CERN and Toshiba: a tandem that progresses to address data storage and security

Tres generaciones de discos duros de este fabricante han ayudado al laboratorio de física más grande del mundo a realizar un seguimiento de los cientos de terabytes de datos generados cada segundo en los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones.

Ubicado en el laboratorio de física de partículas del CERN, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) está a la vanguardia de la investigación en física. Los datos resultantes de las fases Run 1 y Run 2 ya se han utilizado para demostrar la existencia de una partícula subatómica no detectada previamente y han ampliado la comprensión del Universo y su formación.

La magnitud del CERN es asombrosa: desde el tamaño del gran colisionador de hadrones -un acelerador de partículas circular con un radio de 4,3 Km-, hasta la tasa de colisiones de partículas -más de 1.000 millones-, que pueden producirse cada segundo dentro de los detectores del experimento LHC.

Si bien, los volúmenes de datos se sitúan a la cabeza, ya que las colisiones generan 1 petabyte (PB) de datos por segundo. Incluso después de filtrar únicamente los eventos interesantes, la instalación requiere que se guarden cada mes aproximadamente 10 PB de datos nuevos para su análisis.

Estos datos se almacenan en el Centro de Datos del CERN y se comparten para su análisis con una red de 170 centros, gracias a la red mundial de computación LHC (WLCG). La configuración actual de almacenamiento del CERN se basa en memorias intermedias HDD, con 3.200 JBOD (just a bunch of disk) que suman 100.000 unidades de discos duros (HDD) y que proporcionan un total de 350 PB.

El CERN utiliza unidades de discos duros de Toshiba Electronics Europe para gestionar grandes volúmenes de datos desde el año 2014; lo que supone tres generaciones de tecnología de discos duros de este fabricante que ha proporcionado los incrementos de capacidad requeridos.

La progresión continuará cuando “las actualizaciones planificadas del LHC requieran escalar los recursos de computación y almacenamiento más allá de lo que la tecnología actual puede ofrecer”, explica Eric Bonfillou, director de la sección de planificación y adquisición de instalaciones en el departamento de TI.

Cronograma en sistemas de almacenamiento

From 2014, el CERN utiliza discos duros de servidor de Toshiba de alto rendimiento, fiabilidad y optimizados para las capacidades más altas. Previously, in the year 2013, el CERN realizó una fase programada de apagado para prepararse para el Run 2 para actualizar sus sistemas de almacenamiento, agregando arrays JBODs de 24 bahías con discos duros MG03SCA400 de este fabricante.

Con 4TB de capacidad por HDD, cada uno girando a 7.200 rpm y recibiendo datos a través de una interfaz de 6 GB/s, CERN ganó 96TB por cada unidad JBOD de expansión. El tiempo medio hasta el fallo (MTTF) de los HDD era 1,2 millions of hours, lo que se traduce en un pronóstico de ratio de fallo anual (AFR) of 0,72%.

Of 2015 a 2016, el CERN inició el Run 2, ya que las necesidades de almacenamiento de datos aumentaban enormemente, por lo que añade más capacidad utilizando el nuevo modelo STA de 6TB de Toshiba. En una instalación JBOD de carga frontal de 24 bahías 4U, la capacidad bruta total se incrementó hasta 144 TB por unidad.

A partir de 2016, Toshiba aceleró el desarrollo y la introducción de nuevos modelos de HDD empresariales de alta capacidad con el fin de dar respuesta a los requerimientos globales de almacenamiento de datos en la nube los sistemas MG05 y MG06 (este llegó a capacidades de hasta 10TB por unidad), fue capaz de aumentar el MTTF a 2, 5 millions of hours, lo que se traduce en un AFR de 0.35%, el más bajo del mercado actualmente para HDD llenos de aire.

Para la Grabación Magnética Convencional (CRM) en un factor de forma de 3,5’’, la tecnología de HDD llenos de aire alcanzaba un límite de 7 platos, con 10 TB capacity. Si bien es teóricamente posible aumentar esta capacidad utilizando platos más delgados, el aire era un gas demasiado pesado, lo que provoca una ondulación severa.

Como alternativa, Step-Recorded Magnetic technology can be used (SMR), but it requires special handling to avoid serious performance issues and is limited by the need for special file systems, adapted to the complexities of this technology.

CERN's storage upgrade in 2018 coincided with the launch of Toshiba's MG07 range, the first helium-filled with up to 14TB capacity per HDD. With the acquisition of the variant of 12 TB, CERN doubled its capacity per JBOD to 288 TB.

The MG07 model increases capacity without changing the form factor by using helium instead of air, allowing thinner platters without the associated warping, with up to nine platters per unit.

By using CMR technology, The MG07 model is suitable for any workload without implying the loss of performance associated with SMR technology. Besides, Helium creates less friction than air, significantly reducing the energy required to spin the platter stack.

With precise optimization of the spindle motor, the energy needed in operation has been reduced by a third (from approx. 11W to less than 7W) in the helium-based MG07 series model.

More demand for data storage

In 2019, The LHC was shut down again to install new updates before its restart for the Run 3 in 2021, year in which a significant increase in storage demands is expected due to the acceleration of generated data.

As noted by Eric Bonfillou, “los productos y el soporte han cumplido los estrictos requerimientos del CERN. Nuestra infraestructura TI, en términos de potencia de computación y capacidad de almacenamiento, han escalado bien con el aumento de las necesidades informáticas científicas, aprovechando al máximo las unidades de disco duro de alta capacidad y fiabilidad de Toshiba”.

Los lanzamientos previstos de Toshiba de unidades basadas en tecnología CRM y SMR que utilizan el mismo factor de forma de 3,5” proporcionan al CERN acceso a unidades de 16 y 18TB, añadiendo 432 TB de nueva capacidad por JBOD.

Larry Martinez-Palomo, director general de la unidad de negocio de HDD en Toshiba Electronics Europe, as noted: “nuestros productos Toshiba son adecuados para el almacenamiento a gran escala en centros de datos y el despliegue y la operación de tres generaciones de discos duros empresariales en el exigente entorno TI del CERN es una referencia perfecta de caso de éxito”.

En cuanto a la actividad de I+D a más largo plazo, Toshiba está desarrollando una nueva generación de tecnología de grabación magnética que aumentará aún más las capacidades para superar los 20 TB por HDD, manteniendo el factor de forma de 3,5”.

“Confiamos en que nuestra próxima generación de tecnologías HDD contribuirá a resolver los desafiantes retos futuros del CERN en materia de capacidad de almacenamiento, presupuesto de inversión, consumo de energía y fiabilidad”, apunta Martinez-Palomo.