Как жесткий диск записывает данные: LMR и CMR

Как правило нормальные люди выбирают жесткие диски по нескольким привычным параметрам:

  • Размер: ноутбучный 2.5 или стандартный 3.5
  • Емкость жесткого диска. От 1 ТБ до 16 ТБ.
  • Скорость вращения шпинделя, фактически соотношение скорости работы диска к его долговечности. Для домашних ПК стандартом являются 5400 и 7200 оборотов в минуту. Для серверных, где важна непрерывность процесса, чаще покупают винчестеры с 10 и 15 тысячами оборотов в минуту.
  • Реже смотрят на размер буфера обмена.

О том, как именно диск производит запись и что там под капотом, большинство из нас не интересует. Но тут придется немного углубиться в матчасть. Изначально производители жестких дисков использовали систему продольной магнитной записи LMR, когда магнитные домены располагались параллельно плоскости пластины диска.

Затем в середине нулевых появилась перпендикулярная магнитная запись (или PMR/CMR), в которой домены развернулись вертикально по отношению к пластинам. Но идея осталась той же, что и с LMR: головки чтения и записи выполняют запись на необходимую дорожку, не затрагивая соседние.

Ради обновления пришлось полностью перестроить головки чтения и записи, однако профит того стоил: плотность записи выросла в три раза в сравнении с обычным LMR. Активный переход на PMR позволил компаниям вроде Toshiba и Seagate значительно поднять емкость обычных HDD выше их потолка. Говоря о современных винчестерах большинство из нас подразумевает как раз PMR HDD, которые для упрощения часто называют CMR или «conventional magnetic recording», что в переводе с английского означает «обычную магнитную запись».

Жесткие диски CMR

Что такое SMR и чем это отличается от обычного PMR?

Ради уменьшения расстояния между дорожками была придумана аналогия с обычной черепицей. Как и в кровле дорожки при записи на жесткий диск накладываются друг на друга, увеличивая плотность покрытия «крыши». Профит — увеличение объема памяти жесткого диска. Из-за разных размеров головок чтения и записи при записи целевой дорожки часть информации записывается на соседнюю дорожку. И на другую соседнюю. И если информацию нужно переписать, то придется разбираться с таким «перехлестом» данных, который в некоторых случаях может даже привести к необходимости переписывать все дорожки зоны.

Но это полбеды. SMR HDD оснащаются дисковым кэшем на быстрых внешних дорожках, который дополняет традиционный кэш контроллера. Принцип работы в чем-то похож на SSD: при поступлении новых данных контроллер отправляет их в быстрый кэш, а потом записывает на сам диск. И если данных много, то кэш постоянно заполнен и не успевает быстро обновляться. А пока он не очистится и не отдышится, скорость записи приходится снижать. Поэтому при копировании больших массивов данных SMR HDD значительно снижают скорость записи в лучших традициях дешевых SSD с небольшим кэшем. Только одно дело говорить о «твердотельнике», который спускается с привычных 550 Мб/c до, например, 150 Мб/c. Другое дело — это жесткий диск, который и в лучшие времена не блистал скоростью, а тут буксует как застрявший в песочнице трехколесный велик.

Жесткие диски SMR

Проблема в том, что нам врут

Как видим, SMR ― это обычная сделка технологий, за увеличение объема при той же цене пользователи получили падение скорости. Однако проблема тут совсем в другом. Официально, «черепичная» запись применяется в ДАТА-центрах и центрах обработки данных когда исповедуется принцип WORM (write once, read many). То есть когда данные именно хранятся на диске для регулярного чтения, но практически не перезаписываются. Чтобы понять возмущение покупателей таких дисков, представьте, что вы купили быструю и красивую Теслу, чтобы позже узнать, что в ней нет автопилота, а вместо двигателя на электрической тяге используется мощный ДВС от Ford Mustang. Рвет такой будь здоров, но тачку-то вы покупали совсем другую.

Как раскопали ребята из издания Blocks & Files, Seagate и Western Digital уже несколько лет хитрят, продавая SMR HDD под видом обычных CMR. По словам исследователя Кристиана Франке, который был далеко не первым, кто заметил след SMR, из-за особенностей этой технологии использование дисков с SMR совместно с «обычными» HDD со временем приводит к деградации массивов и выпадению из них дисков с SMR.

Что еще хуже, бренды-производители выбрали тактику «сам дурак», еще сильнее разозлив покупателей. На прямой вопрос о том, используется ли технология SMR в накопителях WD Red представители компании ответили, что не разглашают особенности внутреннего функционирования дисков конечным потребителям. На вопросы других энтузиастов, включая Франке, представители компании ответили тем же вежливым «идите лесом», но в других вариациях. Дошло даже до приглашения в видеоконференцию от ребят из технического отдела WD, но она так и не состоялась.

После публикации расследования от Blocks & Files ребята из WD выдавили из себя, что да, в дисках семейства WD Red таки используется SMR (хотя, раньше это отрицали), но мы решили не говорить вам об этом, так как тесты не показали никаких проблем с перестроением RAID из-за SMR. В свое оправдание в WD заявили, что в типичном сетевом хранилище для дома или малого бизнеса нагрузки скачкообразны и у системы остается куча времени на уборку «мусора». Журналисты справедливо заметили, что все люди разные, хранилище хранилищу рознь и вы, например, можете сутками туда-сюда гонять видео-исходники, снятые в 4K или 8K, создавая огромную нагрузку на дисковый массив.

Так чем плох SMR?

Как мы уже говорили, по своему принципу работы SMR-накопители с буфером похожи на SSD: вся память довольно медленная, но ее часть используется для быстрой буферизации записей в качестве псевдо-SLC-кеша. И вот сидите включаете вы какой-нибудь CrystalDiskMark и видите совершенно обычные для этого диска цифры. Сюрпризы начинаются тогда, когда объем записанных данных превышает размер области CMR. Или что еще хуже, заполняется весь диск и накопителю приходится оперативно «утрамбовывать информацию». SMR-де-факто становится узким бутылочным горлышком RAID-массива.

К примеру, при использовании массива RAID 5 с контрольными суммами, при записи большого объема данных вроде создания резервной копии, скорость системы со временем резко упадет. Порой даже на один-два порядка. Как писал один пользователь Reddit, время перестроения массивов SHR 1 и RAID 5 заняло у него порядка 4 суток. В комментариях некоторые писали, что это цветочки, как тебе 8 суток на бэкап, а Илон Маск? У некоторых пользователей перестроение и вовсе не получилось, в конце операции вылезала ошибка, а новый диск попросту исключался из массива как неисправный.

Также у SMR менее устойчивая производительность записи, чем у обычного CMR HDD. А это потенциальные проблемы при ресильвере (прим: процесс ресинхронизации и восстановления содержимого поврежденного устройства с использованием данных с уцелевших устройств) или других подобных операций с интенсивной записью. И на этом моменте многие задались справедливым вопросом, а кому вообще нужен медленный и ненадежный RAID-массив? Ким Кардашьян — самая популярная женщина мира, тысячи людей верят в плоскую землю, а все больше людей уверены, что биологический пол — это социальный конструкт. Разве у человечества мало проблем, а Western Digital?

Какие HDD используют черепичную запись?


По итогам того скандала WD сдалась и выкатила список HDD с SMR. В него вошли по 2 модели из линейки Blue, 4 винчестера Red и один Black. Чтобы не путаться в названиях и годах производства, советуем обращать внимания на артикули.


В отличие от WD, Seagate никогда не скрывала, что давно использует SMR в ноутбучных HDD и архивных Archive. Также Seagate никогда не использовала черепичную запись в линейках IronWolf для NAS, и вообще не рекомендует использовать такие варианты при работе с хранилищами. Впрочем, уехать вдаль на белом коне у них не получилось, про черепичную запись в некоторых десктопных винчестерах Barracuda все же мало кто знал.

Естественно, трясти начали буквально каждого производителя жестких дисков. Кто-то предпочел отмолчаться, кто-то пошел на повинную как Toshiba, впрочем сдавать жетон и пистолет никто не спешил. В итоге силами умельцев в сети собрался довольно внушительный список популярных жестких дисков, использующих черепичную запись.


Действительно ли SMR зло и как его распознать?

Очевидно, что список дисков с SMR со временем будет пополняться, а черепичная запись из-за своей дешевизны имеет большие шансы закрепиться на рынке. Проблемы с ними в первую очередь касается NAS-систем и RAID-массивов. Если же речь идет о бытовом компьютере, перед которым не требуется постоянно выполнять сложные операции чтения и записи, то вы можете даже не заметить, что используете такой накопитель. Особенно, если его получилось урвать по выгодной цене, а он используется чисто как довесок к основному SSD.

Тем не менее, сценарий «установил и забыл» подойдет не многим. В таком случае возникает вопрос, как распознать SMR, если производитель молчит? Тем более, что жесткие диски SMR из-за особенностей архитектуры могут вести себя по разному, усложняя расследование.

Во-первых, можно использовать фильтр SMR у нас на e-katalog. Во-вторых, воспользоваться той самой базой данных (на скрине сверху). Если вы уже купили подозрительный накопитель, то проще всего будет прогнать его через условный CrystalDiskMark и посмотреть на просадки скорости. Если график похож на пилу с множеством просадок-зубьев, то с большой долей вероятности это наш клиент.

Если диск еще не куплен, то советуем смотреть на размер буфера записи. Чем он больше — тем выше вероятность, что тут используется черепичная запись. Второй косвенный признак — это объем самого диска. Пока что «черепицу» нет особого смысла использовать в небольших моделях на 1 ТБ и ниже. Логичнее применять SMR в емких моделях от 4 и выше ТБ.

Впрочем, в списке выше вы можете увидеть модели от WD, Seagate и Toshiba на 1 – 2 ТБ с SMR. Их как бы немного, но они есть. Поэтому третье классическое правило — всегда ищите информацию в свежих обзорах. Судя по всему, официальные сайты в этот раз не помощники.