Наш мир становится все более и более насыщенным данными — только подумайте обо всех мобильных устройствах, потоковых приложениях, облачных сервисах и серверах, которые мы используем. По оценкам, скоро средняя семья будет потреблять один терабайт данных в месяц! Но что удовлетворит этот растущий спрос на большее пространство для хранения данных? Ответом на этот вопрос может стать магнитная запись с шинкованием (SMR). Но что это такое? Как она работает? И сколько данных могут хранить диски SMR? Давайте узнаем.
Путь к однослойной магнитной записи (SMR)
Долгое время казалось, что четыре терабайта — это абсолютный максимум, который могут выдержать жесткие диски, и никаких существенных достижений в этой области не было. Затем появилась технология Shingled Magnetic Recording, или сокращенно SMR, которая сделала диски емкостью восемь терабайт реальностью, причем доступной по цене. Самое лучшее в жестких дисках SMR — это их улучшенная плотность записи по площади. Физически они не больше других дисков, но при этом обеспечивают более чем на 25% большую емкость.
Чтобы понять, что такое SMR, необходимо знать геометрию жесткого диска. Жесткие диски содержат пластины, разделенные на цилиндры, дорожки и сектора. Когда данные записываются на диск, они разбиваются на небольшие блоки и сохраняются в секторах. Пластины представляют собой двусторонние диски, на каждой из которых установлена головка чтения/записи. Поверхность каждой пластины разделена на несколько концентрических дорожек, которые, сложенные вместе, образуют цилиндры.
Итак, что же такое SMR? Проще говоря, Shingled Magnetic Recording — это технология жестких дисков, которая позволяет уменьшить пространство между соседними дорожками на пластинах. Это достигается за счет того, что дорожки накладываются друг на друга, как черепица на крыше — отсюда и название. Благодаря такому наложению можно хранить больше данных в том же физическом пространстве. В дисках SMR считывающие головки значительно уже, чем записывающие, что означает, что все данные могут быть считаны, несмотря на перекрытие дорожек.
Хотя эта технология еще нова, она очень перспективна и вскоре может заменить нынешний стандарт — перпендикулярную магнитную запись (PMR). В дисках PMR дорожки расположены параллельно друг другу, а полюса магнитных элементов (которые представляют биты данных) перпендикулярны поверхности пластины. Магнитные дорожки не перекрывают друг друга, поэтому единственный способ увеличить емкость хранения — это увеличить физический размер диска. Это еще раз подчеркивает огромный потенциал Shingled Magnetic Recording. SMR является продолжением PMR и обеспечивает большую плотность записи. С физической точки зрения диски SMR выглядят так же, как и их аналоги PMR, но внутри у них гораздо больше места для хранения данных. Однако, учитывая разницу в архитектуре между дисками PMR и SMR, пользовательский опыт также отличается.
Жесткие диски SMR — особенности
Жесткие диски SMR используют новый подход к преодолению физических ограничений обычных дисков. Первое отличие заключается в том, что головки чтения/записи довольно широкие. Фактически, они гораздо шире, чем сами дорожки. Поэтому данные записываются на дорожки последовательно, а существующие дорожки частично перезаписываются. Однако из-за перекрытия, если соседние дорожки содержат данные, они также должны перезаписываться каждый раз. Теоретически это означало бы перезапись всего диска SMR при изменении одного байта данных, но этот процесс занял бы столько времени, что магнитная запись с шинкованием стала бы просто непригодной для использования.
Чтобы обойти эту дилемму, дорожки SMR делятся на «зоны» или «полосы». Это ограничивает количество дорожек, которые могут перекрываться, поэтому каждый раз приходится перезаписывать меньшее количество дорожек. Кроме того, каждая пластина имеет внутреннюю буферную зону для временного хранения и кэш. Данные первоначально хранятся в этих двух временных областях и лишь затем записываются в нужные места на дорожке. Это объясняет, почему диски SMR часто продолжают работать в течение длительного времени после операции записи.
Магнитная запись с черепицей использует мощный записывающий элемент для создания очень узких дорожек и достижения большей плотности данных. Это делает ее идеальной для непрерывной последовательной записи данных на жесткий диск.
Как SMR сравнивается с другими технологиями хранения данных?
SMR — все еще относительно новая технология, и один из ее недостатков заключается в том, что производители жестких дисков не всегда указывают, в каких именно накопителях она используется. В результате часто оказывается, что жесткие диски, которые маркируются как подходящие для NAS, на самом деле используют Shingled Magnetic Recording. Теоретически диски SMR можно использовать в среде NAS, но при изменении требований к рабочей нагрузке быстро становятся очевидными присущие этим дискам технические ограничения.
Если вы используете несколько жестких дисков, например, для модернизации сервера с помощью SSD, лучше избегать сочетания дисков PMR и SMR, поскольку некоторые пользователи сообщали о проблемах с производительностью определенных моделей.
В принципе, вы можете использовать SMR-накопитель так же, как и любой другой жесткий диск. Его можно отформатировать в FAT32 и запустить, например, в Windows. По сравнению с обычным жестким диском PMR, по причинам, указанным выше, скорость передачи данных очень нестабильна, особенно при нерегулярной записи. Однако, если процессы остаются линейными, негативного влияния на скорость нет, а для чтения вообще нет заметной разницы. Хотя Shingled Magnetic Recording лучше, чем можно предположить по его репутации, этого будет недостаточно, чтобы положить конец доминированию жестких дисков SSD, когда дело касается игр и программирования. Но это не совсем то, для чего предназначена SMR.
Где используется SMR?
SMR по-настоящему проявляет себя, когда система непрерывно записывает данные на диск. Такие виды длительной последовательной записи необходимы для серверных приложений, резервного копирования и архивирования, например, в облачных архивах и архитектурах объектного хранения.
Для частного использования, например, в качестве большого жесткого диска для домашнего компьютера, диски SMR не рекомендуются, поскольку они производят больше шума и тепла, а также потребляют много энергии. Эти факторы обусловлены процессом реорганизации, описанным выше. Сначала новые данные хранятся в пустой части пластины, а старые данные остаются на существующих дорожках. Затем, когда диск SMR переходит в режим ожидания, старые биты данных заменяются новыми. Это означает, что накопителю, использующему Shingled Magnetic Recording, необходимо время простоя между последующими операциями. Если ему приходится непрерывно записывать данные в случайные места на диске (так называемая «случайная запись») в течение длительного периода времени, диск может стать заметно медленнее.
Производители дисков SMR работают над созданием микропрограммного обеспечения для решения этой проблемы, но пока для большинства частных пользователей лучшим вариантом остаются SSD-диски, тем более что они становятся все более доступными.
Тем не менее, если вы хотите создать архив данных на своем сервере, SMR — хорошее решение. Он экономит ваше (физическое) пространство, является экономически эффективным и надежным.