Western Digital Đã Tạo Ra OptiNAND™ Như Thế Nào

Western Digital Đã Tạo Ra OptiNAND™ Như Thế Nào

OptiNAND™ là một thành tựu mà các nhà lãnh đạo công nghệ tại Western Digital, cho là độc nhất đối với một công ty có thể sản xuất và tích hợp theo chiều dọc cả công nghệ HDD và flash. 

Là một cựu chiến binh 23 năm tại Western Digital, David Hall mô tả vai trò của mình là một người khởi xướng. Mặc dù chức danh của ông có thể là kỹ sư nghiên cứu và phát triển HDD, nhưng công trình tốt nhất của ông lại đến từ việc thách thức các chuẩn mực để đạt được sự đổi mới.

"Công việc của tôi là khởi động mọi thứ, khai phá những cánh đồng mới, rồi chuyển sang thứ khác", Hall nói trong một cuộc phỏng vấn. "Tôi thích là người khởi xướng chính và thách thức những cách chúng ta vẫn luôn làm".

Một trong những dự án đó đã thành hiện thực khi Western Digital công bố kiến ​​trúc ổ đĩa flash tăng cường có tên là OptiNAND™, bao gồm ổ đĩa flash nhúng (EFD) lưu trữ flash phổ quát iNAND ^® (UFS). Không phải là công nghệ lai, mà là ổ đĩa lưu trữ thông minh hơn, nhanh hơn, dày đặc hơn có thể đạt dung lượng ước tính là 50TB trong thập kỷ này.

Đây là một thành tựu mà các nhà lãnh đạo công nghệ tại Western Digital, bao gồm cả Hall, cho là độc nhất đối với một công ty có thể sản xuất và tích hợp theo chiều dọc cả công nghệ HDD và flash. 

Các dự án triển khai NAND

Quay trở lại năm 2015, một trong những dự án của Hall là nghiên cứu cách tận dụng hiệu suất và không gian lưu trữ nhiều hơn từ ổ cứng bằng cách sử dụng flash NAND, nhưng không phải là ổ đĩa lai. Một dự án trước đó của Hall là một phần của ổ đĩa flash và ổ cứng kết hợp theo phương pháp lưu trữ lai, nhưng phương pháp này tỏ ra không phù hợp với thị trường vào thời điểm đó. Với phương pháp này, ông quan tâm đến những gì khác có thể làm được với NAND để tăng dung lượng và hiệu suất.

Hall cho biết: "Nhiều lần khi bạn thách thức hiện trạng, hóa ra hiện trạng lại là điều tốt nhất, nhưng lần này tôi có cảm giác mình đã tìm ra điều gì đó". Ngay cả trong những trường hợp không có gì quan trọng xuất phát từ nó, Hall nói thêm, thường có những lý do rất chính đáng để ít nhất là khám phá những gì có thể xảy ra.

Và việc mua lại SanDisk , kết thúc vào tháng 5 năm 2016, sẽ tạo ra cơ hội quan trọng cho việc tích hợp theo chiều dọc. Vào thời điểm đó, Hall đã bắt đầu nghiên cứu về các trường hợp sử dụng NAND, xu hướng giá cả và tiềm năng tăng mật độ diện tích và hiệu suất.

Bài thuyết trình ban đầu của ông về các ứng dụng tiềm năng của NAND và cải thiện hiệu suất đã nhận được phản hồi tích cực từ các đồng nghiệp và lãnh đạo công ty. Nhưng việc biến nghiên cứu thành sản xuất sẽ đòi hỏi những nỗ lực vượt xa nỗ lực của riêng ông, bao gồm cả việc tập hợp hai nhóm kỹ sư lớn từ các công ty công nghệ khác nhau lại với nhau để hướng tới một mục tiêu. Sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhóm kỹ sư NAND và HDD sẽ vô cùng quan trọng. 

Đối với Mark Murin, giám đốc cấp cao về kỹ thuật thiết kế hệ thống flash, quy trình đó đặc biệt là một điểm đáng tự hào trong suốt dự án. Ông cho biết quy trình này đòi hỏi phải suy nghĩ lại nghiêm túc về thiết kế cũ và các chuẩn mực cũ.

Murin cho biết: “Hai nhóm kỹ sư hoàn toàn khác nhau, cùng đưa ra một mục tiêu, trong khi mỗi nhóm đều thực hiện những thay đổi đối với thiết kế cũ và hiểu biết cũ — đó là điều cực kỳ có giá trị”. “Chúng tôi có một mục tiêu chung là tạo ra thứ gì đó rất mới, rất thành công. Mỗi bên đều cởi mở với các yêu cầu và tìm hiểu về các công nghệ mới”. 

Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một sản phẩm có thể giúp khách hàng của Western Digital theo kịp nhu cầu lưu trữ dữ liệu ngày càng tăng cao.

Một nhu cầu ngày càng tăng

Theo IDC, năm ngoái thế giới đã tạo ra hoặc sao chép khoảng 64 zettabyte dữ liệu . Và lượng dữ liệu kỹ thuật số được tạo ra trong năm năm tới sẽ lớn hơn gấp đôi so với lượng dữ liệu được tạo ra kể từ khi lưu trữ kỹ thuật số ra đời. Do đó, các ngành công nghiệp của hầu hết mọi lĩnh vực trên toàn thế giới sẽ cần các phương pháp lưu trữ hiệu quả để tạo ra nhiều dữ liệu hơn với tốc độ chưa từng có.

Mặc dù phức tạp hơn bạn nghĩ, nhưng trong HDD, cách đơn giản nhất để tăng thêm dung lượng lưu trữ là thêm nhiều đĩa lưu trữ và nhiều đầu ghi hơn. Nhưng làm như vậy không hẳn là cách tiết kiệm chi phí nhất. 

Bill Boyle, một kỹ sư nghiên cứu và phát triển HDD tại Western Digital, cho biết ngay từ khi bắt đầu dự án OptiNAND, có hai trọng tâm chính khi nói đến kiến ​​trúc: mục tiêu tăng dung lượng và mục tiêu tăng hiệu suất. 

“Nếu chúng tôi có thể tăng số lượng terabyte trên mỗi ổ đĩa, [khách hàng] sẽ nhận được lợi ích về chi phí trên mỗi terabyte”, ông nói. “Các hạng mục khác liên quan đến hiệu suất, tốc độ chúng tôi có thể thực hiện lệnh”.

Tái hiện việc sử dụng DRAM

Một trong những cải tiến hiệu suất đó không phải là tốc độ thực hiện một việc gì đó mà là tần suất thực hiện. Cụ thể, với việc làm mới theo dõi liền kề (ATI), việc sử dụng NAND sẽ cắt giảm tần suất làm mới cần thiết. 

Ngoài việc thêm đĩa vào ổ đĩa để tăng dung lượng, một cách đã được chứng minh khác để tăng dung lượng là tăng mật độ bằng cách ép các rãnh ghi gần nhau hơn. Hãy tưởng tượng việc thu hẹp làn đường của đường cao tốc để phù hợp với nhiều làn đường giao thông hơn.

Tuy nhiên, ổ cứng chỉ có thể ghi nhiều lần trước khi có nguy cơ nhiễu từ trên các sector liền kề với sector đang được ghi. Số lần một sector bị nhiễu, khi một sector đã được ghi lại và vị trí của đầu ghi là siêu dữ liệu ổ đĩa quan trọng được lưu trữ trong DRAM. Độ chính xác của siêu dữ liệu bị giới hạn trong DRAM, vì vậy ổ đĩa đôi khi phải suy ra — hoặc đưa ra phỏng đoán có căn cứ — về đường dẫn và vị trí chính xác mà dữ liệu đã được ghi. Để đảm bảo dữ liệu chính xác đang được truy cập, ổ đĩa sẽ quay lại và đọc lại dữ liệu, sau đó ghi lại các đường dẫn để ngăn chặn bất kỳ sự hỏng dữ liệu nào. 

Toàn bộ quá trình này, thực tế diễn ra rất nhanh, được gọi là làm mới ATI. Khi các track được di chuyển gần nhau hơn để tăng dung lượng, số lần ghi được phép trước khi làm mới phải giảm xuống để ngăn chặn bất kỳ sự hỏng dữ liệu nào. Làm mới nhiều hơn sẽ làm tăng độ trễ, vì ổ đĩa phải mất thời gian để đọc và ghi lại thường xuyên hơn.

Hall cho biết: “Trước đây, không phải nhiều thế hệ trước, bạn có thể viết 10.000 lần trước khi cần làm mới các sector ở cả hai bên. Và sau đó khi chúng tôi đẩy các track gần nhau hơn, nó giảm xuống còn 100 rồi 50 rồi 10, và bây giờ đối với một số sector, nó chỉ còn sáu.”

Đây là sự cân bằng tinh tế, vì việc thu hẹp các track ghi quá nhiều lần sẽ gây ra tác động không thể chấp nhận được về hiệu suất. Và đó là nơi mà sự cải tiến NAND trong OptiNAND đóng vai trò quan trọng. 

iNAND là lựa chọn hiển nhiên cho mục đích tích hợp: một tùy chọn bộ nhớ hiện có, nhỏ gọn, nhanh, không mất dữ liệu, có thể lưu trữ bộ nhớ đệm lớn hơn nhiều so với DRAM hoặc flash NOR.

Murin cho biết khi đến lúc đánh giá các lựa chọn, các kỹ sư về HDD đang tìm kiếm bộ nhớ flash được quản lý. Murin cho biết “[iNAND] là một công nghệ rất nhỏ, dung lượng lớn, đủ nhanh và đã tồn tại”. “NAND là một thành phần dày đặc hơn, rẻ hơn DRAM, mặc dù ghi chậm hơn. Tuy nhiên, NAND cần được quản lý và đó là lúc iNAND xuất hiện”.

Bộ nhớ đệm ghi: được bật hay bị tắt? 

Đối với một số người, việc dữ liệu được ghi vật lý vào đĩa không quan trọng. Việc hệ thống đã nhận được dữ liệu và xếp hàng để ghi vào bộ nhớ không biến động là đủ để xác thực. Đây là chức năng ghi bộ nhớ đệm được bật. 

Đối với những người khác, điều cực kỳ quan trọng là không được làm gì khác với ổ đĩa cho đến khi dữ liệu được ghi và lưu trữ an toàn trên đĩa. Mặc dù có thể mất nhiều thời gian hơn, thông báo ghi có nghĩa là dữ liệu đã được lưu trữ an toàn trong trường hợp mất điện hoặc sự cố khác có thể làm gián đoạn hoạt động của HDD. Đây là bộ đệm ghi bị vô hiệu hóa. 

Bằng cách bật write-cache, ổ đĩa có thể năng động hơn một chút với các hoạt động của nó, vì nó có thể lên lịch ghi và đọc (và làm mới) theo thứ tự hiệu quả nhất có thể. Do đó, hiệu suất sẽ nhanh hơn. Nhưng có một khả năng nhỏ là, trong trường hợp mất điện đột ngột, ổ đĩa không bao giờ thực sự có cơ hội ghi dữ liệu vào đĩa. 

Nhưng với OptiNAND, dữ liệu sẽ được lưu vào bộ nhớ NAND không mất dữ liệu để tránh mất dữ liệu.

“Khi chúng ta có bộ nhớ đệm không dễ bay hơi, chúng ta có đủ năng lượng trong ổ đĩa để lấy dữ liệu và ghi vào NAND trước khi bất kỳ dữ liệu nào bị mất”, Boyle cho biết. “Khi bộ nhớ đệm ghi bị vô hiệu hóa, chúng ta có thể để nó trong DRAM với sự hiểu biết rằng nếu mất điện, chúng ta có thể làm cho nó an toàn”. 

Ví dụ, vì lý do nào đó, nguồn điện bị cắt trong quá trình ghi trên một lô dữ liệu lớn. Hệ thống trên một chip (SoC) của ổ OptiNAND — trong vòng chưa đầy một giây — sẽ sử dụng năng lượng quay được tạo ra bởi các đĩa đang quay bên trong ổ để cấp nguồn cho các tụ điện bên trong cho đến khi bất kỳ dữ liệu nào được lưu trong bộ nhớ đệm được chuyển đến NAND không dễ bay hơi. Trước đây, nếu không có thành phần iNAND, dữ liệu đó có khả năng bị mất.

Để chứng minh rằng sẽ không còn sự đánh đổi hiệu suất đáng kể nào nữa, Hall đã lập biểu đồ về các lần ghi ngẫu nhiên trong trình mô phỏng và có thể chỉ ra rằng sự khác biệt về hiệu suất giữa việc bật bộ đệm ghi và tắt bộ đệm ghi thực tế là không tồn tại.

“Trong một số trường hợp, bạn có thể đạt được mức tăng hiệu suất lên đến 80%”, ông nói. “Vì vậy, hiện tại những khách hàng chạy write-cache enabled đang chạy vượt quá giới hạn I/O, nếu họ đạt được hiệu suất cao hơn nhiều, họ có thể sử dụng nhiều hơn nữa dung lượng đó”. 

Lộ trình tương lai

Đây chắc chắn không phải là điểm cuối, nhưng là điểm dừng đầu tiên trên lộ trình các tính năng và bản cập nhật sản phẩm mà Western Digital dự định triển khai. Hiện tại, Hall và các nhà lãnh đạo khác tại Western Digital đang kỳ vọng dung lượng của một ổ đĩa riêng lẻ sẽ đạt 50TB trước khi kết thúc thập kỷ này.

Hiện tại, khi kiến ​​trúc mới đang bước vào giai đoạn phát triển cuối cùng, công ty đang thử nghiệm nó với một số khách hàng HDD được chọn, nhưng tuyên bố rõ ràng rằng họ có ý định sử dụng OptiNAND trên nhiều phân khúc trong tương lai, bao gồm siêu quy mô, đám mây, video thông minh, NAS, bộ lưu trữ ngoài chuyên nghiệp, nền tảng, JBOD, lưu trữ lạnh và các phân khúc khác.

Như vậy, kiến ​​trúc OptiNAND là thành quả của những nỗ lực hợp tác từ cả hai phía HDD và NAND của Western Digital. Dự án liên quan đến hầu hết mọi chuyên ngành và chuyên môn của từng doanh nghiệp, và rất nhiều thách thức về chuẩn mực.

Khi được hỏi về cách quyết định các tính năng, Hall cho biết đó là vấn đề tin tưởng vào nhóm và loại bỏ rào cản để đưa ra những ý tưởng tốt nhất.

“Bạn mở cửa và xóa bỏ một ràng buộc đối với hệ thống,” ông nói. “Hãy nói, 'Đúng vậy, đây là thế giới mà tất cả chúng ta đang sống, nhưng chúng ta có thể làm gì nếu chúng ta xóa bỏ ràng buộc này?' Từ thời điểm này, những cơ hội mới có thể được hình dung, thẩm định và cuối cùng là triển khai.”

Để tìm hiểu thêm về OptiNAND, hãy xem bài viết tại đây. 

---