Smr и cmr в чем разница

5

жесткий диск cmr против smr

Обычная магнитная запись, также известная как CMR, и многослойная магнитная запись, также известная как SMR, являются примерами технологий, которые используются для физического хранения данных на жестких дисках (HDD).

CMR или SMR лучше для NAS?

Когда дело доходит до активного хранилища, лучшим вариантом будут жесткие диски CMR. Например, когда данные необходимо считывать и записывать с чрезвычайно высокой скоростью передачи или когда имеется чрезвычайно большой объем данных. Это жесткий диск, который рекомендуется использовать в устройствах NAS, в частности, когда имеется механизм резервирования.

Что не так с дисками SMR?

Во время больших операций записи он может увязнуть, и в этот момент он станет очень медленным (в среднем 10 МБ/с). Когда дело доходит до чтения, все работает отлично, а вот с записью проблема. Сказав это, технология SMR, используемая в этом накопителе, делает его одним из лучших на рынке по цене $s/TB; тем не менее, вы не должны ожидать, что он будет иметь потрясающую производительность.

Как отличить CMR от SMR?

Дорожки на жестких дисках CMR выровнены рядом друг с другом с небольшим промежутком между ними. Этот «обычный» метод изготовления жестких дисков используется уже несколько десятилетий. В более поздних жестких дисках SMR, чтобы вместить больше дорожек, отдельные сегменты черепицы были спроектированы так, чтобы слегка перекрывать друг друга.

Надежны ли диски SMR?

Жесткие диски SMR полезны только для резервного копирования данных, когда требуется большой объем недорогого места для хранения. Вы должны получить привод CMR для использования в качестве основного транспортного средства. Однако вы не должны использовать диски SMR в Raid или в сетевом запоминающем устройстве (NAS). Вы испытаете значительное снижение производительности, а также проблемы с восстановлением рейдов.

Подходит ли SMR для игр?

Все, кроме системного диска, является хорошим кандидатом для SMR. Любое запоминающее устройство, которое предполагает значительный объем записи, в любом случае должно быть SSD. Твердотельный накопитель — идеальный носитель для любого диска, содержащего значительный объем данных. Для достижения большей плотности SMR снижает производительность записи, что действительно ужасно.

Почему SMR такой медленный?

Согласно Blocks & Files, диски SMR предназначены для хранения большего количества данных на дисковой пластине, чем обычные диски с магнитной записью (CMR), за счет частичного перекрытия дорожек записи. Однако из-за такой конструкции скорость записи диска SMR значительно ниже, чем у диска без SMR.

WD Red SMR или CMR?

WD Red Pro не претерпел никаких изменений; все, что было сделано, это разъяснить, что вся линия является CMR. Покупатели не должны покупать диски WD Red SMR в будущем, если это уточнение и переименование будут реализованы, поскольку это предотвратит их случайное приобретение.

Используют ли диски Seagate SMR?

Жесткие диски производства Seagate Technology, Western Digital и Toshiba скрывают присутствие технологии SMR. Недавние расследования показали, что Seagate Technology, Western Digital и Toshiba внедрили технологию, известную как «Shingled Magnetic Recording» (SMR), в несколько моделей своих жестких дисков, не информируя об этом конечных пользователей.

Какие диски WD являются CMR?

Традиционные сетевые накопители (NAS) на основе магнитной записи (CMR) в семействе WD Red теперь носят название WD Red Plus. Эти накопители бывают емкостью от 1 терабайта до 14 терабайт.

Использует ли WD Blue SMR?

WD Blue и WD Black Series доступны в форм-факторе 2,5 дюйма. В серии жестких дисков WD Blue 2,5″ как 1 ТБ, так и 2 ТБ используют технологию SMR. Напротив, серия жестких дисков WD Black 2,5″ имеет только накопитель емкостью 1 ТБ, в котором используется технология SMR.

Можно ли использовать диски SMR в рейде?

Диски, поддерживающие режим управления дисками, можно использовать с RAID, включая как диски DM SMR, так и диски высокой доступности. Несмотря на то, что RAID совместим как с дисками SMR, так и с дисками CMR, не рекомендуется смешивать эти два типа дисков в одном массиве RAID из-за того, что их характеристики производительности сильно отличаются друг от друга.

Диски IronWolf SMR?

Жесткие диски NAS IronWolf и IronWolf Pro производства Seagate были протестированы и не содержат SMR.

Использует ли WD Blue SMR?

WD Blue и WD Black Series доступны в форм-факторе 2,5 дюйма. В серии жестких дисков WD Blue 2,5″ как 1 ТБ, так и 2 ТБ используют технологию SMR. Напротив, серия жестких дисков WD Black 2,5″ имеет только накопитель емкостью 1 ТБ, в котором используется технология SMR.

Можно ли использовать диски SMR в рейде?

Диски, поддерживающие режим управления дисками, можно использовать с RAID, включая как диски DM SMR, так и диски высокой доступности. Несмотря на то, что RAID совместим как с дисками SMR, так и с дисками CMR, не рекомендуется смешивать эти два типа дисков в одном массиве RAID из-за того, что их характеристики производительности сильно отличаются друг от друга.

Диски IronWolf SMR?

Жесткие диски NAS IronWolf и IronWolf Pro производства Seagate были протестированы и не содержат SMR.

Использует ли WD Blue SMR?

WD Blue и WD Black Series доступны в форм-факторе 2,5 дюйма. В серии жестких дисков WD Blue 2,5″ как 1 ТБ, так и 2 ТБ используют технологию SMR. Напротив, серия жестких дисков WD Black 2,5″ имеет только накопитель емкостью 1 ТБ, в котором используется технология SMR.

Можно ли использовать диски SMR в рейде?

Диски, поддерживающие режим управления дисками, можно использовать с RAID, включая как диски DM SMR, так и диски высокой доступности. Несмотря на то, что RAID совместим как с дисками SMR, так и с дисками CMR, не рекомендуется смешивать эти два типа дисков в одном массиве RAID из-за того, что их характеристики производительности сильно отличаются друг от друга.

Диски IronWolf SMR?

Жесткие диски NAS IronWolf и IronWolf Pro производства Seagate были протестированы и не содержат SMR.

CMR против SMR: выводим производителей HDD на чистую воду

Страница 1: CMR против SMR: выводим производителей HDD на чистую воду

Интерес к магнитной записи SMR за последние месяцы значительно возрос. Причина в том, что производители жестких дисков выпустили ряд моделей, использующих SMR, но не указали это в спецификациях. Между тем наши тесты определенно указывали на наличие SMR. Последним примером можно назвать WD Red 6 TB WD60EFAX, жесткий диск для NAS с явным использованием SMR по результатам тестов. Позднее WD уже официально подтвердила использование SMR в данной модели. Но так ли плоха магнитная запись SMR? В статье мы подробно расскажем о данной технологии, взвесим преимущества и недостатки, чтобы наши читатели смогли сделать обоснованный выбор. Конечно, мы приведем список моделей разных производителей с использованием SMR.

Когда мы начинали наше руководство, скандал насчет линейки Western Digital RED еще не полыхал во всю силу. Сегодня же появилось еще больше аргументов для публикации подобной статьи. Тем более многие пользователи паникуют, если обнаружат SMR в своих накопителях, чаще всего совершенно напрасно. Но позвольте рассказать обо всем по порядку.

Технология перпендикулярной магнитной записи PMR является преемником продольной LMR (Longitudinal Magnetic Recording). В случае LMR магнитные домены расположены параллельно плоскости пластины диска. Чтобы повысить плотность расположения доменов, в случае PMR или перпендикулярной магнитной записи они ориентированы уже вертикально. Конечно, такой шаг привел к полной перестройке головок чтения/записи, которые отличаются от классических головок LMR. Благодаря вертикальной ориентации магнитных доменов удалось увеличить плотность записи в три раза по сравнению с LMR. Производители HDD Toshiba и Seagate используют PMR с середины нулевых годов. Переход на PMR позволил увеличить емкость выше 750 Гбайт в стандартном 3,5″ формате, а также получить 300 Гбайт на 15.000 об/мин у жестких дисков SAS без чрезмерного нагрева.

Два данных способа одинаковы в том, что головки чтения/записи выполняют запись напрямую на целевую дорожку, не затрагивая соседние. К сожалению, в случае SMR это сделать уже не получится.

Как можно догадаться по названию «черепичная» магнитная запись SMR (Shingled Magnetic Recording), дорожки накладываются друг на друга как черепица. Идея возникла из-за разных размеров головок: для чтения головка может быть очень маленькой, но головка записи физически намного крупнее. Поэтому дорожки можно расположить плотнее, сохранив их читаемость. Но при записи целевой дорожки придется перезаписывать и соседнюю, с которой имеется «перехлест». Затем следующую, если в ней есть данные. В худшем случае придется переписать все дорожки зоны. Но благодаря меньшему расстоянию между дорожками плотность записи существенно увеличивается по сравнению с PMR.

Жесткие диски SMR оснащаются дисковым кэшем (on-disk cache) на быстрых внешних дорожках, который дополняет традиционный кэш контроллера. Дисковый кэш записывается по технологии PMR без перехлеста дорожек. При поступлении данных на запись HDD размещает их в кэше, а позднее контроллер диска перемещает данные в область SMR. Собственно, в этом и кроется недостаток всей концепции. Если быстрый дисковый кэш заполнится до того, как контроллер перенесет его содержимое в область SMR, то входящий поток данных придется притормозить на время очистки кэша. После чего новые данные уже можно записывать в кэш. Так что если вы будете записывать на жесткий диск SMR большой массив данных, то после определенного объема скорость записи существенно снизится. Технологию SMR разделяют на управляемую диском (device-managed) и управляемую хостом (host-managed). В последнем случае процесс записи данных регламентируется не контроллером HDD, а операционной системой или драйвером.

Ниже мы привели несколько фактов, которые следует принимать во внимание при чтении статьи.

• Поскольку вместе с SMR используется и PMR, жесткие диски только с PMR часто называют CMR (обычная магнитная запись — conventional magnetic recording). Если вы знаете преимущества и недостатки обеих технологий, то сможете воспользоваться ими наиболее оптимально.

• В случае SMR жесткие диски содержат меньше пластин, поэтому потребляют меньше энергии. Но здесь следует учитывать особенности записи.

• Если вам нужны жесткие диски, обеспечивающие максимальную скорость записи, следует брать «чистые» модели PMR или CMR.

К сожалению, есть другая проблема. Производители жестких дисков, особенно в потребительском сегменте, не спешат публично раскрывать преимущества и недостатки SMR, когда используют данную технологию.

Seagate использует SMR (device managed) в тех же жестких дисках BarraCuda (3,5″), FireCuda SSHD (2,5″), BarraCuda и BarraCuda Pro в формате 2,5″. 3,5″ жесткие диски BarraCuda Pro, все модели IronWolf, IronWolf Pro, SkyHawk AI и Exos X работают по технологии CMR. В линейке SkyHawk на рынке присутствуют обе версии (HDD SMR объявлены, но еще не вышли на рынок). К сожалению, маркетинговые материалы не уточняют используемые технологии записи. Но Seagate публикует довольно подробные технические характеристики, которые позволяют легко и быстро узнать нужную информацию.

Что касается Western Digital, лишь некоторые жесткие диски линейки UltraStar (ранее HGST) опираются на SMR (device managed и host-managed). Новые жесткие диски Red и Blue, начиная с 2018 года с функцией дискового кэша (см. наш тест WD60EFAX), а также ряд моделей Red используют SMR. В отличие от Seagate, способ записи по спецификациям узнать невозможно. То же самое касается и Toshiba, которая подтвердила, что не собирается публиковать информацию об используемом методе записи. Между тем модели линейки P300 используют SMR, хотя об этом нигде не указано.

Многие пользователи жалуются на то, что после приобретения жестких дисков SMR они столкнулись с проблемой резкого падения скорости записи при продолжительной нагрузке. Здесь нельзя говорить о том, что жесткий диск «плохой», как можно часто слышать. Просто HDD для данного сценария выбран неудачно. С другой стороны, кто мешал производителям жестких дисков в полной мере информировать пользователей об имеющихся особенностях?

Жесткие диски SMR не такие плохие, как можно было бы подумать. Мы протестировали немало жестких дисков в лаборатории, как с SMR, так и без. Есть сценарии, для которых жесткие диски SMR отлично подойдут. Об этом мы поговорим в конце статьи, а пока позвольте пояснить, как можно узнать наличие SMR на практике.

Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).

Мы рекомендуем ознакомиться с нашим руководством по выбору SSD. Если подбирать SSD для компьютера, то придется разбираться со многими техническими тонкостями: в спецификациях указываются контроллер, интерфейс, тип флэш-памяти, характеристики надежности и многое другое. Поэтому неопытные пользователи могут легко запутаться в подобной информации. В нашем руководстве мы рассмотрим наиболее важные характеристики и отличия, поговорим об актуальных технологиях, интерфейсах и форм-факторах. А также приведем советы экспертов.

Мы подготовили руководство по выбору лучшего SSD за свои деньги на текущий квартал. Оно поможет сориентироваться во всем многообразии накопителей и подобрать самый оптимальный вариант.

Технологии магнитной записи HDD: просто о сложном

Первый в мире жесткий диск, IBM RAMAC 305, увидевший свет в 1956 году, вмещал лишь 5 МБ данных, а весил при этом 970 кг и по габаритам был сопоставим с промышленным рефрижератором. Современные корпоративные флагманы способны похвастаться емкостью уже в 20 ТБ. Только представьте себе: 64 года назад, для того чтобы записать такое количество информации, потребовалось бы свыше 4 миллионов RAMAC 305, а размеры ЦОДа, необходимого для их размещения, превысили бы 9 квадратных километров, тогда как сегодня для этого будет достаточно маленькой коробочки весом около 700 грамм! Во многом добиться столь невероятного повышения плотности хранения удалось благодаря совершенствованию методов магнитной записи.
В это сложно поверить, однако принципиально конструкция жестких дисков не меняется вот уже почти 40 лет, начиная с 1983 года: именно тогда свет увидел первый 3,5-дюймовый винчестер RO351, разработанный шотландской компанией Rodime. Этот малыш получил две магнитные пластины по 10 МБ каждая, то есть был способен вместить вдвое больше данных, чем обновленный ST-412 на 5,25 дюйма, выпущенный Seagate в том же году для персональных компьютеров IBM 5160.

Rodime RO351 — первый в мире 3,5-дюймовый винчестер

Несмотря на инновационность и компактные размеры, на момент выхода RO351 оказался практически никому не нужен, а все дальнейшие попытки Rodime закрепиться на рынке винчестеров потерпели фиаско, из-за чего в 1991 году компания была вынуждена прекратить свою деятельность, распродав практически все имеющиеся активы и сократив штат до минимума. Однако стать банкротом Rodime оказалось не суждено: в скором времени к ней начали обращаться крупнейшие производители винчестеров, желающие приобрести лицензию на использование запатентованного шотландцами форм-фактора. В настоящее время 3,5 дюйма является общепринятым стандартом производства как потребительских HDD, так и накопителей корпоративного класса.

С появлением нейросетей, Deep Learning и интернета вещей (IoT) объем создаваемых человечеством данных стал лавинообразно расти. По оценкам аналитического агентства IDC, к 2025 году количество информации, генерируемой как самими людьми, так и окружающими нас девайсами, достигнет 175 зеттабайт (1 Збайт = 10 21 байт), и это при том, что в 2019-м таковое составляло 45 Збайт, в 2016-м — 16 Збайт, а в далеком 2006-м общий объем данных, произведенных за всю обозримую историю, не превышал 0,16 (!) Збайт. Справиться с информационным взрывом помогают современные технологии, среди которых не последнее место занимают усовершенствованные методы записи данных.

LMR, PMR, CMR и TDMR: в чем разница?

Принцип работы жестких дисков достаточно прост. Тонкие металлические пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала (кристаллического вещества, способного сохранять намагниченность даже при отсутствии воздействия на него внешнего магнитного поля при температуре ниже точки Кюри) движутся относительно блока пишущих головок на большой скорости (5400 оборотов в минуту или более). При подаче электрического тока на пишущую головку возникает переменное магнитное поле, которое изменяет направление вектора намагниченности доменов (дискретных областей вещества) ферромагнетика. Считывание данных происходит либо за счет явления электромагнитной индукции (перемещение доменов относительно сенсора вызывает в последнем возникновение переменного электрического тока), либо за счет гигантского магниторезистивного эффекта (под действием магнитного поля изменяется электрическое сопротивление датчика), как это реализовано в современных накопителях. Каждый домен кодирует один бит информации, принимая логическое значение «0» или «1» в зависимости от направления вектора намагниченности.

Долгое время жесткие диски использовали метод продольной магнитной записи (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), при котором вектор намагниченности доменов лежал в плоскости магнитной пластины. Несмотря на относительную простоту реализации, данная технология имела существенный недостаток: для того чтобы побороть коэрцитивность (переход магнитных частиц в однодоменное состояние), между треками приходилось оставлять внушительную буферную зону (так называемое guard space — защитное пространство). Вследствие этого максимальная плотность записи, которой удалось добиться на закате данной технологии, составляла всего 150 Гбит/дюйм 2 .

В 2010 году LMR была практически полностью вытеснена PMR (Perpendicular Magnetic Recording — перпендикулярная магнитная запись). Главное отличие данной технологии от продольной магнитной записи состоит в том, что вектор магнитной направленности каждого домена располагается под углом 90° к поверхности магнитной пластины, что позволило существенно сократить промежуток между треками.

За счет этого плотность записи данных удалось заметно увеличить (до 1 Тбит/дюйм 2 в современных устройствах), при этом не жертвуя скоростными характеристиками и надежностью винчестеров. В настоящее время перпендикулярная магнитная запись является доминирующей на рынке, в связи с чем ее также часто называют CMR (Conventional Magnetic Recording — обычная магнитная запись). При этом надо понимать, что между PMR и CMR нет ровным счетом никакой разницы — это всего лишь другой вариант названия.

Изучая технические характеристики современных жестких дисков, вы также можете наткнуться на загадочную аббревиатуру TDMR. В частности, данную технологию используют накопители корпоративного класса Western Digital Ultrastar 500-й серии. С точки зрения физики TDMR (что расшифровывается как Two Dimensional Magnetic Recording — двумерная магнитная запись) ничем не отличается от привычной нам PMR: как и прежде, мы имеем дело с непересекающимися треками, домены в которых ориентированы перпендикулярно плоскости магнитных пластин. Разница между технологиями заключается в подходе к считыванию информации.

В блоке магнитных головок винчестеров, созданных по технологии TDMR, на каждую пишущую головку приходятся по два считывающих сенсора, осуществляющих одновременное чтение данных с каждого пройденного трека. Такая избыточность дает возможность контроллеру HDD эффективно фильтровать электромагнитные шумы, появление которых обусловлено межтрековой интерференцией (Intertrack Interference, ITI).

Решение проблемы с ITI обеспечивает два чрезвычайно важных преимущества:

1. снижение коэффициента помех позволяет повысить плотность записи за счет уменьшения расстояния между треками, обеспечивая выигрыш по общей емкости вплоть до 10% по сравнению с обычной PMR;
2. в сочетании с технологией RVS и трехпозиционным микроактуатором, TDMR позволяет эффективно противостоять ротационной вибрации, вызванной работой винчестеров, что помогает добиться стабильного уровня производительности даже в наиболее сложных условиях эксплуатации.

Что такое SMR и с чем его едят?

Размеры пишущей головки примерно в 1,7 раза больше по сравнению с размерами считывающего сенсора. Столь внушительная разница объясняется достаточно просто: если записывающий модуль сделать еще более миниатюрным, силы магнитного поля, которое он сможет генерировать, окажется недостаточно для намагничивания доменов ферромагнитного слоя, а значит, данные попросту не будут сохраняться. В случае со считывающим сенсором такой проблемы не возникает. Более того: его миниатюризация позволяет дополнительно снизить влияние упомянутой выше ITI на процесс считывания информации.

Данный факт лег в основу черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR). Давайте разбираться, как это работает. При использовании традиционного PMR пишущая головка смещается относительно каждого предыдущего трека на расстояние, равное ее ширине + ширина защитного пространства (guard space).

При использовании черепичного метода магнитной записи пишущая головка смещается вперед лишь на часть своей ширины, поэтому каждый предыдущий трек оказывается частично перезаписан последующим: магнитные дорожки накладываются друг на друга подобно кровельной черепице. Такой подход позволяет дополнительно повысить плотность записи, обеспечивая выигрыш по емкости до 10%, при этом не отражаясь на процессе чтения. В качестве примера можно привести Western Digital Ultrastar DC HC 650 — первые в мире 3.5-дюймовые накопители объемом 20 ТБ с интерфейсом SATA/SAS, появление которых стало возможным именно благодаря новой технологии магнитной записи. Таким образом, переход на SMR-диски позволяет повысить плотность хранения данных в тех же стойках при минимальных затратах на модернизацию IT-инфраструктуры.

Несмотря на столь значительное преимущество, SMR имеет и очевидный недостаток. Поскольку магнитные дорожки накладываются друг на друга, при обновлении данных потребуется перезапись не только требуемого фрагмента, но и всех последующих треков в пределах магнитной пластины, объем которой может превышать 2 терабайта, что чревато серьезным падением производительности.

Решить данную проблему помогает объединение определенного количества треков в обособленные группы, называемые зонами. Хотя такой подход к организации хранения данных несколько снижает общую емкость HDD (поскольку между зонами необходимо сохранять достаточные промежутки, препятствующие перезаписи треков из соседних групп), это позволяет существенно ускорить процесс обновления данных, так как теперь в нем участвует лишь ограниченное количество дорожек.

Черепичная магнитная запись предполагает несколько вариантов реализации:

• Drive Managed SMR (SMR, управляемая диском)

Недостаток этого подхода заключается в изменчивости уровня производительности, в связи с чем Drive Managed SMR оказывается неподходящей для корпоративных приложений, в которых постоянство быстродействия системы является критически важным параметром. Тем не менее такие диски хорошо показывают себя в сценариях, предоставляющих достаточное время для выполнения фоновой дефрагментации данных. Так, например, DMSMR-накопители WD Red, оптимизированные для использования в составе малых NAS на 8 отсеков, станут отличным выбором для системы архивирования или резервного копирования, предполагающей долговременное хранение бэкапов.

• Host Managed SMR (SMR, управляемая хостом)

При использовании HMSMR весь доступный объем накопителя разделяется на зоны двух типов: Conventional Zones (обычные зоны), которые используются для хранения метаданных и произвольной записи (по сути, играют роль кэша), и Sequential Write Required Zones (зоны последовательной записи), занимающие большую часть общей емкости жесткого диска, в которых данные записываются строго последовательно. Неупорядоченные данные сохраняются в области кэширования, откуда затем могут быть перенесены в соответствующую зону последовательной записи. Благодаря этому все физические сектора записываются последовательно в радиальном направлении и перезаписываются только после циклического переноса, что позволяет добиться стабильной и предсказуемой производительности системы. При этом HMSMR-диски поддерживают команды произвольного чтения аналогично накопителям, использующим стандартный PMR.

Host Managed SMR реализована в жестких дисках enterprise-класса Western Digital Ultrastar HC DC 600-й серии.

Линейка включает в себя SATA- и SAS-накопители высокой емкости, ориентированные на использование в составе гипермасштабных центров обработки данных. Поддержка Host Managed SMR существенно расширяет сферу применения таких винчестеров: помимо систем резервного копирования, они прекрасно подойдут для облачных хранилищ, CDN или стриминговых платформ. Высокая емкость жестких дисков позволяет существенно повысить плотность хранения (в тех же стойках) при минимальных затратах на апгрейд, а низкое энергопотребление (не более 0,29 Ватта на каждый терабайт сохраненной информации) и тепловыделение (в среднем на 5 °C ниже, чем у аналогов) — дополнительно сократить операционные расходы на обслуживание ЦОДа.

Единственным недостатком HMSMR является сравнительная сложность имплементации. Все дело в том, что на сегодняшний день ни одна операционная система или приложение не умеют работать с подобными накопителями «из коробки», в силу чего для адаптации IT-инфраструктуры требуются серьезные изменения стека программного обеспечения. В первую очередь это касается, конечно же, самой ОС, что в условиях современных ЦОД, использующих многоядерные и многосокетные сервера, является достаточно нетривиальной задачей. Узнать подробнее о вариантах реализации поддержки Host Managed SMR можно на специализированном ресурсе ZonedStorage.io, посвященном вопросам зонального хранения данных. Собранные здесь сведения помогут предварительно оценить степень готовности вашей IT-инфраструктуры для перевода на зональные системы хранения.

• Host Aware SMR (SMR, поддерживаемая хостом)

Подобно Host Managed SMR, Host Aware SMR использует два типа зон: Conventional Zones для произвольной записи и Sequential Write Preferred Zones (зоны, предпочтительные для последовательной записи). Последние, в отличие от упомянутых выше Sequential Write Required Zones, автоматически переводятся в разряд обычных в том случае, если в них начинает вестись неупорядоченная запись данных.

Реализация SMR с поддержкой хоста предусматривает внутренние механизмы восстановления после непоследовательной записи. Неупорядоченные данные записываются в области кэширования, откуда диск может переносить информацию в зону последовательной записи, после того как будут получены все необходимые блоки. Для управления неупорядоченной записью и фоновой дефрагментацией диск использует таблицу косвенного обращения. Однако, если корпоративным приложениям требуется предсказуемая и оптимизированная производительность, достичь этого по-прежнему можно лишь в случае, когда хост берет на себя полное управление всеми потоками данных и зонами записи.

Smr и cmr в чем разница

Тест на применение черепичной записи (SMR) в жестком диске ⁠ ⁠

Преимущество технологии черепичной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR) по сравнению с традиционной (Conventional Magnetic Recording, CMR) в том, что благодаря частичному наложению друг на друга, можно сделать ширину трека меньше, при той же ширине головки записи. Что позволяет разместить больше треков на пластине, повысив тем самым плотность записи.

Недостаток же SMR в том, что в процессе записи уничтожаются данные на соседнем, следующем за записываемым треком. Поэтому требуется перезаписывать и соседний трек тоже. Но при этом потребуется перезаписать данные уже на следующем треке. И так далее.

Для того, чтобы не пришлось перезаписывать весь диск до конца, «черепичные» треки разбиваются на группы, называемые лентами. При этом на современных SMR дисках механизм позиционирования не обладает достаточной точностью для того, чтобы обеспечить частичную перезапись ленты. Лента записывается только целиком, сразу от начала до конца.

Также пластины SMR дисков содержат и «обычные» треки, которые используются для кэширования данных в процессе записи лент. Эти треки размещаются в отдельных, выделенных для этих целей областях, часто между лентами.

В процессе работы диск сначала пишет данные в кэш, на обычные треки. И пока кэш не заполнен, скорость записи сравнима с таковой для CMR дисков. Потому что при этом и происходит обычная запись. Затем устройство в фоновом режиме раскладывает данные по лентам.

Таким образом, для обновления данных в конкретном секторе жесткому диску с технологией SMR может потребоваться выполнить объём записи во много раз превышающий таковой для CMR диска в аналогичной ситуации.

Пока кэш не заполнен полностью, SMR диск будет вести себя вполне пристойно. Но после заполнения, что может запросто происходить при определённых сценариях использования, произойдёт многократное падение скорости записи.

Поэтому, если ваши планы включают в себя большие объёмы нелинейной записи, совершенно точно стоит для их осуществления использовать CMR диск а не SMR.

Как узнать, какая технология записи используется в жестком диске

До недавнего времени все производители за исключением Toshiba скрывали использование технологии SMR в своих устройствах. Она не упоминалось в описаниях моделей и не обозначалась предназначенным для этой цели стандартом битом в паспорте накопителя.

После ряда скандалов Seagate и WDC начали публиковать списки накопителей, в которых иcпользуется технология SMR. Также в сети можно подобные списки составленные независимыми от производителей людьми.

Тем не менее, эта характеристика до сих пор не указывается в описании устройств при их продаже в онлайн и офлайн магазинах. По крайней мере, я этого нигде не видел.

Таким образом, если вы обдумываете покупку конкретной модели жесткого диска, то ищите упомянутые выше списки, вбив в поисковую строку «smr drive list» или «список SMR дисков».

Если же устройство уже попало к вам в руки, то тут способа определения три:

• В случае диска Toshiba, достаточно просто посмотреть в паспорт.

• На устройствах нарушающих стандарт и скрывающих применение SMR, утилита R.tester умеет определять использование этой технологии на основе определения вендор-семейства и знаний об их особенностях.

• Тесты чтения-записи с должным образом подобранными параметрами наглядно выявляют использование SMR. И иллюстрируют причины нередкого возмущения владельцев подобных устройств.

Далее о каждом из этих способов подробнее.

Для дисков Toshiba

На жестких дисках с SMR установлены соответствующие биты в паспорте накопителя, как и положено в соответствии с АТА-стандартом.

Определение использования SMR по вендор-семействам

Паспорт можно смотреть чем угодно. По вендор-семействам наличие SMR, на сколько мне известно, сейчас умеет определять только R.tester.

Тесты жесткого диска SMR и сравнение с CMR накопителем

Если диск заполнен информацией частично, то определить использование SMR можно даже с помощью теста чтения.

Благодаря особенности работы прошивки, на данный момент характерной только для SMR устройств. Микропрограмма знает какие из секторов пустые и даже не пытается их читать, сразу отдавая нули в ответ на запрос чтения. Чтение с поверхности пластины при этом не выполняется. Вот так в результате выглядит график чтения до середины SMR диска, заполненного данными на четверть:

Наиболее наглядным тестом записи будет такой вариант, при котором кэш заполняется максимально быстро, а его раскладывание по лентам потребует записи в разные ленты.

Предполагаю, что для большинства моделей SMR дисков и способов подключения к компьютеру, таким способом будет случайная запись блоками размером в 2048 секторов.

Если заменить случайную запись на линейную с прыжками и подобрать размер прыжков таким образом, чтобы попадать в каждую ленту один-два раза, кэш будет заполняться с той же скоростью, но результат будет более наглядным. Так как ось адреса на графике будет одновременно являться осью времени, хоть и в нелинейном масштабе.

В качестве характерного размера ленты можно ориентироваться на 524288 блоков. Это число я и использовал в качестве размера прыжка в настройках теста.

По итогу выполнения большого количества тестов SMR дисков могу сказать, что формы графиков могут отличаться достаточно сильно. Даже для одного конкретного экземпляра диска. Причём очень сильно влияют даже такие казалось бы малозначительные вещи как отступ от нулевого LBA перед началом записи. Не говоря уже о заполненности кэша перед началом записи, распределении данных по диску и особенностей работы конкретных моделей.

Тем не менее, одного взгляда на результаты теста SMR диска, в сравнении с результатами CМR, вам будет достаточно для того, чтобы понять что за устройство перед вами.

Вот, к примеру. Два теста одного и того же диска. Причём в обоих случаях диск был заполнен одинаково и каждый раз ему давалось несколько часов перед запуском теста на очистку кэша. Собственно условия выполнения каждого теста были одинаковыми. Почему форма графиков так сильно отличается — достоверно не знаю, есть только предположения.

Диск исправен. За все три цикла записи пишется всего порядка 30 Гигабайт. Обратите внимание на катастрофическое падение скорости записи.

Теперь другая модель, снова одинаковые параметры тестов:

Почему я написал о том, что конкретная форма графика в данном случае не важна? Потому что всё равно сразу понятно кто есть кто, если знать как должен выглядеть график для исправного CMR диска:

Фоновый процесс раскладывания кэша по лентам влияет на производительность устройства в целом, не только скорость записи. Даже скорость чтения падает. Вот тест чтения, который был выполнен сразу после записи в одном наборе тестов:

Такие тесты также можно использовать для определения использования SMR.

В дополнение

Если вас интересуют детальные настройки тестов или полные наборы результатов — пишите, выложу.

Мой коллега сделал видеоролик на тему тестирования SMR дисков. Он получился достаточно коряво, но было решено что лучше выложить сейчас как есть, поскольку перспектива появления улучшенной версии с нашими навыками видеоблогинга выглядела сомнительной.

Технологии магнитной записи HDD: просто о сложном

Первый в мире жесткий диск, IBM RAMAC 305, увидевший свет в 1956 году, вмещал лишь 5 МБ данных, а весил при этом 970 кг и по габаритам был сопоставим с промышленным рефрижератором. Современные корпоративные флагманы способны похвастаться емкостью уже в 20 ТБ. Только представьте себе: 64 года назад, для того чтобы записать такое количество информации, потребовалось бы свыше 4 миллионов RAMAC 305, а размеры ЦОДа, необходимого для их размещения, превысили бы 9 квадратных километров, тогда как сегодня для этого будет достаточно маленькой коробочки весом около 700 грамм! Во многом добиться столь невероятного повышения плотности хранения удалось благодаря совершенствованию методов магнитной записи.
В это сложно поверить, однако принципиально конструкция жестких дисков не меняется вот уже почти 40 лет, начиная с 1983 года: именно тогда свет увидел первый 3,5-дюймовый винчестер RO351, разработанный шотландской компанией Rodime. Этот малыш получил две магнитные пластины по 10 МБ каждая, то есть был способен вместить вдвое больше данных, чем обновленный ST-412 на 5,25 дюйма, выпущенный Seagate в том же году для персональных компьютеров IBM 5160.

Rodime RO351 — первый в мире 3,5-дюймовый винчестер

Несмотря на инновационность и компактные размеры, на момент выхода RO351 оказался практически никому не нужен, а все дальнейшие попытки Rodime закрепиться на рынке винчестеров потерпели фиаско, из-за чего в 1991 году компания была вынуждена прекратить свою деятельность, распродав практически все имеющиеся активы и сократив штат до минимума. Однако стать банкротом Rodime оказалось не суждено: в скором времени к ней начали обращаться крупнейшие производители винчестеров, желающие приобрести лицензию на использование запатентованного шотландцами форм-фактора. В настоящее время 3,5 дюйма является общепринятым стандартом производства как потребительских HDD, так и накопителей корпоративного класса.

С появлением нейросетей, Deep Learning и интернета вещей (IoT) объем создаваемых человечеством данных стал лавинообразно расти. По оценкам аналитического агентства IDC, к 2025 году количество информации, генерируемой как самими людьми, так и окружающими нас девайсами, достигнет 175 зеттабайт (1 Збайт = 10 21 байт), и это при том, что в 2019-м таковое составляло 45 Збайт, в 2016-м — 16 Збайт, а в далеком 2006-м общий объем данных, произведенных за всю обозримую историю, не превышал 0,16 (!) Збайт. Справиться с информационным взрывом помогают современные технологии, среди которых не последнее место занимают усовершенствованные методы записи данных.

LMR, PMR, CMR и TDMR: в чем разница?

Принцип работы жестких дисков достаточно прост. Тонкие металлические пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала (кристаллического вещества, способного сохранять намагниченность даже при отсутствии воздействия на него внешнего магнитного поля при температуре ниже точки Кюри) движутся относительно блока пишущих головок на большой скорости (5400 оборотов в минуту или более). При подаче электрического тока на пишущую головку возникает переменное магнитное поле, которое изменяет направление вектора намагниченности доменов (дискретных областей вещества) ферромагнетика. Считывание данных происходит либо за счет явления электромагнитной индукции (перемещение доменов относительно сенсора вызывает в последнем возникновение переменного электрического тока), либо за счет гигантского магниторезистивного эффекта (под действием магнитного поля изменяется электрическое сопротивление датчика), как это реализовано в современных накопителях. Каждый домен кодирует один бит информации, принимая логическое значение «0» или «1» в зависимости от направления вектора намагниченности.

Долгое время жесткие диски использовали метод продольной магнитной записи (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), при котором вектор намагниченности доменов лежал в плоскости магнитной пластины. Несмотря на относительную простоту реализации, данная технология имела существенный недостаток: для того чтобы побороть коэрцитивность (переход магнитных частиц в однодоменное состояние), между треками приходилось оставлять внушительную буферную зону (так называемое guard space — защитное пространство). Вследствие этого максимальная плотность записи, которой удалось добиться на закате данной технологии, составляла всего 150 Гбит/дюйм 2 .

В 2010 году LMR была практически полностью вытеснена PMR (Perpendicular Magnetic Recording — перпендикулярная магнитная запись). Главное отличие данной технологии от продольной магнитной записи состоит в том, что вектор магнитной направленности каждого домена располагается под углом 90° к поверхности магнитной пластины, что позволило существенно сократить промежуток между треками.

За счет этого плотность записи данных удалось заметно увеличить (до 1 Тбит/дюйм 2 в современных устройствах), при этом не жертвуя скоростными характеристиками и надежностью винчестеров. В настоящее время перпендикулярная магнитная запись является доминирующей на рынке, в связи с чем ее также часто называют CMR (Conventional Magnetic Recording — обычная магнитная запись). При этом надо понимать, что между PMR и CMR нет ровным счетом никакой разницы — это всего лишь другой вариант названия.

Изучая технические характеристики современных жестких дисков, вы также можете наткнуться на загадочную аббревиатуру TDMR. В частности, данную технологию используют накопители корпоративного класса Western Digital Ultrastar 500-й серии. С точки зрения физики TDMR (что расшифровывается как Two Dimensional Magnetic Recording — двумерная магнитная запись) ничем не отличается от привычной нам PMR: как и прежде, мы имеем дело с непересекающимися треками, домены в которых ориентированы перпендикулярно плоскости магнитных пластин. Разница между технологиями заключается в подходе к считыванию информации.

В блоке магнитных головок винчестеров, созданных по технологии TDMR, на каждую пишущую головку приходятся по два считывающих сенсора, осуществляющих одновременное чтение данных с каждого пройденного трека. Такая избыточность дает возможность контроллеру HDD эффективно фильтровать электромагнитные шумы, появление которых обусловлено межтрековой интерференцией (Intertrack Interference, ITI).

Решение проблемы с ITI обеспечивает два чрезвычайно важных преимущества:

1. снижение коэффициента помех позволяет повысить плотность записи за счет уменьшения расстояния между треками, обеспечивая выигрыш по общей емкости вплоть до 10% по сравнению с обычной PMR;
2. в сочетании с технологией RVS и трехпозиционным микроактуатором, TDMR позволяет эффективно противостоять ротационной вибрации, вызванной работой винчестеров, что помогает добиться стабильного уровня производительности даже в наиболее сложных условиях эксплуатации.

Что такое SMR и с чем его едят?

Размеры пишущей головки примерно в 1,7 раза больше по сравнению с размерами считывающего сенсора. Столь внушительная разница объясняется достаточно просто: если записывающий модуль сделать еще более миниатюрным, силы магнитного поля, которое он сможет генерировать, окажется недостаточно для намагничивания доменов ферромагнитного слоя, а значит, данные попросту не будут сохраняться. В случае со считывающим сенсором такой проблемы не возникает. Более того: его миниатюризация позволяет дополнительно снизить влияние упомянутой выше ITI на процесс считывания информации.

Данный факт лег в основу черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR). Давайте разбираться, как это работает. При использовании традиционного PMR пишущая головка смещается относительно каждого предыдущего трека на расстояние, равное ее ширине + ширина защитного пространства (guard space).

При использовании черепичного метода магнитной записи пишущая головка смещается вперед лишь на часть своей ширины, поэтому каждый предыдущий трек оказывается частично перезаписан последующим: магнитные дорожки накладываются друг на друга подобно кровельной черепице. Такой подход позволяет дополнительно повысить плотность записи, обеспечивая выигрыш по емкости до 10%, при этом не отражаясь на процессе чтения. В качестве примера можно привести Western Digital Ultrastar DC HC 650 — первые в мире 3.5-дюймовые накопители объемом 20 ТБ с интерфейсом SATA/SAS, появление которых стало возможным именно благодаря новой технологии магнитной записи. Таким образом, переход на SMR-диски позволяет повысить плотность хранения данных в тех же стойках при минимальных затратах на модернизацию IT-инфраструктуры.

Несмотря на столь значительное преимущество, SMR имеет и очевидный недостаток. Поскольку магнитные дорожки накладываются друг на друга, при обновлении данных потребуется перезапись не только требуемого фрагмента, но и всех последующих треков в пределах магнитной пластины, объем которой может превышать 2 терабайта, что чревато серьезным падением производительности.

Решить данную проблему помогает объединение определенного количества треков в обособленные группы, называемые зонами. Хотя такой подход к организации хранения данных несколько снижает общую емкость HDD (поскольку между зонами необходимо сохранять достаточные промежутки, препятствующие перезаписи треков из соседних групп), это позволяет существенно ускорить процесс обновления данных, так как теперь в нем участвует лишь ограниченное количество дорожек.

Черепичная магнитная запись предполагает несколько вариантов реализации:

• Drive Managed SMR (SMR, управляемая диском)

Недостаток этого подхода заключается в изменчивости уровня производительности, в связи с чем Drive Managed SMR оказывается неподходящей для корпоративных приложений, в которых постоянство быстродействия системы является критически важным параметром. Тем не менее такие диски хорошо показывают себя в сценариях, предоставляющих достаточное время для выполнения фоновой дефрагментации данных. Так, например, DMSMR-накопители WD Red, оптимизированные для использования в составе малых NAS на 8 отсеков, станут отличным выбором для системы архивирования или резервного копирования, предполагающей долговременное хранение бэкапов.

• Host Managed SMR (SMR, управляемая хостом)

При использовании HMSMR весь доступный объем накопителя разделяется на зоны двух типов: Conventional Zones (обычные зоны), которые используются для хранения метаданных и произвольной записи (по сути, играют роль кэша), и Sequential Write Required Zones (зоны последовательной записи), занимающие большую часть общей емкости жесткого диска, в которых данные записываются строго последовательно. Неупорядоченные данные сохраняются в области кэширования, откуда затем могут быть перенесены в соответствующую зону последовательной записи. Благодаря этому все физические сектора записываются последовательно в радиальном направлении и перезаписываются только после циклического переноса, что позволяет добиться стабильной и предсказуемой производительности системы. При этом HMSMR-диски поддерживают команды произвольного чтения аналогично накопителям, использующим стандартный PMR.

Host Managed SMR реализована в жестких дисках enterprise-класса Western Digital Ultrastar HC DC 600-й серии.

Линейка включает в себя SATA- и SAS-накопители высокой емкости, ориентированные на использование в составе гипермасштабных центров обработки данных. Поддержка Host Managed SMR существенно расширяет сферу применения таких винчестеров: помимо систем резервного копирования, они прекрасно подойдут для облачных хранилищ, CDN или стриминговых платформ. Высокая емкость жестких дисков позволяет существенно повысить плотность хранения (в тех же стойках) при минимальных затратах на апгрейд, а низкое энергопотребление (не более 0,29 Ватта на каждый терабайт сохраненной информации) и тепловыделение (в среднем на 5 °C ниже, чем у аналогов) — дополнительно сократить операционные расходы на обслуживание ЦОДа.

Единственным недостатком HMSMR является сравнительная сложность имплементации. Все дело в том, что на сегодняшний день ни одна операционная система или приложение не умеют работать с подобными накопителями «из коробки», в силу чего для адаптации IT-инфраструктуры требуются серьезные изменения стека программного обеспечения. В первую очередь это касается, конечно же, самой ОС, что в условиях современных ЦОД, использующих многоядерные и многосокетные сервера, является достаточно нетривиальной задачей. Узнать подробнее о вариантах реализации поддержки Host Managed SMR можно на специализированном ресурсе ZonedStorage.io, посвященном вопросам зонального хранения данных. Собранные здесь сведения помогут предварительно оценить степень готовности вашей IT-инфраструктуры для перевода на зональные системы хранения.

• Host Aware SMR (SMR, поддерживаемая хостом)

Подобно Host Managed SMR, Host Aware SMR использует два типа зон: Conventional Zones для произвольной записи и Sequential Write Preferred Zones (зоны, предпочтительные для последовательной записи). Последние, в отличие от упомянутых выше Sequential Write Required Zones, автоматически переводятся в разряд обычных в том случае, если в них начинает вестись неупорядоченная запись данных.

Реализация SMR с поддержкой хоста предусматривает внутренние механизмы восстановления после непоследовательной записи. Неупорядоченные данные записываются в области кэширования, откуда диск может переносить информацию в зону последовательной записи, после того как будут получены все необходимые блоки. Для управления неупорядоченной записью и фоновой дефрагментацией диск использует таблицу косвенного обращения. Однако, если корпоративным приложениям требуется предсказуемая и оптимизированная производительность, достичь этого по-прежнему можно лишь в случае, когда хост берет на себя полное управление всеми потоками данных и зонами записи.

Жесткие диски SMR: за и против

Разбираемся, как работают винчестеры с «черепичной» магнитной записью, есть ли у них преимущества, и в чем заключаются недостатки

Покупая жесткий диск, пользователи ориентируются на объем, форм-фактор, скорость вращения шпинделя и размер кэша. Однако есть еще одна характеристика, которая существенно влияет на производительность винчестеров – технология записи.

Технология записи жестких дисков

Схема работы жесткого диска не сложная. Круглые пластины из металла с покрытием из ферромагнитного сплава, вращаются на шпинделе. На пишущие головки подается напряжение, которое намагничивает участки дисков. Каждый намагниченный участок называется доменом, и хранит бит данных, приобретая значения 0 или 1. Значение домена определяется магнитным вектором.

Сейчас в жестких дисках используется две технологии записи информации:

CMR – аббревиатура от «conventional magnetic recording», что обозначает «обычная магнитная запись». Из названия видно, что это стандартная технология записи, которая распространена у большинства современных жестких дисков.

На самом деле, CMR – это упрощенный вариант, произошедший от аббревиатуры PMR, обозначающей технологию перпендикулярной записи. Это значит, что вектор намагниченности доменов располагается под прямым углом к плоскости диска, то есть перпендикулярно. В CMR-накопителях при записи информации треки (дорожки) накладываются параллельно, не взаимодействуя друг с другом.

SMR – черепичная магнитная запись. Все треки записываются, частично накладываясь на предыдущий, словно черепица на крыше. Если необходимо перезаписать информацию в середине массива, системе придется продублировать второй трек, который наложен сверху, что влечет за собой перезапись третьего по счету и дальше по цепочке.

Чтоб избежать перезаписи всего диска, дорожки объединяют в ленты. При записи информации, обновление треков не выходит за пределы одной ленты.

Управление процессами записи и перезаписи осуществляется компонентами самого диска или и с участием системы ПК:

DM-SMR – запись регулируется только контроллером. К этой группе относится большинство жестких дисков пользовательского сегмента.

HM-SMR – процессы записи и чтения контролируются системой (хостом), а фиксация данных осуществляется строго последовательно.

HA-SMR – комбинация двух технологий, процессы записи могут контролироваться силами винчестера или хоста.

Также в различных источниках можно встретить упоминание о технологии LMR. Это продольная запись, при которой магнитный вектор находится на плоскости диска. Технология устаревшая и с 2010 года не используется.

Плюсы и минусы SMR

У дисков с черепичной технологией записи есть определенные преимущества:

• Наслоение треков позволяет существенно экономить место на физическом диске винчестера, а значит повышается емкость накопителя.

• Необходимого объема накопителя можно достичь меньшим количеством физических дисков, следовательно, уменьшается вес, энергопотребление, шум и степень нагрева.
• SMR-диски имеют меньшую себестоимость.

Не обошлось и без недостатков:

• При регулярной перезаписи информации, диск быстрее изнашивается, появляются ошибки и битые сектора.
• Если объем перезаписываемых данных большой, или на диске осталось мало свободного пространства, активизируется технология случайной записи. Это значит, что записываемая информация распределяется по пустующим участкам диска в случайном порядке. При этом устройству приходится перезаписывать большое количество лент, что в свою очередь приводит к существенному падению скорости записи и времени отклика диска.

Однако самой острой проблемой по мнению пользователей является тот факт, что не все производители считают нужным сообщать, какая технология записи используется в различных моделях.

Компания Seagate – наверное единственная, которая откровенно заявила о применении технологии SMR в своих жестких дисках. Но в апреле 2020 года несколько журналистских расследований доказали, что технология черепичной записи используется и другими корпорациями без соответствующей маркировки и каких-либо упоминаний.

Полемика велась больше месяца, в результате производители опубликовали списки моделей дисков SMR и написали подробные рекомендации по эксплуатации к линейкам, предназначенным для data-центров, NAS-хранилищ и RAID-массивов. Это именно те конфигурации систем хранения данных, которые в большей степени зависят от скоростных характеристик накопителей.

Как правильно использовать диски SMR

Несмотря на очевидные и в некоторых случаях критичные недостатки, SMR-диски нельзя считать продуктами недостойными внимания. В некоторых сценариях экономия может быть вполне оправдана.

Идеальным режимом эксплуатации SMR-дисков является сценарий WORM – «однократно записал, многократно прочитал». Или-же Cold Data — «холодне данные» – информации которая записывается и крайне редко заменяется, в основном только читается. Также накопители можно использовать в качестве домашних хранилищ статичного контента: фотографий, аудиотеки, фильмов и прочего.

Падение скоростей дисков SMR не доставит проблем в сборках с достаточным количеством оперативной памяти. Объем ОЗУ определяет частоту обращения к файлу подкачки. Если в ПК установлена оперативная память в объеме 16 ГБ и более, файл подкачки задействуется по минимуму, снижая нагрузку на винчестер.

Избавить винчестер от чрезмерной нагрузки поможет установка в систему пользовательского SSD. На твердотельный накопитель следует установить операционную систему, игры, рабочие программы и приложения. Другими словами, все те элементы, которые в процессе работы ПК часто модифицируются.

SMR-диски крайне не рекомендуется использовать в конфигурациях массивов RAID 5/50, RAID 6/60, RAIDZ. Высокая степень нагрузки может привести к падению производительности всего массива. В домашних NAS-хранилищах с конфигурацией RAID 5 допускается использование младших моделей винчестеров WD линейки Red.

Таким образом, если выбрать правильный сценарий эксплуатации, жесткие диски SMR с «черепичной» магнитной записью могут стать удачным выбором для создания систем хранения информации за умеренную цену.

Методы записи на HDD: отличия SMR от стандартных PMR/CMR

Пока 2020-й год подкидывал сюрпризы вроде коронавируса, цен на нефть, беспорядков в США и возможных НЛО, в мире компьютерных комплектующих случился другой сюрприз. Как оказалось, Seagate и Western Digital, два лидера на рынке жестких дисков, уже несколько лет продают HDD с использованием технологии SMR, никому об этом не сказав. Это метод так называемой черепичной записи, которая с одной стороны позволяет увеличить емкость жестких дисков на 15 – 20%, но при этом имеет более низкую скорость чтения и записи, которая важна при использовании в бытовых, рабочих и игровых ПК. В этом материале мы подробнее расскажем, откуда растут ноги этой проблемы, чем хороши и в чем плохи SMR HDD и как отличить их от обычных PMR/CMR «хардов».

Как жесткий диск записывает данные: LMR и CMR

Как правило нормальные люди выбирают жесткие диски по нескольким привычным параметрам:

• Размер: ноутбучный 2.5 или стандартный 3.5
• Емкость жесткого диска. От 1 ТБ до 16 ТБ.
• Скорость вращения шпинделя, фактически соотношение скорости работы диска к его долговечности. Для домашних ПК стандартом являются 5400 и 7200 оборотов в минуту. Для серверных, где важна непрерывность процесса, чаще покупают винчестеры с 10 и 15 тысячами оборотов в минуту.
• Реже смотрят на размер буфера обмена.

О том, как именно диск производит запись и что там под капотом, большинство из нас не интересует. Но тут придется немного углубиться в матчасть. Изначально производители жестких дисков использовали систему продольной магнитной записи LMR, когда магнитные домены располагались параллельно плоскости пластины диска.

Затем в середине нулевых появилась перпендикулярная магнитная запись (или PMR/CMR), в которой домены развернулись вертикально по отношению к пластинам. Но идея осталась той же, что и с LMR: головки чтения и записи выполняют запись на необходимую дорожку, не затрагивая соседние.

Ради обновления пришлось полностью перестроить головки чтения и записи, однако профит того стоил: плотность записи выросла в три раза в сравнении с обычным LMR. Активный переход на PMR позволил компаниям вроде Toshiba и Seagate значительно поднять емкость обычных HDD выше их потолка. Говоря о современных винчестерах большинство из нас подразумевает как раз PMR HDD, которые для упрощения часто называют CMR или «conventional magnetic recording», что в переводе с английского означает «обычную магнитную запись».

Что такое SMR и чем это отличается от обычного PMR?

Ради уменьшения расстояния между дорожками была придумана аналогия с обычной черепицей. Как и в кровле дорожки при записи на жесткий диск накладываются друг на друга, увеличивая плотность покрытия «крыши». Профит — увеличение объема памяти жесткого диска. Из-за разных размеров головок чтения и записи при записи целевой дорожки часть информации записывается на соседнюю дорожку. И на другую соседнюю. И если информацию нужно переписать, то придется разбираться с таким «перехлестом» данных, который в некоторых случаях может даже привести к необходимости переписывать все дорожки зоны.

Но это полбеды. SMR HDD оснащаются дисковым кэшем на быстрых внешних дорожках, который дополняет традиционный кэш контроллера. Принцип работы в чем-то похож на SSD: при поступлении новых данных контроллер отправляет их в быстрый кэш, а потом записывает на сам диск. И если данных много, то кэш постоянно заполнен и не успевает быстро обновляться. А пока он не очистится и не отдышится, скорость записи приходится снижать. Поэтому при копировании больших массивов данных SMR HDD значительно снижают скорость записи в лучших традициях дешевых SSD с небольшим кэшем. Только одно дело говорить о «твердотельнике», который спускается с привычных 550 Мб/c до, например, 150 Мб/c. Другое дело — это жесткий диск, который и в лучшие времена не блистал скоростью, а тут буксует как застрявший в песочнице трехколесный велик.

Проблема в том, что нам врут

Как видим, SMR ― это обычная сделка технологий, за увеличение объема при той же цене пользователи получили падение скорости. Однако проблема тут совсем в другом. Официально, «черепичная» запись применяется в ДАТА-центрах и центрах обработки данных когда исповедуется принцип WORM (write once, read many). То есть когда данные именно хранятся на диске для регулярного чтения, но практически не перезаписываются. Чтобы понять возмущение покупателей таких дисков, представьте, что вы купили быструю и красивую Теслу, чтобы позже узнать, что в ней нет автопилота, а вместо двигателя на электрической тяге используется мощный ДВС от Ford Mustang. Рвет такой будь здоров, но тачку-то вы покупали совсем другую.

Как раскопали ребята из издания Blocks & Files, Seagate и Western Digital уже несколько лет хитрят, продавая SMR HDD под видом обычных CMR. По словам исследователя Кристиана Франке, который был далеко не первым, кто заметил след SMR, из-за особенностей этой технологии использование дисков с SMR совместно с «обычными» HDD со временем приводит к деградации массивов и выпадению из них дисков с SMR.

Что еще хуже, бренды-производители выбрали тактику «сам дурак», еще сильнее разозлив покупателей. На прямой вопрос о том, используется ли технология SMR в накопителях WD Red представители компании ответили, что не разглашают особенности внутреннего функционирования дисков конечным потребителям. На вопросы других энтузиастов, включая Франке, представители компании ответили тем же вежливым «идите лесом», но в других вариациях. Дошло даже до приглашения в видеоконференцию от ребят из технического отдела WD, но она так и не состоялась.

После публикации расследования от Blocks & Files ребята из WD выдавили из себя, что да, в дисках семейства WD Red таки используется SMR (хотя, раньше это отрицали), но мы решили не говорить вам об этом, так как тесты не показали никаких проблем с перестроением RAID из-за SMR. В свое оправдание в WD заявили, что в типичном сетевом хранилище для дома или малого бизнеса нагрузки скачкообразны и у системы остается куча времени на уборку «мусора». Журналисты справедливо заметили, что все люди разные, хранилище хранилищу рознь и вы, например, можете сутками туда-сюда гонять видео-исходники, снятые в 4K или 8K, создавая огромную нагрузку на дисковый массив.

Так чем плох SMR?

Как мы уже говорили, по своему принципу работы SMR-накопители с буфером похожи на SSD: вся память довольно медленная, но ее часть используется для быстрой буферизации записей в качестве псевдо-SLC-кеша. И вот сидите включаете вы какой-нибудь CrystalDiskMark и видите совершенно обычные для этого диска цифры. Сюрпризы начинаются тогда, когда объем записанных данных превышает размер области CMR. Или что еще хуже, заполняется весь диск и накопителю приходится оперативно «утрамбовывать информацию». SMR-де-факто становится узким бутылочным горлышком RAID-массива.

К примеру, при использовании массива RAID 5 с контрольными суммами, при записи большого объема данных вроде создания резервной копии, скорость системы со временем резко упадет. Порой даже на один-два порядка. Как писал один пользователь Reddit, время перестроения массивов SHR 1 и RAID 5 заняло у него порядка 4 суток. В комментариях некоторые писали, что это цветочки, как тебе 8 суток на бэкап, а Илон Маск? У некоторых пользователей перестроение и вовсе не получилось, в конце операции вылезала ошибка, а новый диск попросту исключался из массива как неисправный.

Также у SMR менее устойчивая производительность записи, чем у обычного CMR HDD. А это потенциальные проблемы при ресильвере (прим: процесс ресинхронизации и восстановления содержимого поврежденного устройства с использованием данных с уцелевших устройств) или других подобных операций с интенсивной записью. И на этом моменте многие задались справедливым вопросом, а кому вообще нужен медленный и ненадежный RAID-массив? Ким Кардашьян — самая популярная женщина мира, тысячи людей верят в плоскую землю, а все больше людей уверены, что биологический пол — это социальный конструкт. Разве у человечества мало проблем, а Western Digital?

Какие HDD используют черепичную запись?

По итогам того скандала WD сдалась и выкатила список HDD с SMR. В него вошли по 2 модели из линейки Blue, 4 винчестера Red и один Black. Чтобы не путаться в названиях и годах производства, советуем обращать внимания на артикули.

В отличие от WD, Seagate никогда не скрывала, что давно использует SMR в ноутбучных HDD и архивных Archive. Также Seagate никогда не использовала черепичную запись в линейках IronWolf для NAS, и вообще не рекомендует использовать такие варианты при работе с хранилищами. Впрочем, уехать вдаль на белом коне у них не получилось, про черепичную запись в некоторых десктопных винчестерах Barracuda все же мало кто знал.

Естественно, трясти начали буквально каждого производителя жестких дисков. Кто-то предпочел отмолчаться, кто-то пошел на повинную как Toshiba, впрочем сдавать жетон и пистолет никто не спешил. В итоге силами умельцев в сети собрался довольно внушительный список популярных жестких дисков, использующих черепичную запись.

Действительно ли SMR зло и как его распознать?

Очевидно, что список дисков с SMR со временем будет пополняться, а черепичная запись из-за своей дешевизны имеет большие шансы закрепиться на рынке. Проблемы с ними в первую очередь касается NAS-систем и RAID-массивов. Если же речь идет о бытовом компьютере, перед которым не требуется постоянно выполнять сложные операции чтения и записи, то вы можете даже не заметить, что используете такой накопитель. Особенно, если его получилось урвать по выгодной цене, а он используется чисто как довесок к основному SSD.

Тем не менее, сценарий «установил и забыл» подойдет не многим. В таком случае возникает вопрос, как распознать SMR, если производитель молчит? Тем более, что жесткие диски SMR из-за особенностей архитектуры могут вести себя по разному, усложняя расследование.

Во-первых, можно использовать фильтр SMR у нас на e-katalog. Во-вторых, воспользоваться той самой базой данных (на скрине сверху). Если вы уже купили подозрительный накопитель, то проще всего будет прогнать его через условный CrystalDiskMark и посмотреть на просадки скорости. Если график похож на пилу с множеством просадок-зубьев, то с большой долей вероятности это наш клиент.

Если диск еще не куплен, то советуем смотреть на размер буфера записи. Чем он больше — тем выше вероятность, что тут используется черепичная запись. Второй косвенный признак — это объем самого диска. Пока что «черепицу» нет особого смысла использовать в небольших моделях на 1 ТБ и ниже. Логичнее применять SMR в емких моделях от 4 и выше ТБ.

Впрочем, в списке выше вы можете увидеть модели от WD, Seagate и Toshiba на 1 – 2 ТБ с SMR. Их как бы немного, но они есть. Поэтому третье классическое правило — всегда ищите информацию в свежих обзорах. Судя по всему, официальные сайты в этот раз не помощники.