Grabación magnética con tejas
Tecnología de grabación de unidad de disco de alta densidad

La actualización parcial de datos es difícil con SMR. Los datos se escribirán en pistas adyacentes que no necesitan reescribirse.

La grabación magnética en tejas ( SMR ) es una tecnología de grabación de datos de almacenamiento magnético que se utiliza en las unidades de disco duro (HDD) para aumentar la densidad de almacenamiento y la capacidad de almacenamiento general por unidad. [1] Las unidades de disco duro convencionales graban datos escribiendo pistas magnéticas concéntricas no superpuestas ( grabación magnética convencional , grabación perpendicular), mientras que la grabación en tejas escribe nuevas pistas que se superponen a parte de la pista magnética escrita anteriormente, lo que deja la pista anterior más estrecha y permite una mayor densidad de pistas. Por lo tanto, las pistas se superponen parcialmente de forma similar a las tejas del techo . Este enfoque se seleccionó porque, si el cabezal de escritura se hace demasiado estrecho, no puede proporcionar los campos muy altos requeridos en la capa de grabación del disco. [2] [3] [4] [5] : 7–9 

La arquitectura de pistas superpuestas complica el proceso de escritura, ya que escribir en una pista también sobrescribe una pista adyacente. Si las pistas adyacentes contienen datos válidos, también deben reescribirse. Como resultado, las unidades SMR se dividen en muchas zonas de solo anexión (secuenciales) de pistas superpuestas que deben reescribirse por completo cuando están llenas, similar a los bloques flash en las unidades de estado sólido . Los dispositivos SMR administrados por dispositivo ocultan esta complejidad al administrarla en el firmware, presentando una interfaz como cualquier otro disco duro. Otros dispositivos SMR son administrados por host y dependen del sistema operativo para saber cómo manejar la unidad, y solo escriben secuencialmente en ciertas regiones de la unidad. [5] : 11 y siguientes.  [6] Si bien las unidades SMR pueden usar DRAM , memoria flash e incluso una parte de su propio plato reservado para usar con CMR en lugar de SMR, [7] como caché para mejorar el rendimiento de escritura, la escritura continua de una gran cantidad de datos es notablemente más lenta que con las unidades CMR. [8] [9] [10]

Historia

Seagate comenzó a enviar discos duros SMR administrados por dispositivo en septiembre de 2013, y afirmó un aumento en la capacidad general de aproximadamente el 25 % en comparación con el almacenamiento sin escamas. [1] [11] En septiembre de 2014, HGST anunció una unidad de 10 TB llena de helio que utiliza grabación magnética con escamas administrada por host, [12] aunque en diciembre de 2015 siguió con una unidad de 10 TB llena de helio que utiliza grabación perpendicular convencional sin escamas. [13]

Western Digital (WD) , Toshiba y Seagate han vendido unidades SMR sin etiquetarlas como tales, lo que ha generado una gran controversia, ya que las unidades SMR se comportan mucho más lento en algunas circunstancias (como escrituras aleatorias) que las unidades CMR . [9] Algunos incluso han afirmado que pueden provocar pérdida de datos. [14] Estas prácticas de etiquetado incorrecto se utilizaron tanto en discos duros de almacenamiento de datos dedicados como centrados en el consumidor para servidores, NAS , RAID y almacenamiento en frío . Una demanda colectiva de los Estados Unidos contra Western Digital alegando que la tecnología es inferior se resolvió el 27 de agosto de 2021 o antes. [15] Debido a la controversia, a partir de junio de 2020, Western Digital etiqueta sus unidades NAS DM-SMR como "WD Red" y marca sus unidades NAS CMR como "WD Red Plus" y "WD Red Pro". [16] [14]

Las pistas muy superpuestas (con escamas) también aparecieron antes en las videograbadoras de consumo con escaneo helicoidal (VCR) que fueron populares en los años 1980 y 1990. En el modo de reproducción extendida (EP o SLP), tanto VHS como Betamax reducían el paso de las pistas en un factor de tres. La grave interferencia de las pistas adyacentes se mitigó parcialmente mediante el uso de la grabación con acimut inclinado .

Gestión de datos

Hay tres formas diferentes de administrar datos en una unidad SMR: administrada por el dispositivo, administrada por el host y consciente del host. [17] [18]

Administrado por dispositivo

Una unidad administrada por dispositivo o por unidad aparece ante el host de forma idéntica a una unidad no distribuida. No es necesario que el host siga ningún protocolo especial. Todo el manejo de datos, en lo que se refiere a la naturaleza distribuida del almacenamiento, es administrado por el dispositivo. Las escrituras secuenciales son más eficientes. Además, el host no sabe que el almacenamiento está distribuido. [5]

El controlador de disco en una unidad administrada por dispositivo maneja internamente cualquier reescritura requerida por las características especiales de una unidad con escamas, de manera similar a la forma en que un controlador de memoria flash en una unidad de estado sólido maneja internamente la reescritura requerida por las características especiales de los medios flash. [19] Las unidades SMR tienen zonas de solo anexión que funcionan como bloques SSD, donde un sector en una zona no se puede modificar sin reescribir todo el contenido de la zona, por lo que las escrituras se envían primero a una caché CMR y el disco mueve estos datos a las partes SMR cuando está inactivo. [20]

Hasta la reacción contra Western Digital en 2020, este tipo de unidad SMR a menudo no estaba etiquetada por el fabricante, excepto en los discos etiquetados como "de archivo". [9] [10]

La recuperación de RAID tiende a sobrecargar la memoria caché, [ ¿por qué? ] lo que hace que las unidades SMR entren en pausas de varios minutos. [ cita requerida ] Un firmware defectuoso (como la revisión 82.00A82 en el WD40EFAX) también puede provocar que la unidad devuelva errores IDNF SMART bajo cargas de trabajo intensivas. [7] [19] Ambos comportamientos tienden a ser interpretados como una falla de la unidad por el controlador RAID. [20]

La naturaleza zonificada de SMR también significa que el disco sufre una amplificación de escritura cuando se recolecta basura , [21] aunque para los discos duros el problema principal con las escrituras es la velocidad en lugar de la longevidad. Algunos discos duros SMR admiten el comando TRIM por este motivo. [22]

Administrado por el host

Un dispositivo administrado por el host requiere que el host cumpla estrictamente con un protocolo especial. Dado que el host administra la naturaleza escalonada del almacenamiento, se requiere que escriba secuencialmente para no destruir los datos existentes. La unidad se negará a ejecutar comandos que violen este protocolo. [5]

Consciente del host

El host-aware es una combinación de administración de la unidad y administración del host. La unidad es capaz de administrar la naturaleza escalonada del almacenamiento y ejecutará cualquier comando que le dé el host, independientemente de si es secuencial o no. Sin embargo, el host es consciente de que la unidad está escalonada y puede consultarla para conocer los niveles de llenado. Esto permite que el host optimice las escrituras para la naturaleza escalonada, al mismo tiempo que permite que la unidad sea flexible y compatible con versiones anteriores. [5]

Protocolo

Los dispositivos SMR se consideran dispositivos zonificados , ya que el almacenamiento se divide en zonas de tamaño generalmente de 256 MiB. [23] Hay dos conjuntos de comandos especializados, ZBC (Zoned Block Commands, ANSI INCITS 536) para SCSI y ZAC (Zoned ATA Commands, ANSI INCITS 537) para SATA , disponibles para dispositivos SMR. Le indican al host si cada zona es CMR o SMR y le permiten acceder a estas zonas directamente. [24] A menos que se mencione específicamente, los comandos solo están disponibles en dispositivos que reconocen/administran el host. Los comandos específicos son: [25]

  • ZONAS DE INFORME, para obtener información sobre el diseño del disco y el estado de la zona (como el puntero de escritura , la última posición escrita en una zona secuencial)
    • Se requieren zonas SMR o similares de forma secuencial en las unidades administradas por el host, pero se prefieren de forma secuencial en las que reconocen el host.
  • REINICIAR PUNTERO DE ESCRITURA, para rebobinar el puntero de escritura de modo que una zona secuencial quede vacía
  • ZONA ABIERTA, para declarar explícitamente el acceso a una zona y bloquear los recursos de firmware asociados
  • CERRAR ZONA, para desbloquear una zona abierta
  • ZONA DE FINALIZACIÓN, rellenar una zona por completo y hacerla legible

Cada zona tiene un rango de direcciones LBA asociadas a ella, y todos los comandos basados ​​en LBA se pueden usar siempre que se cumpla el requisito secuencial en las unidades administradas por el host.

Los dispositivos SMR se identifican de la siguiente manera: [26] [27] [5] : 14 

  • Las unidades conscientes del host o administradas por dispositivo están marcadas como dispositivos de bloque normales ( SCSI 00h), por lo que pueden reconocerse como un disco duro normal.
    • Un campo ZONED muestra si la unidad está administrada por dispositivo, reconoce el host o no lo está. Esto se encuentra en la página SCSI Block Device Characteristics VPD y en la página de registro de capacidades ATA.
  • Las unidades administradas por el host utilizan un nuevo tipo de dispositivo (SCSI 14h). Solo los equipos compatibles con ZAC/ZBC pueden detectarlas y utilizarlas.

Se está desarrollando una versión más nueva de los estándares hermanos, ZAC-2/ZBC-2. La nueva versión introduce un nuevo tipo de "dispositivos de bloque zonificados de dominios y reinos" que permiten LBA no contiguos y puede resultar beneficioso para los SSD SATA. [28] El campo ZONED se ha retirado tras una propuesta de Western Digital . [29]

La interfaz dividida en zonas también es útil para el almacenamiento flash . La especificación ZNS ha sido publicada por la organización NVM Express . [30]

Software y aplicación

La mayor densidad de las unidades SMR, combinada con su naturaleza de lectura aleatoria, llena un nicho entre el almacenamiento en cinta de acceso secuencial y el almacenamiento en disco duro convencional de acceso aleatorio. Son adecuadas para almacenar datos que es poco probable que se modifiquen, pero que deben leerse desde cualquier punto de manera eficiente. Un ejemplo de este caso de uso es el sistema Magic Storage de Dropbox , que ejecuta las extensiones en disco de una manera de solo anexión. [31] Los discos SMR administrados por dispositivo también se han comercializado como "discos duros de archivo" debido a esta propiedad. [32]

Varios sistemas de archivos en Linux están o pueden estar optimizados para unidades SMR: [33]

  • F2FS , diseñado originalmente para medios flash, tiene un modo de dispositivo de bloques por zonas (ZBD). Se puede utilizar en unidades administradas por el host con zonas convencionales para metadatos.
  • Btrfs tiene soporte para modo zonificado agregado en el kernel Linux 5.12, y es compatible con unidades administradas por el host. [34] Btrfs ya escribe principalmente de forma secuencial debido a la naturaleza de CoW.
  • Se puede ajustar ext4 de forma experimental para escribir de forma más secuencial. Theodore Ts'o y Abutalib Aghayev dieron una charla en 2017 sobre su ext4-lazy . Seagate también tiene una extensión "SMRFFS" más radical de 2015 que utiliza los comandos ZBC/ZAC. [35]
  • Para otros sistemas de archivos, el mapeador de dispositivos Linux tiene un objetivo con zonas dm que mapea una unidad administrada por el host en una unidad con escritura aleatoria. Los kernels Linux desde la versión 4.10 pueden realizar esta tarea sin dm . [36] Un zonefs de 2019 expone las zonas como archivos para facilitar el acceso. [37]

Además de Linux, FreeBSD tiene soporte a nivel de protocolo para unidades SMR administradas por host. [23] [38] A partir de abril de 2024 [actualizar], ni Windows ni MacOS admiten las unidades HM-SMR. [39] Sin embargo, Windows 11 y Windows 10 22H2 tienen soporte para conjuntos de comandos ZAC / ZBC para HDD y SSD HA-SMR, ya que admiten LBA no secuenciales. [40]

SMR híbrido dinámico

Mientras que en los modelos SMR tradicionales a cada zona se le asigna un tipo en el momento de la fabricación, los variadores SMR híbridos dinámicos permiten que el cliente pueda reconfigurar el tipo de zona de escalonada a convencional y viceversa. [41] [42] Ajustar la configuración SMR/CMR ayuda a adaptar el variador a la carga de trabajo actual de datos "calientes" y "fríos". [21]

Crítica

Las unidades SMR han recibido críticas en línea por sus bajas velocidades de lectura/escritura y su baja estabilidad. [43] [44] [45] [46] [47] Los fabricantes de unidades han sido criticados además por intentar ocultar el uso de la tecnología SMR en sus productos. [48] [49]

Véase también

Referencias

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  2. ^ Roger Wood (19 de octubre de 2010). «Grabación magnética en tejas y grabación magnética bidimensional» (PDF) . IEEE . Consultado el 14 de diciembre de 2014 .
  3. ^ "¿Qué es la grabación magnética superpuesta (SMR)?". storagereview.com . 30 de enero de 2015 . Consultado el 9 de febrero de 2015 .
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  • Abordaje de las unidades de grabación magnéticas con sistema de archivos de cinta lineal, SNIA SDC 2013, por Albert Chen y Jim Malina
  • SMR administrado por el anfitrión, SNIA SDC 2015, por Albert Chen, Jim Malina y TK Kato

Presupuesto

  • Versión 1 de ZAC/ZBC (publicada en 2016)
    • T10, Tecnología de la información - Comandos de bloques zonificados (ZBC), 2014, Borrador de revisión 1
    • T13, Tecnología de la información - Conjunto de comandos ATA de dispositivos zonificados (ZAC), revisión preliminar 5, 2015
  • Versión 2 de ZAC/ZBC (en desarrollo a partir de 2020)
    • T10, Tecnología de la información - Comandos de bloques zonificados - 2 (ZBC-2), 2020, Borrador de revisión 04a
    • T13, ZAC-2, PDF no disponible
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