La grabación magnética escalonada ( SMR ) es una tecnología de grabación de datos de almacenamiento magnético que se utiliza en unidades de disco duro (HDD) para aumentar la densidad de almacenamiento y la capacidad general de almacenamiento por unidad. [1] Las unidades de disco duro convencionales registran datos escribiendo pistas magnéticas no superpuestas paralelas entre sí ( grabación magnética perpendicular , PMR), mientras que la grabación escalonada escribe nuevas pistas que se superponen a parte de la pista magnética previamente escrita, dejando la pista anterior más estrecha y lo que permite una mayor densidad de pistas. Por lo tanto, las pistas se superponen parcialmente de manera similar a las tejas del techo.. Se eligió este enfoque porque, debido a limitaciones físicas, los cabezales magnéticos de grabación son más anchos que los cabezales de lectura. [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, asemejándose a bloques flash en unidades de estado sólido . Los dispositivos SMR gestionados por dispositivos ocultan esta complejidad gestionándola 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 sigs. [6] Si bien las unidades SMR pueden usar memorias caché DRAM y Flash para mejorar el rendimiento de escritura, la escritura continua de una gran cantidad de datos es más lenta que con las unidades PMR. [7] [8] [9]
Historia
Seagate comenzó a enviar discos duros SMR administrados por dispositivos en septiembre de 2013, lo que indica un aumento en la capacidad general de aproximadamente un 25% en comparación con el almacenamiento sin tejas. [1] En septiembre de 2014, HGST anunció una unidad de 10 TB llena de helio que utiliza grabación magnética con tejas gestionada por el host, [10] aunque en diciembre de 2015 siguió con una unidad de 10 TB llena de helio que utiliza perpendicular convencional sin tejas. grabación. [11] En noviembre de 2018, HGST introdujo unidades de 14 TB y 15 TB. [12]
Western Digital , Toshiba y Seagate han vendido unidades SMR sin etiquetarlas como tales, generando una gran controversia, ya que las unidades SMR se comportan mucho más lentamente en algunas circunstancias (como escrituras aleatorias) que las unidades PMR . [13] Algunos incluso han afirmado que estos pueden causar pérdida de datos. [14] Estas prácticas de etiquetado incorrecto se utilizaron en unidades de disco duro de almacenamiento de datos dedicadas y centradas en el consumidor para servidores, NAS, RAID y almacenamiento en frío.
Gestión de datos
Hay tres formas diferentes de administrar los datos en una unidad SMR: administrada por dispositivo, administrada por host y con reconocimiento de host. [15] [16]
Gestionado por dispositivo
Una unidad administrada por dispositivo o por unidad le aparece al host de manera idéntica a una unidad sin tejas. No es necesario que el anfitrión siga ningún protocolo especial. Todo el manejo de los datos, en lo que se refiere a la naturaleza dividida del almacenamiento, es administrado por el dispositivo. Las escrituras secuenciales son más eficientes. Además, el anfitrión no sabe que el almacenamiento está dividido en tejas. [5]
El controlador de disco en una unidad administrada por dispositivo maneja internamente cualquier reescritura requerida por las características especiales de una unidad shingled, similar a la forma en que un controlador de memoria flash maneja internamente la reescritura requerida por las características especiales de los medios flash.
Hasta hace poco, [ ¿cuándo? ] este tipo de unidad SMR a menudo no estaba etiquetada por el fabricante. Su operación de capa de traducción de tejas controlada por firmware se puede comparar con las unidades de estado sólido , ya que las direcciones LBA no se correlacionan mucho [ vagamente ] con la estructura en disco. Las zonas de solo adición son muy lentas para la escritura aleatoria, por lo que las escrituras se envían primero a una caché de PMR y el disco mueve estos datos a las partes de SMR cuando está inactivo. La recuperación de RAID tiende a sobrecargar la caché, [ ¿por qué? ] enviando unidades SMR a pausas de minutos. [ cita requerida ] El firmware defectuoso (como WD40EFAX) también puede generar un error cuando se le pide que lea una dirección en la que nunca se escribió. [ cita requerida ] Ambos comportamientos tienden a ser interpretados como falla de la unidad por el controlador RAID. [17]
La naturaleza dividida en zonas de SMR también significa que el disco sufre de amplificación de escritura cuando se recolecta basura , [18] aunque para los discos duros el principal problema con las escrituras es la velocidad en lugar de la longevidad. Algunos discos duros SMR admiten TRIM por este motivo. [19]
Gestionado por host
Un dispositivo administrado por el host requiere el cumplimiento estricto de un protocolo especial por parte del host. Dado que el host gestiona la naturaleza dividida del almacenamiento, es necesario escribir secuencialmente para no destruir los datos existentes. La unidad se negará a ejecutar comandos que violen este protocolo. [5]
Anfitrión consciente
El reconocimiento de host es una combinación de administrado por unidad y administrado por host. La unidad es capaz de administrar la naturaleza del almacenamiento y ejecutará cualquier comando que le dé el host, independientemente de si es secuencial o no. Sin embargo, el anfitrión es consciente de que la unidad tiene tejas y puede consultar la unidad para conocer los niveles de llenado. Esto permite que el host optimice las escrituras para la naturaleza de tejas, al mismo tiempo que permite que la unidad sea flexible y compatible con versiones anteriores. [5]
Protocolo
Dispositivos SMR se consideran zonificadas dispositivos, ya que el almacenamiento está dividida en zonas de generalmente 256 tamaño MiB. [20] Dos conjuntos de comandos especializados, ZBC (Comandos de bloque por zonas, ANSI INCITS 536) para SCSI y ZAC (Comandos ATA por zonas, ANSI INCITS 537) para SATA están disponibles para dispositivos SMR. Le informan al anfitrión si cada zona es PMR o SMR y les permite abordar estas zonas directamente. [21] A menos que se mencione específicamente, los comandos solo están disponibles en dispositivos administrados o con reconocimiento de host. Los comandos específicos son: [22]
- REPORT ZONES, 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)
- SMR o zonas similares son secuenciales requeridas en unidades administradas por host, pero se prefieren secuenciales en las que reconocen host.
- RESET WRITE POINTER, para rebobinar el puntero de escritura para que una zona secuencial quede vacía
- OPEN ZONE, para declarar explícitamente el acceso a una zona y bloquear los recursos de firmware asociados
- CLOSE ZONE, para desbloquear una zona abierta
- FINALIZAR ZONA, llene una zona por completo y hágala legible
Cada zona tiene un rango de direcciones LBA asociadas, y todos los comandos basados en LBA se pueden usar siempre que se sigan los requisitos secuenciales en las unidades administradas por el host.
Los dispositivos SMR se identifican a sí mismos según lo siguiente: [23] [24] [5] : 14
- Las unidades gestionadas por dispositivos o con reconocimiento de host se marcan como dispositivos de bloque normales ( SCSI 00h), por lo que pueden reconocerse como una unidad de disco duro normal.
- Un campo ZONED muestra si la unidad está administrada por el dispositivo, es compatible con el host o ninguna de las dos. Esto se encuentra en la página VPD de características de dispositivos de bloque SCSI y en la página de registro de capacidades ATA.
- Las unidades administradas por host utilizan un nuevo tipo de dispositivo (SCSI 14h). Solo las computadoras compatibles con ZAC / ZBC pueden detectarlos y usarlos.
Se está desarrollando una versión más reciente de los estándares hermanos, ZAC-2 / ZBC-2. La nueva versión introduce un nuevo tipo de "dispositivos de bloques zonificados de dominios y reinos" que permiten LBA no contiguos. [25] El campo ZONED se ha retirado a raíz de una propuesta de Western Digital . [26]
La interfaz por zonas también es útil para el almacenamiento flash . La organización NVM Express está considerando una versión . [27]
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 adecuados para almacenar datos que es poco probable que se modifiquen, pero deben leerse desde cualquier punto de manera eficiente. Un ejemplo del caso de uso es Dropbox 's magia de almacenamiento del sistema, que funciona en disco las extensiones de una manera sólo de adición. [28] Los discos SMR gestionados por dispositivos también se han comercializado como "HDD de archivo" debido a esta propiedad. [29]
Varios sistemas de archivos en Linux están o pueden ajustarse para unidades SMR: [30]
- F2FS , originalmente diseñado para medios flash, tiene un modo de dispositivo de bloque por zonas (ZBD). Se puede usar en unidades administradas por host con zonas convencionales para metadatos.
- La compatibilidad con Btrfs ZBD está en progreso, pero ya escribe principalmente de forma secuencial debido a la naturaleza de CoW.
- ext4 se puede ajustar experimentalmente 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 hace uso de los comandos ZBC / ZAC. [31]
- Para otros sistemas de archivos, el mapeador de dispositivos de Linux tiene un destino de zona dm que mapea una unidad administrada por el host en una unidad de escritura aleatoria. El kernel de Linux desde 4.10 puede realizar esta tarea sin dm . [32] Un zonefs de 2019 expone las zonas como archivos para facilitar el acceso. [33]
Además de Linux, FreeBSD también tiene soporte a nivel de protocolo para unidades SMR administradas por host. [20] [34] A partir de abril de 2020[actualizar], ni Windows ni macOS admiten los comandos ZBC / ZAC necesarios para que funcionen dichas unidades.
SMR híbrido dinámico
Mientras que para los modelos SMR tradicionales a cada zona se le asigna un tipo en el momento de la fabricación, los accionamientos SMR híbridos dinámicos permiten reconfigurar el tipo de zona de tejas a convencional y viceversa por parte del cliente. [35] [36] El ajuste de la configuración SMR / PMR ayuda a adaptar la unidad a la carga de trabajo actual de datos "calientes" y "fríos". [18]
Ver también
- Grabación magnética asistida por calor (HAMR)
- Medios estampados
- Grabación magnética bidimensional
- Sistema de archivos estructurado por registros , un tipo de sistema de archivos optimizado para medios de solo adición
Referencias
- ↑ a b Anand Lal Shimpi (9 de septiembre de 2013). "Seagate enviará HDD de 5TB en 2014 usando grabación magnética Shingled" . AnandTech . Consultado el 9 de febrero de 2015 .
- ^ Roger Wood (19 de octubre de 2010). "Grabación magnética en tejas y grabación magnética bidimensional" (PDF) . ewh.ieee.org . Consultado el 14 de diciembre de 2014 .
- ^ "¿Qué es la grabación magnética con tejas (SMR)?" . storagereview.com . 30 de enero de 2015 . Consultado el 9 de febrero de 2015 .
- ^ K. Shimomura, "HDD de gran capacidad que aplican tecnología SMR para centros de datos", Toshiba Technology Review, vol. 24, núm. 6., págs. 12-16, noviembre de 2019
- ^ a b c d e f Mary Dunn; Timothy Feldman (22 de septiembre de 2014). "Grabación magnética con tejas: modelos, estandarización y aplicaciones" (PDF) . Asociación de la industria de redes de almacenamiento . Consultado el 9 de febrero de 2015 .
- ^ Jake Edge (26 de marzo de 2014). "Soporte para dispositivos de grabación magnética con tejas" . LWN.net . Consultado el 14 de diciembre de 2014 .
- ^ Shilov, Anton. "La evolución de los discos duros en un futuro próximo: hablando con el director de tecnología de Seagate, Mark Re" . www.anandtech.com . Consultado el 30 de mayo de 2020 .
- ^ Salter, Jim (17 de abril de 2020). "Comprador, tenga cuidado, esa unidad" NAS "de 2TB-6TB que ha estado mirando podría ser SMR" . Ars Technica . Consultado el 30 de mayo de 2020 .
- ^ Alcorn, Paul. "Redux de marketing furtivo: Toshiba, Seagate envía unidades SMR más lentas sin divulgación, también" . Hardware de Tom . Consultado el 17 de abril de 2020 .
- ^ Geoff Gasior (9 de septiembre de 2014). "Los platos con tejas respiran helio dentro del disco duro de 10 TB de HGST" . El informe técnico . Consultado el 9 de febrero de 2015 .
- ^ Sebastian Anthony (3 de diciembre de 2015). "HGST lanza disco duro de 10 TB lleno de helio; Seagate juega con los dedos llenos de tejas" . Ars Technica . Consultado el 3 de diciembre de 2015 .
- ^ "Discos duros SMR de 15TB y 14TB Ultrastar DC HC620" . www.hgst.com . Consultado el 30 de octubre de 2018 .
- ^ Salter, Jim. "Redux de marketing furtivo: Toshiba, Seagate envía unidades SMR más lentas sin divulgación, también" . Ars Technica . Consultado el 17 de junio de 2020 .
- ^ Blog de FreeNAS en Red vs Red Plus
- ^ "Comandos de bloques por zonas (ZBC)" (PDF) . t10.org . Comité ANSI T10 . Consultado el 22 de enero de 2018 .
- ^ Campello, Jorge (24 de septiembre de 2015). "SMR: la próxima generación de tecnología de almacenamiento" (PDF) . Consultado el 22 de enero de 2018 .
- ^ Mellor, Chris (15 de abril de 2020). "Los discos duros shingled tienen zonas no shingled para almacenar escrituras en caché" . Bloques y archivos .
- ^ a b Brewer, Eric; Ying, Lawrence; Greenfield, Lawrence; Cypher, Robert; T'so, Theodore (2016). "Discos para centros de datos" . Actas de USENIX FAST 2016 .
- ^ "Soporte de comando TRIM para unidades externas WD" . Soporte WD .
- ^ a b - Manual del administrador del sistema FreeBSD
- ^ "SMR (Grabación magnética con tejas) 101" . Tom's IT Pro. Archivado desde el original el 11 de junio de 2017 . Consultado el 3 de marzo de 2018 .
- ^ "Introducción a la grabación magnética de tejas" . ZonedStorage.io .
- ^ "Tecnología de la información - Conjunto de comandos ATA - 4 (ACS-4), Borrador de revisión 18" (PDF) .
- ^ Seagate. "Manual de referencia de comandos SCSI, Rev. J" (PDF) . pag. 472.
- ^ T10, 2020.
- ^ Weber, Ralph O (23 de abril de 2020). "SBC-5, ZBC-2: Obsoleto el campo ZONED" (PDF) . www.t10.org .
- ^ "Espacio de nombres NVMe por zonas" . ZonedStorage.io .
- ^ Equipos de ingeniería de hardware de Magic Pocket. "Ampliación de la innovación de Magic Pocket con la primera implementación de unidad SMR a escala de petabytes" . dropbox.tech .
- ^ "Archivar HDD" (PDF) . Seagate . Consultado el 3 de marzo de 2018 .
- ^ "Sistemas de archivos" . ZonedStorage.io .
- ^ "Seagate / SMR_FS-EXT4: una adición al popular EXT4 para permitir la compatibilidad con dispositivos que utilizan los estándares ZBC o ZAC" . Tecnología Seagate. 10 de diciembre de 2019.
- ^ "Mapeador de dispositivos" . ZonedStorage.io .
- ^ Le Moal, Damien. "fs: nuevo sistema de archivos zonefs" . lwn.net .
- ^ Merry, Kenneth (19 de mayo de 2015). "FreeBSD Revisión 300207: Agregar soporte para administrar unidades de grabación magnética Shingled (SMR)" .
- ^ Collins, Brendan (13 de noviembre de 2017). "SMR híbrido dinámico" . Western Digital . Consultado el 25 de agosto de 2018 .
- ^ "Dynamic Hybrid-SMR: una propuesta de OCP para mejorar las unidades de disco del centro de datos" . blog.google . 13 de noviembre de 2017 . Consultado el 22 de enero de 2018 .
enlaces externos
- LSFMM: Una actualización de tecnología de almacenamiento , LWN.net , 23 de abril de 2013, por Jonathan Corbet
- Impacto de SMR en el subsistema de almacenamiento Linux , HGST, 2014, por Jorge Campello y Adam Manzanares
- Optimización de diseño para usar XFS en unidades SMR administradas por host , marzo de 2015
- SMR en sistemas Linux , Seagate, 18 de marzo de 2015, por Adrian Palmer
- Host-Aware SMR , Seagate, 10 de noviembre de 2014, por Timothy Feldman
- Abordar las unidades de grabación magnética Shingled con el sistema de archivos de cinta lineal , SNIA SDC 2013, por Albert Chen y Jim Malina
- SMR gestionado por el anfitrión , SNIA SDC 2015, por Albert Chen, Jim Malina y TK Kato
Especificaciones
- ZAC / ZBC versión 1 (publicada en 2016)
- T10, Tecnología de la información - Comandos de bloques por zonas (ZBC) , 2014, Borrador de revisión 1
- T13, Tecnología de la información - Conjunto de comandos ATA de dispositivo zonificado (ZAC) , Borrador de revisión 5, 2015
- ZAC / ZBC versión 2 (en desarrollo a partir de 2020)
- T10, Tecnología de la información - Comandos de bloques por zonas - 2 (ZBC-2) , 2020, Borrador de revisión 04a
- T13, ZAC-2, PDF no disponible