Что такое smr диски
Western Digital официально утвердил список моделей жестких дисков с технологией SMR
Производитель твердотельных накопителей, Western Digital опубликовал заявление, в котором был показано, какие модели используют технологию SMR («черепичная» магнитная запись), а какие более быструю технологию CMR (обычная магнитная запись).
Разница между CMR и SMR заключается в способе записи данных на магнитный диск. Не вдаваясь в подробности работы этих технологий, можно сказать, что CMR больше подходит для повседневных пользовательских задач, благодаря тому, что магнитные дорожки находятся параллельно и не перекрывают друг друга. SMR же имеет некоторые проблемы с производительностью при длительной работе, а потому имеет свой спектр задач.
В список накопителей с SMR входят жесткие диски семейств WD Red WD Blue и WD Black. В семейство WD Red, работающих на SMR, вошли 3,5 » накопители объемом от 2 до 6 ТБ, а в WD Blue 3,5 » — HDD на 2 ТБ и 6 ТБ. Касаемо малого форм-фактора, SMR получили жесткие диски семейства WD Blue объемом 1 и 2 ТБ и семейства WD Black на 1 ТБ.
Основной причиной, почему WD выложили информацию в открытый доступ, вероятно, стала разная ориентированность накопителей с SMR и CMR и то, что, зачастую, SMR работает медленнее CMR.
Как определить, что в жестком диске применена технология SMR
В последние месяцы на глаза попадалось много материалов о том, что производители скрывают использование технологии SMR в своих устройствах. Новости о том, что покупатели жестких дисков подают в суд на производителей и тому подобное.
Дело в том, что в силу особенностей технологии, такие устройства плохо подходят для многих сценариев использования, в которых находят своё применение жесткие диски. Выражается это в катастрофическом падении производительности.
Для определения того что в диске, лежащем на полке магазина, применена технология SMR, если эта информация не указывается производителем явно, требуется знать модельные ряды и их особенности. По другому, похоже, никак. Не получится со 100% вероятностью определить это и по заявленным характеристикам диска.
Но если диск уже попал к вам в руки, определить использование технологии SMR можно достаточно просто. Далее я расскажу о том, как это сделать.
В настоящий момент используется три подхода к реализации технологии SMR:
Shingled Magnetic Recording — черепичная магнитная запись. На таких дисках данные хранятся в областях, называемых лентами, представляющих собой группы перекрывающихся подобно черепице треков.
Делается такое перекрытие для того, чтобы путём частичного наложения треков друг на друга уменьшить их ширину без изменения ширины головки записи. Это вынужденная мера, т.к. при дальнейшем уменьшении размера головки возникают сложности с созданием нужной для записи напряженности магнитного поля.
Плюс такого подхода — более высокая плотность записи. Минус — то, что при записи данных на какую-либо дорожку, затираются данные на соседней. Перезапись соседней вызовет повреждения данных на следующей. И так далее.
Поэтому, чтобы не требовалось перезаписывать диск до конца, перекрывающиеся дорожки разбиты на группы, называемые лентами. Причём особенность работы механизма позиционирования такова, что диск не может производить перезапись, например, с середины ленты до её конца. Возможна только запись всей ленты от начала до конца.
Для сохранения данных на конкретный трек, SMR диску может потребоваться выполнить в сотни раз больше операций, чем диску без технологии SMR. И это приведёт к многократному падению производительности.
Поэтому данные сначала кэшируются в специальные области, дорожки в которых не перекрывают друг друга (медиакэш). Там можно сохранять данные не затирая соседние треки. А потом уже в фоновом режиме диск сам раскладывает их по лентам.
Используемые алгоритмы распределения данных достаточно сложны, применяются всевозможные оптимизации. Ведь получается, что для того, чтобы перезаписать ленту, надо сначала куда-то сохранить с неё данные. А место под перенос тоже может потребоваться освободить. И куда-то деть данные уже оттуда. И так далее. И чем сложнее алгоритм, тем сложнее тщательно протестировать все возможные варианты. Отсюда баги.
С Host Managed SMR и Host Aware SMR в «обычной жизни» вы, вероятнее всего, не столкнётесь. В свободной продаже эти модификации не представлены или поставляются ограниченно и только под заказ. И в обычной ситуации у некорпоративного пользователя шанс столкнуться с такими дисками очень мал.
Поэтому далее речь пойдёт только о Drive Managed SMR дисках. Именно такой диск вы можете купить в магазине, не зная о том, что в нём используется SMR.
Быстрый способ определения применения SMR в HDD на основе информации о вендор-семействах
Если бы все производители жестких дисков придерживались стандарта в этом отношении, то ответ на вопрос об использовании SMR конкретным устройством мог бы быть получен очень просто. Достаточно было бы взглянуть на состояние соответствующего бита в паспорте накопителя:
Но на сегодняшний день только SATA-диски Toshiba официально сообщают в паспорте, что они SMR. Для этого в АТА-стандарте предусмотрены соответствующие биты в данных команды Identify Device. Все остальные производители стандарт игнорируют.
Единственный известный мне на данный момент способ «мгновенного» определения использования SMR основан на знаниях об особенностях вендор-семейств и определении принадлежности жесткого диска к конкретному семейству. Этот подход использует R.tester при установке соответствующего флага:
Определение использования черепичной записи в жестком диске путём тестирования
Легко определить, что в жестком диске реализована технология SMR, увидев отражение её врождённых особенностей в результатах тестов чтения-записи. Об этом далее.
Тест чтения
Если диск занят данными частично, или пуст, на графике теста чтения можно увидеть картину, характерную исключительно для моделей с SMR. Прошивка «знает», что в запрошенный программой сектор ничего не писалось, и отдаёт нули, не выполняя чтения с поверхности. Отсюда этот скачок в скорости чтения, либо просто феноменальная скорость, если диск пустой:
Для экономии времени, простое линейное чтение можно заменить на чтение с прыжками. При этом каждый следующий блок читается начиная с адреса, превышающему адрес предыдущего чтения на длину прыжка.
Приведённый выше график как раз отражает результаты такого теста.
Тест записи
Самый наглядный способ проявить использование технологии SMR — подобрать такой режим записи, при котором кэш будет заполняться максимально быстро, а его раскладывание по лентам потребует от микропрограммы большого объёма работы.
Предполагаю, что для большинства моделей SMR-дисков и наиболее распространённых способов их подключения, это будет случайная запись блоков размером в 2048 секторов. Не сильно облегчит участь диска замена случайной записи на запись согласно любому правилу, по которому записываемые последовательно блоки будут попадать в разные ленты.
В качестве основного тестового алгоритма я выбрал линейную запись с прыжками. Аналогично чтению, при этом каждый следующий блок пишется по адресу, превышающему адрес предыдущей записи на длину прыжка.
Считаю график с результатами такого теста наиболее наглядным. Ведь при отображении зависимости от LBA, ось адресов является также осью времени, хоть и в нелинейном масштабе.
Длины прыжков подбирались таким образом, чтобы в каждую ленту попадало от одного до пяти блоков. Рекомендуемый согласно стандарту размер ленты — 524288 блоков. Производители эту рекомендацию чаще всего игнорируют, но в качестве ориентира для примерного определения длины прыжка его использовать можно.
Объём данных, который требуется записать для того, чтобы SMRность проявилась во всей красе, зависит от конструкции диска и реализации его микропрограммы. А также от заполнения диска и наличия в кэше неразложенных по лентам данных, полученных в предыдущий период времени. И может отличаться буквально на порядки. Один диск покажет кардинальное падение производительности после записи 3ГБ, другому потребуется 300ГБ.
Получающиеся в результате графики могут значительно отличаться даже для одного конкретного экземпляра диска, в зависимости от разных, на первый взгляд малозначительных мелочей. Например, может сильно влиять размер отступа от нулевого LBA перед началом записи.
И это не говоря уже о влиянии заполненности кэша, распределения данных по диску, и различиях между разными производителями и моделями.
Вот, к примеру, параметры теста не менялись, диск один и тот же. Каждый запуск — новая картина. Причём между запусками у диска каждый раз было достаточно времени для завершения фоновых процессов:
И это исправный диск. Общий объём записи в процессе всего набора тестов из скрипта составил лишь 30 гигабайт!
Поэтому запоминать параметры конкретных тестов и сравнивать формы графиков с точки зрения определения применения SMR смысла нет. Достаточно представления об общей картине, которая качественно выглядит примерно одинаково для всех SMR дисков, которые мне попались в качестве испытуемых.
Вот ещё, для дополнения представления. Другая модель диска, снова одинаковые параметры теста:
А теперь разные параметры:
Глядя на вышеприведённые графики, легко понять, какие характерные черты показывают, что диск использует SMR. Особенно, если знать, что результаты аналогичных тестов не-SMR устройств выглядят примерно так:
Скорость немного падает по мере увеличения LBA.
Выше приведены графики скорости записи, поскольку этот параметр более понятен широкой аудитории. Примеры графиков времени доступа под спойлером, кому интересно. Там также наблюдается характерная картина и выражена она ещё заметнее.
Диск с SMR, последовательно три теста в процессе выполнения одного скрипта:
Графики с исправных дисков без SMR намного однообразнее и выглядят примерно так:
Тест чтения сразу после теста записи
Можно считать это ещё одним способом определения использования SMR. Сравните графики тестов чтения, полученные в процессе выполнения одного тестового скрипта. Один до выполнения записи (он же был приведён в разделе «Тест чтения»), другой — после. Параметры тестов одинаковы.
Дополнительная информация
На тему конструкции SMR дисков и особенностей их работы, мой коллега сделал ролик. Достаточно коряво получилось, но было решено, что лучше выложить в таком виде сейчас, чем в улучшенном в сильно отдалённом будущем.
Если вас интересуют детали тестов, значения конкретных параметров, полные наборы результатов — пишите, выложу. В статье эту информацию не размещал, поскольку целью было дать качественное представление о картине, сделав это лаконично.
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.
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.
Стоит ли покупать жесткие диски SMR
В этой статье мы подробно рассмотрим как саму черепичную технологию записи SMR, так и особенности ее реализации двумя крупнейшими представителями индустрии — компаниями Seagate и Western Digital. И ответим на вопрос стоит ли покупать диси SMR.
До недавнего времени пользователь (по крайней мере — продвинутый пользователь, не поленившийся провести несколько дней на форумах) четко знал: в потребительских дисках Seagate используется черепичная запись SMR, и это плохо, а в дисках Western Digital — нет. Многие и многие пользователи делали свой выбор, исходя именно из этого критерия. Но недавнее журналистское расследование перевернуло их мир.
SMR-диски
Оказалось (а точнее — официально подтвердилось), что Western Digital давно и молча продает диски с SMR, наотрез отказываясь раскрыть эту информацию недоумевающим и возмущенным владельцам «рассыпавшихся» RAID-массивов.
Реализация SMR в жестких дисках WD
На сегодняшний день между реализацией SMR от Seagate и Western Digital есть одно, но очень важное отличие: поддержка накопителями WD команды Trim. Использование этой команды меняет если не все, то многое. Но позволяет ли поддержка Trim говорить о том, что накопители с SMR можно использовать в рамках RAID-массивов? Разберемся детально.
Первые опыты Western Digital в отношении SMR были сугубо секретными: компания до сих пор не призналась, использовалась ли эта технология в модели WD My Passport объемом 4 Тбайт. Большинство склоняется к тому, что да: невысокая скорость случайной записи и низкая надежность модели привели к закономерным подозрениям. Впрочем, уверенности в этом до сих пор нет ни у кого, даже у технически подкованных специалистов AnandTech. Об использовании SMR в этой модели упоминается вскользь как о вероятности. Что интересно, в этой модели параметры S.M.A.R.T. декларируют поддержку функции Trim, но фактически ее активировать не удается. А вот в новой модели WD My Passport 5TB (а также WD_Black 5TB) функция Trim и декларируется, и поддерживается фактически.
Благодаря поддержке Trim последовательная запись большого массива данных всегда выполняется так, как будто данные сохраняются на свежий накопитель. Вот как выглядит график производительности диска WD My Passport 5TB (с поддержкой Trim).
А вот так — график производительности аналогичного диска Seagate (поддержки Trim нет).
Как видим, у диска Seagate первые десять минут идет запись в буфер CMR, после чего начинается бесконечный цикл уплотнения-перезаписи, из-за которого скорость записи то падает до 10 Мбайт/с, то восстанавливается до максимальной, то снова падает. Накопитель от Western Digital подобного поведения не демонстрировал.
Как проверить, поддерживает ли данный конкретный диск команду Trim? С одной стороны, можно посмотреть показания S.M.A.R.T. С другой — у меня есть несколько дисков, в параметрах которых поддержка Trim заявлена, но по факту отсутствует (вероятно, это особенности использованных производителем USB-контроллеров). Проверить же можно, запустив PowerShell с административными привилегиями и выполнив команду:
Если процесс оптимизации успешно начнется, то система выполняет тримминг накопителя. Если же выдаст ошибку — значит, функция Trim не поддерживается (кстати, она не поддерживается при использовании любой файловой системы, кроме NTFS).
Казалось бы, при чем здесь Trim — команда, традиционно использующаяся в твердотельных накопителях для упрощения сборки мусора?
В статье TRIM Command Support for WD External Drives дается подробный ответ. Согласно этой статье, функция Trim используется для оптимизации сборки мусора на дисках WD, использующих черепичный способ записи.
TRIM/UNMAP поддерживается для внешних (и внутренних, кстати, тоже) жестких дисков с технологией записи SMR для управления таблицами соответствия адресов и повышения производительности SMR с течением времени. Одним из преимуществ (там так и написано) черепичной записи является то, что все физические сектора записываются последовательно в радиальном направлении и перезаписываются только после циклического переноса. Перезапись ранее записанного логического блока приведет к тому, что предыдущая запись будет помечена как недействительная, и логический блок будет записан в следующий физический сектор. TRIM/UNMAP позволяет ОС информировать накопитель о том, какие блоки более не используются и могут быть вновь использованы жестким диском для выполнения последующих операций записи на полной скорости.
Что это означает на практике? Если ты используешь такой диск в Windows 10 (и диск отформатирован в NTFS), то скорость больших массивов данных будет оставаться высокой независимо от числа перезаписей. Система автоматически сообщит контроллеру об освобождении адресов, которые больше не используются. Соответственно, скорость записи будет восстанавливаться автоматически после удаления файла или форматирования диска — это то, чего катастрофически не хватает накопителям от Seagate.
Если речь идет о диске формата 3,5″, то некоторые NAS (например, производства Synology) также определят его как накопитель, поддерживающий Trim. Ты сможешь настроить работу Trim по расписанию.
Пусть тебя не введет в заблуждение название пункта SSD Trim: в накопителе установлен вполне себе механический жесткий диск на 6 Тбайт — как раз из новой серии WD с черепичной записью. Впрочем, у этого метода есть и ряд ограничений; в частности, Trim не работает в массивах RAID 5/6. Аналогичные ограничения есть и у других NAS.
А это приводит нас к очевидному выводу: даже поддержка накопителями команды Trim не делает новые диски Western Digital с черепичной записью SMR пригодными для использования в составе массивов RAID 5 и RAID 6 (а также, по опыту пользователей, в составе массивов SHR 1 и, возможно, SHR 2). В составе таких массивов непрерывная череда мелкоблочных операций записи быстро (в течение сорока минут) перенасытит контроллер и переполнит ограниченный буфер CMR.
Нельзя и использовать диск с SMR совместно с классическими в одном массиве: в зависимости от нагрузки диск с SMR может замедлить работу всего массива и даже привести к его деградации, если контроллеру покажется, что диск слишком долго не отвечает.
С другой стороны, новые диски WD с черепичной записью вполне допустимо использовать в однодисковых NAS, а также в составе массивов уровней JBOD, RAID 1 или RAID 0 в многодисковых сетевых накопителях, причем последние два (RAID 1/0) при условии, что все диски в составе массива используют одинаковую технологию записи (только CMR или только SMR).
И разумеется, диски WD с черепичной записью отлично работают в качестве архивных. Правда, до тех пор, пока ты используешь их совместно с Windows, а сам накопитель отформатирован в NTFS. Использование таких дисков в macOS способно преподнести неприятные сюрпризы из-за особенностей реализации Trim в ОС от Apple.
При этом использование диска SMR с поддержкой команды Trim предпочтительнее аналогичного диска без поддержки Trim — обширный список, в который входят практически все «домашние» накопители Seagate.
Реализация SMR в жестких дисках Seagate
Покупая диск Seagate, ты, скорее всего, получишь модель с черепичной записью. На сегодняшний день (ситуация может поменяться, и очень быстро) дела в стане Seagate обстоят следующим образом.
Линейки Seagate Archive и Barracuda Compute: как правило, SMR. Именно такие диски устанавливаются во внешние накопители линеек Expansion Desktop и Backup Plus Hub емкостью до 8 Тбайт включительно.
Линейка Barracuda Pro обходится без SMR. Кстати, все диски Seagate объемом от 10 Тбайт также используют обычный способ записи CMR; это объясняет заметную разницу в цене между моделями внешних накопителей Seagate на 8 и 10 Тбайт.
Во всех дисках для NAS линеек IronWolf и IronWolf Pro используется честная перпендикулярная запись (CMR).
Что такое черепичная запись? Подробная иллюстрированная статья выложена на сайте Seagate — очень рекомендую ознакомиться.
При черепичном способе записи дорожки записываются на диск не параллельно, а с перехлестом, как черепицы на крыше, что позволяет дополнительно уплотнить запись. Использование черепичного способа записи позволяет сэкономить на производстве, сделать диск менее шумным и менее тяжелым за счет меньшего количества вращающихся «блинов» и головок чтения-записи.
А что насчет надежности дисков с SMR? Когда технология только появилась на рынке, у пользователей были большие сомнения относительно долговременной надежности таких дисков. На сегодняшний день можно констатировать, что надежность дисков с SMR при обычном использовании в качестве архивных накопителей не ниже надежности дисков с CMR аналогичной емкости, а в отдельных случаях может даже превышать ее благодаря упрощению механической части.
Особенность реализации SMR у Seagate в том, что диски выдерживают хорошую скорость записи на протяжении первого цикла заполнения диска. Но стоит тебе заполнить диск целиком и начать перезаписывать данные (сценарий, совершенно типичный для регулярных резервных копий), как скорость перезаписи падает в разы по сравнению с записью на свежий диск. Ситуация чем-то напоминает ту, в которой оказались производители первых твердотельных накопителей SSD: запись в блок происходит быстро, а для перезаписи единственного байта требуется считать целый (и довольно крупный) блок данных, модифицировать нужные данные и сохранить измененную информацию. Так и здесь: для перезаписи единственной дорожки надо сначала считать все последующие дорожки, которые входят в объединенный блок (ленту), после чего записать нужную дорожку и восстановить из буфера все последующие.
Вот что имеет на эту тему сказать производитель Seagate:
C технологией SMR связана следующая проблема: если нужно перезаписать либо обновить часть информации, переписать придется не только требуемый фрагмент, но и данные на последующих дорожках. Поскольку записывающий элемент шире неперекрывающейся области дорожки, он захватывает также данные на граничащих дорожках, а значит, потом придется перезаписать и их (рис. 3). Таким образом, при изменении данных на нижней дорожке нужно скорректировать данные на ближайшей наложенной дорожке, потом на следующей и так далее, пока не будет переписана вся пластина.
Рис. 3. Записывающий элемент перекрывает накладывающиеся дорожки
По этой причине дорожки SMR-диска объединены в небольшие группы, называемые лентами. Накладываются друг на друга, соответственно, только дорожки в пределах одной ленты (рис. 4). Благодаря такому группированию в случае обновления некоторых данных перезаписывать придется не всю пластину, а лишь ограниченное количество дорожек, что существенно упрощает и ускоряет процесс.
Рис. 4. Структура ленты на SMR-диске
Такая организация приводит к тому, что скорость перезаписи данных падает с условных 180 Мбайт/с до 40–50 Мбайт/с. Обойти проблему можно попытаться, включив для диска кеширование записи и записывая крупными блоками, размер которых не меньше размера одной ленты. Так, тестовый образец LaCie 2,5″ 4 Tбайт демонстрировал скорость записи на чистый накопитель порядка 130 Мбайт/с. После первого заполнения диска скорость записи данных упала до 20–40 Мбайт/с; что характерно, не помогло ни форматирование диска, ни переразбивка на разделы. Еще хуже себя показал вариант емкостью 5 Тбайт, скорость перезаписи данных которого упала ниже 10 Мбайт/с. Частично исправить дело помогло включение кеширования записи и запись данных крупными блоками; впрочем, даже так первоначальная высокая скорость записи не восстановилась.
Проиллюстрирую работу SMR в момент перезаписи данных. Сразу скажу: увидеть такие цифры получится лишь после того, как весь объем диска был заполнен хотя бы единожды, а объем записываемых в течение одной сессии данных превышает размер буфера CMR (при этом очистка или переформатирование диска никак не повлияют на производительность). На первом скриншоте — запись с отключенным кешированием записи. Скорость записи скачет от 0 до 10 Мбайт/с. Эта скорость обнажает внутреннюю суть процесса. Что происходит: контроллер считывает ленту (блок черепичных дорожек) в буфер, модифицирует одну дорожку, записывает всю ленту из буфера на диск. Следующая дорожка — повторение того же самого. В результате имеем процесс, который на Reddit описали так: «Многие говорят, что SMR — это медленно, но мало кто представляет, насколько медленно это на самом деле. Представьте, что вам нужно пропихнуть слона через замочную скважину. Представили? А теперь представьте, что с другой стороны активно сопротивляются. Вот это и будет запись SMR».
На втором скриншоте — то же самое, но с включенным кешированием записи. Теперь в буфер накопителя попадает не дорожка, а вся лента целиком (ну, может попадать — фактический размер ленты и то, как он соотносится с размером буфера накопителя, мы не знаем). Если бы накопитель был умным (или хотя бы поддерживал Trim, как в WD), то он понял бы, что нужно перезаписать всю ленту целиком, — и сделал бы именно это. Но нет, он снова читает ленту в буфер, после модифицирует данные и записывает их обратно. Скорость записи в результате скачет от нуля до максимальной (около 100 Мбайт/с в этой части диска).
На скриншотах хорошо видна одна из проблем накопителей с SMR: чрезвычайно медленная перезапись больших массивов данных. Учитывая, что такие диски (на скриншоте — модель Seagate Backup Plus 5TB) часто продаются для хранения резервных копий, размер которых может достигать от сотен гигабайт до нескольких терабайт, такая производительность на основной (и, по сути, единственной) задаче устройства совершенно неприемлема.
А что насчет скорости чтения? Хорошо известная проблема SMR — низкая скорость позиционирования головок, связанная с высокой плотностью расположения дорожек. Соответственно, случайный доступ к данным, в отличие от последовательного, при прочих равных условиях в моделях с SMR будет ниже, чем в дисках без «черепицы». Но на этом проблемы не заканчиваются. В дисках с SMR без Trim так же, как и в накопителях SSD, используется механизм трансляции адресов. Диск старается записать новую порцию данных сначала в CMR-буфер, а когда он заполнен — в первую свободную ленту. Соответственно, логические адреса транслируются в физические; при этом возникает внутренняя фрагментация данных. И если для SSD внутренняя фрагментация не играет никакой роли, то в случае с механическими дисками мы получаем двойной удар: файлы «размазываются» по незанятым лентам и при этом скорость случайного доступа низкая из-за увеличенных требований к точности позиционирования головки. В результате при неудачном стечении обстоятельств мы получаем диск, чтение данных с которого превращается в пресловутое пропихивание слона через замочную скважину.
Впрочем, модель модели рознь. В упомянутом выше внешнем накопителе используется диск Seagate Barracuda 5TB (ST5000LM000), который был одной из первых 2,5-дюймовых моделей с SMR. Реализация черепичной записи в нем сырая до невозможности, чем-то напоминает поведение самых первых SSD, которые моментально теряли в скорости записи сразу после первого заполнения. Мое мнение: в таком виде накопитель нельзя было выпускать на рынок.
А в каком — можно? Реально ли вообще сделать так, чтобы дисками с SMR пользоваться, не испытывая заметных неудобств? Оказывается, даже в рамках технологии SMR можно создавать вполне неплохие диски (разумеется, со своими ограничениями и узким спектром сценариев использования), если правильно сделать программную часть — прошивку контроллера. И получилось это сделать впервые не у Seagate, пионера технологии, а у основного конкурента — компании Western Digital, героя этой статьи.
Стоит ли покупать диски с SMR
Разница в цене между наполненным гелием накопителем WD My Book или WD Elements Desktop 8TB, использующими классическую запись CMR, и черепичными Seagate Backup Plus Hub или Seagate Expansion Desktop 8TB на сегодня порядка 10–15 евро. Разница в цене между WD Red 6TB с PMR (модель WD60EFRX) и SMR (WD60EFAX) — исторически те же 10 евро, но на фоне последних публикаций ценник на классическую модель резко и необоснованно взлетел, догнав ценник на 8-гигабайтный накопитель.
Стоит ли переплатить за отсутствие SMR и всегда ли это возможно? В некоторых компактных (2,5″) накопителях емкостью от 2 Тбайт используют SMR для того, чтобы получить более тонкий корпус. В компактных дисках емкостью в 5 Тбайт SMR используют просто для того, чтобы сделать такую емкость возможной. А вот десктопные диски емкостью 2, 4, 6 и 8 Тбайт вполне можно сделать и без SMR. Использование черепичной записи позволяет производителю сэкономить; часть этой экономии достается на долю покупателя, но большую часть денег производитель кладет в собственный карман.
Решать, купить тот или иной диск, в любом случае тебе. Есть сценарии использования, в которых использование SMR недопустимо в принципе, — это массивы RAID 5 и 6. Использовать SMR в составе массивов RAID 0 и RAID 1 — развлечение на любителя, но при соблюдении простого правила — использовать в рамках массива диски только без или только с SMR — это возможно, хоть и не оптимально. В однодисковом NAS, который умеет использовать Trim, ты не заметишь большой разницы между диском с PMR и диском SMR, поддерживающим команду Trim. Наконец, диски с SMR и Trim вполне допустимо использовать в качестве архивных.
А вот за использование дисков с SMR, но без поддержки Trim производитель просто обязан давать гигантскую скидку. В противном случае мне сложно понять потребителя, приобретающего себе заведомо медленный (очень медленный) и нестабильный по скорости работы накопитель.
Заключение
Является ли SMR абсолютным злом?
Нет, не является — если покупатель понимает, какие проблемы и ограничения он приобретает за свои деньги, и получает за это достаточную скидку. Но делать это нужно с открытыми глазами, а сознательно утаивать информацию совершенно недопустимо. Сейчас компания Western Digital, кажется, отделалась легким испугом. Мне очень хотелось бы увидеть коллективный иск, гигантский штраф и соответствующую компенсацию, выплаченную производителем за годы обмана и умолчаний.