来る話の断片を拾い集め、なんとか理解出来た。理解してみると、“二次元磁気記録”という言葉だけでイメージが湧くのが普通と思えるほど単純な話だった。
私がTDMRについて理解した内容を説明すると、まず比較対象として、現在のハードディスクはトラックという円周上に区切られた線上へ一列にデータが記録されている。「線上に一列」なのだから、これは一次元記録である。
身近にあるもので例えると「バーコード」と同じ記録方式。
説明は不要だと思うが、左がバーコード、右がQRコード。
一方で二次元記録はQRコードのように、縦と横(或いは斜め方向にも)に意味を持たせて0と1を並べる。同じ面積に単に0と1を一列に並べるよりも数倍の記録密度が得られる記録方式であり、これをQRコードのような印刷ではなく磁気で記録するのがTDMRであるということだ。
では同心円状のトラックへ横一列にしかデータを記録できないハードディスクでどうやって二次元コードを記録するのかというと、瓦記録方式(SMR)で一列ずつ、複数のトラックに渡って二次元コードを記録していくらしい。以下にそのイメージを図にした。
このような方法で記録していくので、TDMRはSMRとセットで考えられている。言い換えるとTDMRとはSMRの一種であると言えるが、そもそもSMR自体がTDMRの技術を単純化して生まれたものであるようなので、「SMRはTDMR実用化への過渡的な技術」という理解が正しいのかもしれない。（SMRは2008年にTDMRとして報告されたものの記述に含まれている。）
物理的な記録方法がSMRと同じTDMRだが、違う点は複数のトラックの集まりである「ブロック」全体が一つの二次元コードになっている事。物理的な記録方法がSMRと同じである以上、記録されたデータを読むにはトラック内のセクタに対し通常のハードディスクと同様にアクセスするという事ができず、ブロック全部を読み込む必要がある。
従ってブロック内の一部のデータしか必要がないとしても、ブロック全部を読み込まなければならないために通常のハードディスクよりもアクセス速度が遅くなる。
例えばブロック内のトラックが８段なら、円盤が８回転するまでデータを取り出せないために単純計算で8倍以上の時間がかかるという事になる。断片化した情報が複数のブロックに分散していたら、かなり酷いことになるだろう。だがこうしたケースは恐らく、ハードディスクコントローラとファームウェアのプログラムによって極めて少なくなるよう、データの再配置がされるはずだと思われる。
ちなみに書き込み時はSMRという書き込み方式である以上トラックのデータを上書きするため、ブロック内のデータ全てを一旦読み込んでから書き戻す必要がある。従って、データの書き込みにはTDMRでもSMRと同じかそれ以上の時間が必要になるはずだ。
このように、物理的な読み書きに通常のハードディスク以上の手間がかかる上、読み書きするデータには常に二次元コードの生成・復号という手間が上乗せされる。この生成・復号にかかる計算は、汎用CPUコアを使う現在のハードディスクコントローラでは荷が勝ちすぎていると私は考えるが、常に一定のルールで計算されるのならば専用のハードウェアで行うという方法がある。
消費電力の観点で見ても専用のハードウェア回路で計算した方が有利と思われるので、コスト度外視で速度を追求できるのならば、二次元コードの生成・復号の一部又は全部の計算用に専用アクセラレータとしてハードウェア実装する事が必要ではなかろうか。なおこの類の問題への答えとしてはすでにHGSTがホストマネージドSMR、つまりSAS(SATA)コントローラやコンピュータ本体のCPUでデータの処理を行う方式が存在する。SMRですらこんな状況なので、TDMR採用の壁は相当に高いと思う。
最後に、現在製品化されているハードディスクにはTDMR採用機種が存在しないが、WD傘下のHGSTから出ている「Ultrastar DC HC530」がTDMRに関する技術を採用している。
Ultrastar DC HC530
https://www.hgst.com/products/hard-drives/ultrastar-dc-hc530
上記サイトでダウンロード出来るデータシートにはこう書かれている。
“ Features like TDMR technology (two-dimensional magnetic recording) and a third-generation dual-stage microactuator work together to enhance head-positioning accuracy and deliver better performance, data integrity and overall drive reliability, critical in multi-drive environments where operational vibration is present. ”
この一文から読み取れる事は、TDMRに関する技術を使ってヘッドの位置決め精度を向上させているという事だ。
日本国内のパソコン関連情報サイトにはTDMRを採用していると誤認したかのような記事があったが、「Ultrastar DC HC530」の用途を考えてみてもTDMRの採用はありえないと思う。
現在史上最大容量である14TBのハードディスクは、WD(HGST)、Seagate、東芝の3社から出ている。
これらの内にSMRを採用した機種がある一方、同じ14TBの容量で通常タイプ(SMRを使っていない)のハードディスクも存在し、つい先日には一般向けNAS用の14TBハードディスクが東芝より発表されたりもしている。
SMR採用機種の記憶容量が通常タイプと同じである以上、SMRの技術的課題はかなり残っており、TDMR登場の時期もまだ当分先の話ではないかと感じる。
参考：
磁気記録媒体の現状と展望
https://www.fujielectric.co.jp/about/company/gihou_2012/pdf/85-04/FEJ-85-04-314-2012.pdf
SMRのSSD的書込み挙動
https://17inch.blog.so-net.ne.jp/2015-10-01
HDDのSMR技術とはなにか
https://17inch.blog.so-net.ne.jp/2014-12-15
98式軍刀 さん
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東芝に聞く、データセンター向けニアラインHDDの最新技術動向とこれから
http://eetimes.jp/ee/articles/1809/25/news012.html
> TDMRとは、従来、1つずつだったヘッド素子のライターとリーダーのうち、リーダーを2つに増やし、読み取り信号の品質改善を行う技術です。
by 通りすがり (2019-02-09 01:04)
通りすがり様、情報ありがとうございます。
リンク先の記事を読みましたが、これは記事が間違っているか、同じ名前であっても違う技術であると思います。
また何かお気付きの事があれば、よろしくお願い致します。
by 98式軍刀 (2019-02-09 19:08)