Як жорсткий диск записує дані: LMR і CMR

Зазвичай нормальні люди вибирають жорсткі диски за наступними параметрами: 

  • Розмір: ноутбучний 2.5 або стандартний 3.5
  • Ємність жорсткого диска. Від 1 ТБ до 16 ТБ. 
  • Швидкість обертання шпинделя — фактично співвідношення швидкості роботи диска до його довговічності. Для домашніх ПК стандартом є 5400 і 7200 обертів за хвилину. Для серверних, де важлива безперервність процесу, частіше купують вінчестери з 10 і 15 тисячами обертів у хвилину. 
  • Рідше дивляться на розмір буфера обміну. 

А от як саме диск здійснює запис і що там у нього під капотом більшість з нас не цікавить. Але тут доведеться трохи заглибитися в матчастину. Спершу виробники жорстких дисків використовували систему поздовжнього магнітного запису LMR, коли магнітні домени розташовувалися паралельно площині пластини диска.

Потім в середині нульових з'явився перпендикулярний магнітний запис (або PMR/CMR), в якому домени розгорнулися вертикально стосовно пластин. Але ідея залишилася тією ж, що і з LMR: голівки виконують запис на необхідну доріжку, не зачіпаючи сусідні. 

Заради цього оновлення довелося повністю перебудувати голівки читання і запису, проте профіт того вартував: щільність запису зросла в три рази в порівнянні зі звичайним LMR. Активний перехід на PMR дозволив компаніям на зразок Toshiba і Seagate значно підняти ємність звичайних HDD. І говорячи про сучасні вінчестери більшість з нас має на увазі як раз PMR HDD, які для спрощення часто називають «CMR» або «conventional magnetic recording», що в перекладі з англійської означає «звичайний магнітний запис». 

Жорсткі диски CMR
 

Що таке SMR і чим технологія відрізняється від звичайного PMR?

Для зменшення відстані між доріжками була придумана аналогія зі звичайною черепицею. Як і у покрівлі даху, доріжки при записі на жорсткий диск накладаються одна на одну, збільшуючи щільність покриття подібного дискового «даху». Профіт — збільшення обсягів пам'яті жорсткого диска. Але через різницю в розмірах головок читання і запису під час запису цільової доріжки частина інформації записується на сусідню доріжку. І на іншу сусідню. І якщо інформацію потрібно переписати, то доведеться розбиратися з таким «переплетінням» даних, що в окремих випадках може навіть призвести до необхідності перезаписувати всі доріжки зони. 

Але це пів біди. SMR HDD оснащуються дисковим кешем на швидких зовнішніх доріжках, який доповнює традиційний кеш контролера. Принцип роботи схожий на SSD: при надходженні нових даних контролер відправляє їх у швидкий кеш, а потім записує на сам диск. І якщо даних багато, то кеш постійно заповнений і не встигає швидко оновлюватися. А доки він не очиститься і не «переведе подих», швидкість запису доводиться знижувати. Тому при копіюванні великих масивів даних SMR HDD значно знижують швидкість запису в кращих традиціях дешевих SSD з невеликим кешем. Але одна справа говорити про «твердотільник», який спускається зі звичних 550 Мб/c до, наприклад, 150 Мб/c. А зовсім інша — про жорсткий диск, який і в кращі часи не відзначався швидкістю, а тут буксує як застряглий в пісочниці триколісний велосипед. 

Жорсткі диски SMR
 

Проблема в тому, що нам брешуть

Як бачимо, SMR ― це звичайне поєднання технологій, за збільшення об'єму при тій же ціні користувачі поплатились падінням швидкості. Однак проблема тут зовсім в іншому. Офіційно, «черепичний» запис застосовується в ДАТА-центрах та центрах обробки даних коли сповідується принцип WORM (write once, read many). Тобто коли дані зберігаються на диску для регулярного читання, але практично не перезаписуються. Щоб зрозуміти обурення покупців таких дисків, уявіть, що ви купили швидку і красиву Теслу, щоб пізніше дізнатися, що в ній немає автопілота, а замість двигуна на електричній тязі використовується потужний ДВЗ від Ford Mustang. Реве такий будь здоровий, але от тачку ж ви купували зовсім іншу. 

Як розкопали хлопці з видання Blocks & Files, Seagate і Western Digital вже кілька років хитрують, продаючи SMR HDD під виглядом звичайних CMR. За словами дослідника Крістіана Франке, який був далеко не першим, хто помітив слід SMR, через особливості цієї технології використання дисків з SMR спільно зі «звичайними» HDD з часом призводить до деградації масивів і випадання з них дисків з SMR.

Що ще гірше, бренди-виробники обрали тактику «сам дурень», ще сильніше розсердивши покупців. На пряме запитання про те, чи використовується технологія SMR в накопичувачі WD Red представники компанії відповіли, що не розголошують особливостей внутрішнього функціонування дисків кінцевим споживачам. На питання інших ентузіастів, включаючи Франке, представники компанії відповіли тим же ввічливим «ідіть лісом», але в інших варіаціях. Дійшло навіть до запрошення в відеоконференцію від хлопців з технічного відділу WD, але вона так і не відбулася. 

Після публікації розслідування від Blocks & Files хлопці з WD видавили з себе, що так, у дисках сімейства WD Red таки використовується SMR (хоча раніше це заперечували), але ми вирішили не говорити вам про це, оскільки тести не показали жодних проблем. У своє виправдання в WD заявили, що в типовому мережевому сховищі для дому або малого бізнесу навантаження стрибкоподібні, тож у системи залишається купа часу на «прибирання сміття». Журналісти справедливо помітили, що всі люди різні, і ви, наприклад, можете цілодобово туди-сюди ганяти відео в 4K або 8K, створюючи величезне навантаження на дисковий масив. 

Так чим поганий SMR?

Як ми вже говорили, за своїм принципом роботи SMR-накопичувачі з буфером схожі на SSD: вся пам'ять досить повільна, але її частина використовується для швидкої буферизації записів як псевдо-SLC-кеш. І ось включаєте ви який-небудь CrystalDiskMark і бачите абсолютно звичайні для цього диска цифри. Сюрпризи починаються тоді, коли об'єм записаних даних перевищує розмір області CMR. Або що ще гірше — заповнюється весь диск і накопичувачу доводиться оперативно «утрамбовувати інформацію». У такому випадку SMR де-факто перетворюється на вузьке пляшкове горлечко RAID-масиву. 

Приміром, при використанні масиву RAID 5 з контрольними сумами, при записі великого об'єму даних на зразок створення резервної копії, швидкість системи з часом різко впаде. Часом навіть на один-два порядки. Як писав один користувач Reddit, час перестроювання масивів SHR 1 і RAID 5 зайняло у нього близько 4 діб. В коментарях деякі писали, що це квіточки, як тобі 8 діб на бекап, Ілон Маск? А у деяких користувачів перестроювання і зовсім не виходило, адже в кінці операції виникала помилка, а новий диск просто виключався з масиву як несправний. 

Також у SMR менш стійка продуктивність запису, ніж у звичайного CMR HDD. А це потенційні проблеми при ресильвері (прим: процес ресинхронізації та відновлення вмісту пошкодженого пристрою з використанням даних з уцілілих пристроїв) або інших подібних операціях з інтенсивним записом. І на цьому моменті багато хто поставить собі справедливе питання, а кому взагалі потрібен повільний і ненадійний RAID-масив? Кім Кардаш'ян — найпопулярніша жінка у світі, тисячі людей вірять в плоску землю, а все більше людей переконані, що біологічна стать — це соціальний конструкт. Хіба у людства мало проблем, а Western Digital? 

Які HDD використовують черепичний запис?


За підсумками скандалу WD здалася і викотила список HDD з SMR. До нього увійшли по 2 моделі з лінійки Blue, 4 вінчестери Red і один Black. Щоб не плутатися в назвах і роках виробництва, радимо звертати уваги на артикули. 


На відміну від WD, Seagate ніколи не приховувала, що давно використовує SMR в ноутбучних HDD і архівних Archive. Також Seagate ніколи не використовувала черепичний запис в лінійках IronWolf для NAS, і взагалі не рекомендує використовувати такі варіанти під час роботи зі сховищами. Втім, виїхати на білому коні у них не вийшло, про черепичний запис у деяких десктопних вінчестерах Barracuda все ж мало хто знав. 

Природно, після цього трясти почали буквально кожного виробника жорстких дисків. Хтось вважав за краще відмовчатися, хтось пішов з повинною як Toshiba, але загалом здавати жетон і пістолет ніхто не поспішав. У результаті силами умільців в мережі зібрався досить значний список популярних жорстких дисків, що використовують черепичний запис. 


Чи справді SMR зло і як його розпізнати?

Очевидно, що список дисків з SMR з часом буде поповнюватися, а черепичний запис через свою дешевизну має великі шанси закріпитися на ринку. Проблеми з ними насамперед стосуються NAS-систем і RAID-масивів. Якщо ж мова йде про побутові комп'ютери, яким не потрібно постійно виконувати складні операції читання і запису, то ви можете навіть не помітити, що використовуєте такий накопичувач. Особливо, якщо його вдалося урвати за вигідною ціною, а сам він використовується виключно як додаток до основного SSD. 

Проте сценарій «встановив і забув» підійде не багатьом. В цьому разі виникає питання, як розпізнати SMR, якщо виробник мовчить? Тим більше, що жорсткі диски SMR через особливості архітектури можуть поводитися по різному, ускладнюючи розслідування. 

По-перше, можна використовувати фільтр SMR у нас на E-katalog. По-друге, скористатися тією самою базою даних (на скріні зверху). Якщо ви вже купили підозрілий накопичувач, то простіше за все буде прогнати його через умовний CrystalDiskMark і подивитися на просідання швидкості. Якщо графік схожий на пилку, то з великою ймовірністю це наш клієнт.

Якщо диск ще не куплений, то радимо дивитися на розмір буфера запису. Чим він більший — тим вище ймовірність, що тут використовується черепичний запис. Друга ознака — об'єм самого диска. Поки що «черепицю» немає особливого сенсу використовувати в невеликих моделях на 1 ТБ і нижче. Логічніше застосовувати SMR в містких моделях від 4 і вище ГБ. 

Втім, у списку вище ви можете побачити моделі від WD, Seagate і Toshiba на 1 – 2 ТБ з SMR. Їх небагато, але вони є. Тому третє класичне правило — завжди шукайте інформацію у свіжих оглядах. Судячи з усього, офіційні сайти на цей раз не помічники.