как узнать smr диск или нет
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.
Жесткие диски SMR с «черепичной» магнитной записью — за и против
Содержание
Содержание
С каждым днем становится все больше жестких дисков, использующих технологию записи данных SMR. Однако многочи сленные тесты показывают невысокую скорость случайной записи и не вызывают особого энтузиазма у пользователей. Многие предпочитают приобретать диски с традиционной технологией записи PMR/CMR, а другие вовсе отказываются от использования HDD в пользу SSD. Давайте разберемся, жесткий диск с SMR для домашнего ПК — это зло, или же его «просто не умеют готовить».
Что такое «черепичная» магнитная запись?
Shingled Magnetic Recording — «черепичная» магнитная запись. В жестких дисках с перпендикулярной магнитной записью (CMR) треки записываются на пластину параллельно, не пересекаясь с другими. А в жестких дисках с «черепичной» магнитной записью (SMR) каждый последующий трек при записи частично накладывается на предыдущий, как черепица на крыше. Однако такой подход имеет один весьма существенный недостаток. При перезаписи данных даже в одном-единственном треке необходимо перезаписать трек по соседству с ним, затем соседний с тем треком… и так далее по цепочке. В конечном итоге, нам придется перезаписать всю пластину, и все это ради изменившихся данных в единственном треке.
Чтобы этого избежать, треки группируют в так называемые ленты небольшого размера, поэтому при изменении данных будут перезаписаны только треки, относящиеся к одной или нескольким лентам, а не весь диск целиком. Производители не разглашают фактический размер лент, но очевидно, что он должен быть таким, чтобы одна или несколько лент могли целиком уместиться в кэш жесткого диска. А кэш у дисков с SMR довольно внушительный: типичный размер — 256 Мб и больше. Кстати говоря, именно большой размер кэша HDD является одним из косвенных признаков того, что перед вами диск с «черепичной» записью.
Но один лишь дисковый кэш не поможет, если данные будут литься непрерывным потоком. Здесь в игру вступает медиа-кэш: данные из дискового кэша поступают в медиа-кэш, а затем контроллер диска распределяет эти данные по нужным лентам. Физически медиа-кэш представляет собой одну или несколько выделенных областей на жестком диске, использующих традиционную перпендикулярную запись. Эти области имеют размер в десятки гигабайт и располагаются в самом начале диска (за пределами LBA-пространства), либо равномерно распределены по всей поверхности.
Управление данными при записи на диск с SMR может осуществляться как хостом (системой), так и самим устройством. В зависимости от реализации, диски с SMR обычно делят на три типа:
Впрочем, для рядового пользователя шансы столкнуться с последними двумя типами ничтожно малы, так как подавляющее большинство всех выпускаемых дисков с SMR — это DMSMR диски.
Плюсы и минусы SMR
Как и у любой технологии, у «черепичной» магнитной записи и дисков на ее основе есть свои плюсы и минусы.
Плюсы:
Минусы:
Сравнительные тесты производительности SMR vs. CMR
Неужели технология SMR выглядит привлекательно лишь в теории, но не на практике? Чтобы выяснить это, проанализируем результаты тестов накопителей с SMR и CMR в популярных бенчмарках и специальных испытаниях. В качестве подопытных были выбраны два четырехтерабайтника серии Red от Western Digital — SMR-диск (WD40EFAX) и вариант c CMR (WD40EFRX). Для большей наглядности добавим к сравнению еще один диск на 4 Тб с CMR — Seagate Ironwolf ST4000VN008. Все диски изначально пусты.
Наш испытуемый с SMR демонстрирует неплохие показатели в программах HD Tune Pro и PCMark 8. Эти результаты достигаются не только за счет более вместительного кэша, но и благодаря последовательному характеру нагрузок, используемому в данных бенчмарках — последовательные чтение/запись оптимальны для дисков с SMR.
Следующее испытание представляет более реалистичный сценарий использования. Диски заполняются на 3/4, а затем удаляется 1 Тб данных. Сразу после этого копируются файлы общим объемом 125 Гб, и далее незамедлительный прогон теста чтения/записи в CrystalDiskMark 7, чтобы не дать дискам успеть «прийти в себя».
Здесь SMR-диск уже не так хорош, как его CMR-собратья. Причина проста: контроллер диска отчаянно ищет свободное место в заполненном медиа-кэше для вновь поступающих данных, при этом пытаясь разбросать по лентам те данные, что там уже имеются. Ситуацию усугубляет еще и тот факт, что в дисках с «черепичной» магнитной записью расположение логических секторов может не соответствовать их физическому расположению (используется дополнительный слой трансляции адресов). В результате — падение производительности почти в полтора раза даже на такой средней нагрузке.
Финальное испытание — восстановление «упавшего» RAIDZ-массива из четырех CMR-дисков. Для этого из набора извлекается диск и заменяется на один из тестируемых образцов, после чего запускается процесс восстановления. Перед началом испытания массив был заполнен примерно на 60 %, а контроль его целостности отключен.
Пересборка RAIDZ отправила WD40EFAX в настоящий нокдаун. Время выполнения процесса восстановления с этим диском просто обескураживает — тот же WD40EFRX справился в 15,5 раз быстрее. Тем не менее, сам процесс завершился без единой ошибки, поскольку RAIDZ — это программный массив дисков, и тестируемый диск был полностью исправен. А если бы это был массив уровня RAID 5/6 с аппаратным контроллером, в случае длительной задержки ответа со стороны SMR-диска, контроллер вполне мог посчитать такой диск неисправным и исключить его из пула, что привело бы к деградации RAID.
Как показали результаты тестов, применение дисков с технологией записи SMR в высоконагруженных сценариях может удивить крайне неприятным образом и потому нецелесообразно. С точки же зрения сегмента домашних ПК (которым, скажем прямо, RAID-массивы не особо и нужны), использование SMR-дисков в слабонагруженных сценариях приветствуется, а при средней нагрузке — терпимо (не каждый «домашний» пользователь будет каждый день гонять туда-сюда терабайты данных).
Практические советы — готовим SMR правильно!
Как мы уже выяснили, для дисков с «черепичной» магнитной записью наиболее оптимальными являются последовательные чтение и запись, а идеальный режим доступа отвечает концепции WORM (Write Once, Read Many) — «один раз записал, много раз считал». Исходя из этого, дадим несколько полезных советов, которые могут помочь сделать работу с SMR-дисками максимально комфортной.
Производители жестких дисков все еще продолжают экспериментировать с перспективными технологиями записи, и SMR на данный момент является единственной альтернативой традиционной CMR. Несмотря на некоторые присущие технологии SMR недостатки, устройства на ее основе можно смело назвать хорошим выбором для пользователей, которые хотят заполучить терабайты хранения для своих данных за умеренную цену. Так или иначе, выбор остается за покупателем.
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.