Галька магнитная запись - Shingled magnetic recording

Частичное обновление данных с SMR затруднено. Данные будут записаны на соседние дорожки, которые не нужно перезаписывать.

Дранка магнитной запись ( ПРМ ) представляет собой накопитель на магнитные технологии записи данных , используемых в жестких дисках (HDD) , чтобы увеличить плотность хранения данных и общей емкость в-диска. Обычные жесткие диски записывают данные, записывая неперекрывающиеся магнитные дорожки, параллельные друг другу ( перпендикулярная магнитная запись , PMR), в то время как запись с использованием черепицы записывает новые дорожки, которые перекрывают часть ранее записанной магнитной дорожки, оставляя предыдущую дорожку более узкой и позволяя увеличить плотность трека. Таким образом, дорожки частично перекрываются аналогично черепице . Этот подход был выбран потому, что из-за физических ограничений записывающие магнитные головки шире, чем считывающие.

Архитектура перекрывающихся дорожек усложняет процесс записи, поскольку запись на одну дорожку также перезаписывает соседнюю дорожку. Если соседние дорожки содержат действительные данные, их также необходимо переписать. В результате диски SMR делятся на множество зон с перекрытием дорожек только с добавлением (последовательными), которые необходимо полностью перезаписывать при заполнении, что напоминает блоки флеш-памяти в твердотельных накопителях . Устройства SMR, управляемые устройством, скрывают эту сложность, управляя ею в прошивке, представляя интерфейс, как любой другой жесткий диск. Другие устройства SMR управляются хостом и зависят от операционной системы, чтобы знать, как обращаться с диском, и только последовательно записывают в определенные области диска. В то время как диски SMR могут использовать кеши DRAM и флэш-памяти для повышения производительности записи, непрерывная запись большого объема данных происходит медленнее, чем с дисками PMR.

История

Seagate начала поставки жестких дисков SMR, управляемых устройствами, в сентябре 2019 года, заявив об увеличении общей емкости примерно на 25% по сравнению с обычными хранилищами. В сентябре 2020 года HGST анонсировала накопитель на 10 ТБ, заполненный гелием, который использует управляемую хостом черепичную магнитную запись, хотя в декабре 2020 года последовал за этим диском на 10 ТБ, заполненным гелием, который использует обычную перпендикулярную запись без черепицы. В ноябре 2019 года HGST представила диски емкостью 14 и 15 ТБ.

Western Digital , Toshiba и Seagate продают диски SMR, не маркируя их как таковые, что вызывает большие споры, поскольку диски SMR при некоторых обстоятельствах (например, при произвольной записи) ведут себя намного медленнее, чем диски PMR . Некоторые даже утверждали, что это может привести к потере данных. Эти методы неправильной маркировки использовались как в ориентированных на потребителя жестких дисках, так и в жестких дисках с выделенными хранилищами данных для серверов, NAS , RAID и холодных хранилищ .

Управление данными

Существует три различных способа управления данными на диске SMR: управляемое устройством, управляемое хостом и с учетом хоста.

Управляется устройством

А устройство управляемого или привода управляемого появляется привод к хозяину тождественно к не-гонтовым привода. Хосту не обязательно следовать каким-либо специальным протоколам. Вся работа с данными, связанная с черепичной природой хранилища, осуществляется устройством. Последовательная запись более эффективна. Кроме того, хост не знает, что хранилище покрыто черепицей.

Контроллер диска в управляемом устройством накопителе внутренне обрабатывает любую перезапись, требуемую особыми характеристиками изолированного накопителя, аналогично тому, как контроллер флеш-памяти внутренне обрабатывает перезапись, требуемую особыми характеристиками флеш-носителя.

До недавнего времени этот тип SMR-накопителя часто не маркировался производителем. Его работу уровня трансляции shingle, управляемую микропрограммой, можно сравнить с твердотельными накопителями , поскольку адреса LBA не сильно коррелируют со структурой на диске. Зоны только для добавления очень медленны для произвольной записи, поэтому записи сначала отправляются в кэш PMR, а диск перемещает эти данные в части SMR в режиме ожидания. Перенастройка RAID имеет тенденцию к перегрузке кеша, отправляя диски SMR в паузы длительностью в несколько минут. Неисправная прошивка (например, WD40EFAX) также может вызывать ошибку, когда ее просят прочитать адрес, на который никогда не записывалась запись. Оба поведения обычно интерпретируются контроллером RAID как отказ диска.

Зональный характер SMR также означает, что диск страдает от усиления записи при сборке мусора , хотя для жестких дисков основной проблемой записи является скорость, а не долговечность. По этой причине некоторые жесткие диски SMR поддерживают команду TRIM .

Управляется хостом

Устройство, управляемое хостом , требует строгого соблюдения хостом специального протокола. Поскольку хост управляет изолированным характером хранилища, требуется вести последовательную запись, чтобы не уничтожить существующие данные. Привод откажется выполнять команды, нарушающие этот протокол.

С учетом хоста

С поддержкой хоста - это комбинация управления диском и хостом. Накопитель способен управлять многослойной структурой хранилища и будет выполнять любую команду, которую ему подает хост, независимо от того, последовательная она или нет. Однако хост знает, что диск покрыт черепицей, и может запросить у диска уровни заполнения. Это позволяет хосту оптимизировать запись для многослойной черепицы, а также обеспечивает гибкость и обратную совместимость накопителя.

Протокол

Устройства SMR считаются зонированными , поскольку хранилище разделено на зоны размером обычно 256 МБ. Для устройств SMR доступны два набора специализированных команд: ZBC (Zoned Block Commands, ANSI INCITS 536) для SCSI и ZAC (Zoned ATA Commands, ANSI INCITS 537) для SATA . Они сообщают хосту, является ли каждая зона PMR или SMR, и позволяют им напрямую обращаться к этим зонам. Если специально не указано иное, команды доступны только на устройствах с поддержкой хоста / под управлением. Конкретные команды:

  • ОТЧЕТНЫЕ ЗОНЫ, для получения информации о структуре диска и состоянии зоны (например, указатель записи , последняя записанная позиция в последовательной зоне)
    • На дисках, управляемых хостом, требуются зоны SMR или аналогичные зоны, а на дисках, поддерживающих хост, предпочтительнее использовать последовательные зоны .
  • RESET WRITE POINTER, для перемотки указателя записи, чтобы последовательная зона стала пустой
  • ОТКРЫТАЯ ЗОНА, для явного объявления доступа к зоне и блокировки связанных ресурсов встроенного ПО.
  • ЗАКРЫТЬ ЗОНУ, чтобы разблокировать открытую зону.
  • FINISH ZONE, заполните зону полностью и сделайте ее читаемой

Каждая зона имеет диапазон адресов LBA, связанных с ней, и все команды на основе LBA могут использоваться, если на дисках, управляемых хостом, соблюдается последовательное требование.

Устройства SMR идентифицируют себя по следующему:

  • Диски, поддерживающие хост или управляемые устройством, помечаются как обычные блочные устройства ( SCSI 00h), поэтому их можно распознать как обычные жесткие диски.
    • Поле ZONED показывает, управляется ли диск устройством, поддерживает хост или нет. Это находится на странице VPD характеристик блочного устройства SCSI и на странице журнала возможностей ATA.
  • Управляемые хостом диски используют новый тип устройства (SCSI 14h). Только компьютеры с поддержкой ZAC / ZBC могут обнаруживать и использовать их.

Новая версия родственных стандартов ZAC-2 / ZBC-2 находится в стадии разработки. В новой версии представлен новый тип «зонированных блочных устройств доменов и областей», которые позволяют использовать несмежные LBA. Поле ZONED было прекращено по предложению Western Digital .

Зонированный интерфейс также полезен для флеш-памяти . Версия находится на рассмотрении организации NVM Express .

Программное обеспечение и приложение

Более высокая плотность накопителей SMR в сочетании с характером случайного чтения заполняет нишу между ленточным хранилищем с последовательным доступом и обычным жестким диском с произвольным доступом. Они подходят для хранения данных, которые вряд ли будут изменены, но должны быть эффективно прочитаны из любой точки. Одним из примеров использования случае Dropbox «s Волшебное Storage система, которая запускает на диске экстентов в качестве дописывания только способом. Диски SMR, управляемые устройством, также продавались как «архивные жесткие диски» из-за этого свойства.

Ряд файловых систем в Linux настроены или могут быть настроены для дисков SMR:

  • F2FS , изначально разработанная для флэш-носителей, имеет режим зонированного блочного устройства (ZBD). Его можно использовать на управляемых хостом дисках с обычными зонами для метаданных.
  • Поддержка Btrfs ZBD в процессе, но она уже записывает в основном последовательно из-за природы CoW.
  • ext4 можно экспериментально настроить для более последовательной записи. Теодор Ц'О и Абуталиб Агаев в 2017 году рассказали о своем ext4-lazy . У Seagate также есть более радикальное расширение «SMRFFS» с 2015 года, в котором используются команды ZBC / ZAC.
  • Для других файловых систем средство сопоставления устройств Linux имеет целевую зону с dm-зонированием, которая сопоставляет управляемый хостом диск с диском с произвольной записью. Ядро Linux начиная с 4.10 может выполнять эту задачу без dm . А zonefs из 2019 предоставляет зоны в виде файлов для более легкого доступа.

Помимо Linux, FreeBSD также поддерживает на уровне протокола SMR-диски, управляемые хостом. По состоянию на апрель 2020 года ни Windows, ни macOS не поддерживают команды ZBC / ZAC, необходимые для работы таких дисков.

Динамический гибридный SMR

В то время как для традиционных моделей SMR каждой зоне присваивается тип во время производства, динамические гибридные приводы SMR позволяют изменять тип зоны с черепичной на традиционный и обратно по желанию заказчика. Регулировка параметра SMR / PMR помогает адаптировать привод к текущей рабочей нагрузке «горячих» и «холодных» данных.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Характеристики