Жёсткие диски с технологией SMR и их особенности

Технология SMR

Как определить SMR жёсткий диск

Особенности эксплуатации

Технология SMR

Shingled Magnetic Recording (SMR) – технология черепичной магнитной записи, была разработана и внедрена в ряде серийных моделей жёстких дисков для уменьшения ширины треков и, таким образом, увеличения плотности записи при сохранении размера головки записи.

Начиная с определённого момента, попытки дальнейшего уменьшения размера головки записи столкнулись с препятствием в виде невозможности создания требуемых характеристик магнитного поля головкой меньшего размера.

Технологии, которые позволят преодолеть это ограничение (MAMR, HAMR), были ещё не готовы к внедрению в промышленное производство.

Поэтому была реализована идея уменьшения ширины трека путём частичного наложения треков друг на друга. По принципу черепицы. При этом каждый следующий трек пишется со смещением, меньшим ширины трека, частично накладываясь на предыдущий. В результате от предыдущего трека остаётся полоса, меньшая ширины головки и равная размеру смещения.

Головка чтения по размеру существенно меньше головки записи и дальнейшее её уменьшение в рамках существующих технологий пока возможно. Поэтому данные из этих полос читаются без особенных проблем.

Но есть другая проблема. Теперь, для того, чтобы перезаписать данные на каком-либо треке, потребуется перезаписать все треки, что идут после него. И это очень неудобно для большей части сценариев использования жёсткого диска.

Для избежания необходимости перезаписи всей поверхности, перекрывающиеся треки разделены на группы, называемые лентами. Таким образом, что в случае записи на трек, перезапись остальных потребуется только в рамках одной группы. При этом особенность работы механизма позиционирования такова, что перезаписать требуется всю группу треков, вне зависимости от местоположения изменяемого трека в группе. Для перезаписи части группы не хватает точности.

Все эти операции перезаписывания требуют значительного времени, поэтому на поверхностях пластин выделяются отдельные области с обычным расположением треков, без перекрывания. Они используются в качестве кэша записи. И при поступлении команды записи, микропрограмма диска пишет данные сначала туда. А затем, «в фоновом режиме», раскладывает их по лентам.

Такое кэширование записи в совокупности с дополнительным алгоритмом трансляции и обеспечивает приемлемые для ряда задач потребительские характеристики SMR дисков.

Используемые алгоритмы распределения данных достаточно сложны, применяются различные оптимизации. Ведь для того, чтобы перезаписать ленту, надо сначала куда-то сохранить с неё данные. А это место тоже может потребоваться сначала освободить. И куда-то скопировать данные уже с неё. И так далее. Чем сложнее алгоритм, тем сложнее его отладить и предусмотреть все возможные нештатные ситуации.

Насколько совершенны механизм кеширования и трансляции? Что будет, если кэш переполнится? Об этом в третьей части статьи.

Как определить SMR жёсткий диск

Если бы все производители жёстких дисков придерживались стандарта в этом отношении, то ответ на данный вопрос был бы очень простым. Достаточно было бы взглянуть на состояние соответствующего бита в паспорте накопителя:

Но так поступают далеко не все. Можно положиться на знания о том, что вендор-семейство, к которому относится диск, использует технологию SMR. Эту информацию использует R.tester при установке соответствующего маркера:

Или вы можете легко определить, что в жёстком диске реализована технология SMR, увидев отражение её особенностей в результатах тестов чтения-записи. Об этом далее.

Особенности эксплуатации

Приведённые ниже скриншоты дадут хорошее представление о том, как использование технологии SMR влияет на эксплуатационные характеристики.

Диски тестировались с помощью инструмента CERT Tool, входящего в состав утилиты R.tester.

Для сравнения, чтение-запись-чтение жёсткого диска не использующего SMR

Диск читается линейно, до середины, блоками по 2048 секторов с прыжками 262144 сектора:

Характерное для «обычных» жёстких дисков заметное снижение скорости чтения по мере увеличения номера LBA здесь выражено не очень заметно по причине того, что мы ограничиваемся чтением по половине «поляны».

Линейная запись, блоками по 2048 секторов с прыжками в 524288 секторов:

Запись как запись, ничего особенного. Снова чтение:

Результаты теста чтения не отличаются от тех, что диск продемонстрировал до теста записи.

То же самое для SMR

Перед началом теста диску было дано порядка полутора часов на завершение внутренних процессов, которые могли выполняться в фоновом режиме. Он провёл это время подключенным к питанию не получая каких-либо команд.

Диск читается линейно, до середины, блоками по 2048 секторов с прыжками 262144 сектора:

«Горб» и последующая площадка справа – это результат чтения секторов, в которые ничего не писалось. Микропрограмма знает об этом, поэтому реального чтения не происходит. Она просто отдаёт нули, оттуда такая высокая скорость.

Отдача нулей вместо выполнения реального чтения поверхности – это характерная черта SMR дисков, которая однозначно позволяет идентифицировать использование данной технологии.

Линейная запись, блоками по 2048 секторов с прыжками в 524288 секторов. Записано всего-то около 4Гб.

Сравните с картиной, которая была получена во время первого теста чтения. Разница очень заметна. Вначале теста диск очень неохотно отдаёт данные, тратя большую часть ресурсов на фоновые процессы.

Выше приведены скриншоты тестов диска, наиболее явно демонстрировавшего «погружение во внутренний мир» после записи из всех, что имелись в нашем распоряжении. Для этого всего-то требовалось записать на него несколько гигабайт. Подчеркну, это при том, что данный диск исправен.

В зависимости от модели и истории предшествующей эксплуатации «стрессоустойчивость» может отличаться буквально на порядки. Одному экземпляру может оказаться достаточно последовательной записи с прыжками всего нескольких гигабайт для того, чтобы «уйти в ступор», другому потребуется пара сотен.

И разнообразие наблюдаемых картин достаточно велико. Например:

Тем не менее, качественно, особенно в сравнении с «классическим» жёстким диском, результаты тестов выглядят похоже для всех SMR дисков, которые нам попались в качестве испытуемых. За исключением одного, который вообще вышел из строя не пережив рандомной записи.

Одного взгляда на результаты подобных тестов будет достаточно для того, чтобы определить, какой из дисков использует технологию SMR, а какой не использует.

Но для понимания того, подойдёт ли конкретная модель жёсткого диска с технологией SMR для конкретной задачи, может потребоваться протестировать именно эту модель.

Автор статьи Николай Хозяинов.

Перепечатка или цитирование разрешены при условии сохранения прямой ссылки на первоисточник: R.LAB, восстановление данных с жёсткого диска.

Отзывы о статье Жёсткие диски с технологией SMR и их особенности