Что такое черепичная магнитная запись SMR и стоит ли ее избегать?

Диски с черепичной магнитной записью до сих пор остаются для многих пользователей неким пугалом и их стараются всеми силами избегать. Но так ли это на самом деле? Конечно же нет, черепичная магнитная запись - это технология со своими плюсами и минусами, которые нужно обязательно учитывать. В данной статье мы коротко разберем: что такое черепичная запись, какие особенности работы имеют диски с SMR, какие режимы работы подходят таким дискам, а какие нет. И вообще, стоит ли избегать покупки и эксплуатации дисков с SMR.

Онлайн-курс по устройству компьютерных сетей
На углубленном курсе "Архитектура современных компьютерных сетей" вы с нуля научитесь работать с Wireshark и «под микроскопом» изучите работу сетевых протоколов. На протяжении курса надо будет выполнить более пятидесяти лабораторных работ в Wireshark.

Начнем с краткого обзора рынка устройств хранения, который последние годы претерпел значительные изненения. Так ниша накопителей емкостью до 1 ТБ включительно плотно занята твердотельными накопителями, которые стали основным видом носителя для системных дисков и нагруженных систем. Там, где планируются высокие дисковые нагрузки - применяется NVMе, в недорогие системы идут SATA SSD, даже самые дешевые модели из которых имеют показатели в разы превосходящие лучшие модели жестких дисков.

А сами жесткие диски сегодня окончательно ушли в нишу устройств для недорогого (в пересчете на терабайт) хранения больших объемов информации без претензии на производительность, тем более что объемы хранимых данных год от года только растут. Все это потребовало от производителей жестких дисков наращивать объемы при сохранении невысокой общей стоимости хранения.

Каким образом можно это сделать? Физические габариты устройства ограничены и бесконечно наращивать количество пластин мы не можем, так как это приведет к усложнению и удорожанию устройства, а также к ухудшению его эксплуатационных качеств (повышенный нагрев и шум). Поэтому производители пошли другим путем - увеличением плотности записи.

Первоначально жесткие диски использовали метод продольной магнитной записи (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), основным недостатком которой была необходимость оставлять защитное пространство между дорожками, чтобы избежать их взаимного влияния, что существенно ограничивало плотность записи. Поэтому, начиная с 2010 года произошел переход на перпендикулярную магнитную запись (Perpendicular Magnetic Recording, PMR), здесь вектор намагниченности лежит не в плоскости магнитной пластины, как у LMR, а перпендикулярен ей, это позволило добиться значительного повышения плотности записи и все современные диски построены на базе технологии PMR.

Но очередным препятствием на этом пути стали физические ограничения, так, чтобы достичь необходимой для уверенной записи напряженности магнитного поля записывающая головка должна иметь определенные физические размеры, в то время как для уверенного считывания достаточно головки гораздо меньших размеров (примерно в два раза).

В результате появилось достаточно очевидное решение - писать дорожки внахлест, перезаписывая часть предыдущей, оставляя при этом ширину достаточную для уверенного считывания, такой метод очень похож на укладку черепицы и поэтому получил название черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR).

Это в очередной раз позволило увеличить плотность записи, но принесло ряд новых проблем. Если мы хотим перезаписать часть данных, то при этом мы неизбежно испортим нижележащую дорожку, что потребует последовательной перезаписи всего диска. Чтобы избежать такого сценария группы дорожек на диске объединили в ленты и теперь, если мы хотим изменить часть данных ленты, лента целиком считывается в память, данные в ней модернизируются и снова записывается на поверхность магнитной пластины.

Внимательный читатель заметит, что это сильно похоже на работу SSD, который тоже не может изменить произвольную ячейку, так как для этого потребуется очистить целый блок. И будет абсолютно прав, как мы увидим ниже принципы работы SSD и SMR-дисков во многом схожи.

Размер лент производители не разглашают, но о них косвенно можно судить по размерам DRAM-буфера, который обычно не менее 256 МБ, кстати, большой объем буфера - один из признаков того, что перед нами SMR-диск. По неофициальным данным размер ленты варьируется от 120 МБ до 256 МБ. Минимальный объем адресуемой области современных файловых систем - 4 КБ. Понятно, что при случайной записи перезаписывать на каждые 4 КБ по 256 МБ - это жуткий перебор и катастрофически скажется на производительности, поэтому разработчики реализовали достаточно сложный алгоритм работы.

Так у SMR-дисков появилась таблица заполненности лент и диск знает, какая лента свободная, а какая нет. Поэтому запись в первую очередь будет вестись в свободные ленты. Если мы хотим переписать ленту целиком, то диск также обнаружит это и выполнит запись без предварительного чтения. А если мы захотим прочитать чистую ленту, то контроллер просто отдаст нули, не прибегая к чтению с диска.

Но это все полумеры, если данные идут непрерывным потоком, то свободных лент может и не хватить, чтобы не снижать производительность на SMR-дисках выделяется особая область - медиа кеш, который использует обычную перпендикулярную запись и расположен в самом начале диска, его размер около десятка гигабайт и он расположен за пределами LBA, т.е. не доступен пользователю напрямую. Если проводить аналогии с SSD, то это аналог резервной области и SLC-кеша одновременно.

Как можно увидеть из приведенной выше схемы, то диск использует несколько различных алгоритмов, если в наличии есть достаточное количество свободных лент, то запись будет производиться непосредственно в них, если же идет большой поток случайной записи, то ее готов принять в себя медиа-кеш. Но даже потом, диск будет предпочитать писать в свободные ленты, чтобы избежать штрафа на перезапись ленты. Нетрудно заметить, что все это очень напоминает механизм CoW в SSD.

После того, как диск перешел в режим ожидания в нем включается механизм реорганизации, который будет перемещать записанные данные в занятые ленты, тем самым упорядочивая данные и поддерживая максимально возможное количество свободных лент. Ну чем вам не уборка мусора?

Кроме того, SMR диски поддерживают команду TRIM, что позволяет вовремя освобождать ленты от удаленной информации и производить реорганизацию наиболее эффективно.

Как видим, разработчики сделали очень многое для того, чтобы SMR-диски не уступали по производительности своим обычным коллегам. Кстати, сегодня часто употребляется аббревиатура CMR (Conventional Magnetic Recording, обычная магнитная запись), по идее одна должна включать в себя LMR и PMR, но так как первая уже свыше 10 лет не используется, то можно считать CMR еще одним аналогом PMR.

Итак, в каких же сценариях SMR-диски могут показать сильное падение производительности? Ответ очевиден: продолжительные нагрузки, преимущественно случайного характера. В этом случае мы быстро исчерпаем количество свободных лент, полностью загрузим медиа кеш и заставим диск перейти в режим реорганизации с большими штрафами на каждую операцию записи. Второй вариант - это интенсивные операции записи на практически полностью заполненном диске.

Таже не рекомендуется использовать SMR-диски в RAID-массивах с вычислением четности (RAID5/6, RAIDz), в момент перестроения нагрузка на диски может привести к серьезному снижению производительности или выпадению диска из массива. Также не следует сочетать в одном массиве SMR и PMR диски.

Выводы

Так стоит ли избегать SMR-дисков? Ответ - нет. Наряду с недостатками они имеют целый ряд преимуществ. За счет более высокой плотности записи они имеют меньшее количество пластин на тот же объем и, следовательно, имеют более низкий нагрев, уровень шума и вибраций, а также такие диски дешевле. И если это не заметно на небольших объемах, то с их ростом разница в цене начинает быть ощутимой.

При этом надо понимать, что SMR-диски не предполагают продолжительной и интенсивной нагрузки, особенно случайной записи. Их основное предназначение - хранение. Они отлично подходят для "холодных" данных или для сценариев "один раз записал - много раз читаю", например, домашние медиахранилища для музыки, видео, фотографий.

Основной негатив, который значительно испортил репутацию SMR-дисков создали сами производители, скрывая использование данной технологии в некоторых моделях, в результате чего пользователи использовали их в нежелательных сценариях и получили негативный опыт. Если полностью учитывать особенности SMR-дисков и использовать их по назначению, то никаких сложностей или проблем их эксплуатация не принесет, а, наоборот, позволить обновить систему хранения с экономией средств и улучшением эксплуатационных характеристик (шум, вибрация, нагрев).

Записки IT специалиста