Dwa dyski twarde mogą leżeć obok siebie na liście cenowej z identyczną pojemnością, tą samą prędkością obrotową i prawie identycznymi specyfikacjami interfejsu, a jednak zachowywać się zupełnie inaczej pod obciążeniem. Powód zwykle kryje się poziom głębiej niż arkusz specyfikacji: technologia zapisu magnetycznego używana na talerzach. Zrozumienie różnicy między konwencjonalnym zapisem magnetycznym (CMR) a zapisem dachówkowym (SMR) stało się niezbędną wiedzą dla każdego, kto specyfikuje pamięć masową dla stacji roboczych, serwerów lub pamięci dołączonej do sieci. Jest to jedno z pierwszych pytań, które zespoły zaopatrzenia w DistriNode są szkolone zadawać dostawcom.

Jak działa konwencjonalny zapis magnetyczny

W dysku CMR każda ścieżka danych jest zapisywana jako osobny, nie nakładający się pas na powierzchni talerza. Element zapisujący głowicy ma tę samą szerokość co tworzona przez niego ścieżka, więc każda ścieżka ma swoją dedykowaną przestrzeń fizyczną. Gdy system operacyjny musi zmienić pojedynczy sektor, głowica po prostu przelatuje do tego miejsca i przepisuje go w miejscu. Sąsiednie ścieżki nie są nigdy naruszane.

Ta możliwość przepisywania w miejscu to właściwość, która sprawia, że wydajność CMR jest tak przewidywalna. Niezależnie od tego, czy dysk jest pusty, czy wypełniony w 90%, czy obciążenie jest sekwencyjne, czy losowe, przepustowość zapisu utrzymuje się w wąskim, dobrze znanym paśmie. Ta spójność sprawia, że CMR pozostaje domyślnym wyborem dla macierzy RAID, woluminów baz danych, rejestratorów monitoringu i wszelkich systemów, w których skoki opóźnień zapisu są niedopuszczalne.

Co zmienia się w zapisie dachówkowym

SMR został opracowany, aby wycisnąć więcej pojemności z tego samego talerza. Ścieżki są celowo nakładane, a każda nowa ścieżka częściowo pokrywa tę zapisaną przed nią, co pozwala, aby czytelna część każdej ścieżki była węższa niż sama głowica zapisująca. Gęstość powierzchniowa wzrasta o około 10 do 20 procent przy zerowym koszcie produkcji, dlatego SMR dominuje w budżetowym segmencie rynku.

Kompromis jest fundamentalny: ponieważ ścieżki nachodzą na siebie, dysk nie może już modyfikować sektora w miejscu. Zmiana nawet kilku kilobajtów w strefie dachówkowej wymusza na dysku odczytanie całego pasma nakładających się ścieżek, zastosowanie zmiany w pamięci i przepisanie całego pasma sekwencyjnie. Logiczna aktualizacja 4 KB może wywołać setki megabajtów ruchu wewnętrznego.

Pamięć podręczna multimediów: dlaczego krótkie testy porównawcze wprowadzają w błąd

Konsumenckie dyski SMR są prawie zawsze zarządzane przez dysk, co oznacza, że oprogramowanie układowe ukrywa układ dachówkowy przed hostem. Przychodzące zapisy najpierw trafiają do trwałego obszaru tymczasowego zapisanego w konwencjonalnym, nie nakładającym się formacie. Dopóki ta pamięć podręczna ma wolne miejsce, dysk działa jak każdy inny, a szybki test porównawczy lub małe kopiowanie plików pokaże całkowicie normalne liczby.

Problem pojawia się, gdy pamięć podręczna się zapełnia. Oprogramowanie układowe musi składać dane z tymczasowego obszaru do stref dachówkowych, podczas gdy nowe zapisy wciąż napływają, a przepustowość może spaść z 180 MB/s do wartości między 10 a 40 MB/s, czasami całkowicie zatrzymując się na kilka sekund. Dysk nie jest uszkodzony; robi dokładnie to, czego wymaga jego architektura.

Zachowanie wydajnościowe pod rzeczywistymi obciążeniami

  • Lekkie zadania na pulpicie: przeglądanie stron, dokumenty biurowe i odtwarzanie multimediów rzadko obciążają pamięć podręczną, więc dysk SMR w codziennym użytkowaniu jest nieodróżnialny od CMR.
  • Duże sekwencyjne wczytywanie: kopiowanie wieloterabajtowego zestawu kopii zapasowych wyczerpie pamięć podręczną w połowie, a szybkość transferu gwałtownie spada na pozostałą część zadania.
  • Ciągłe losowe zapisy: to najgorszy przypadek dla nośników dachówkowych, ponieważ każda rozproszona aktualizacja mnoży się na przepisania całych pasm; opóźnienia stają się nieregularne, a głębokość kolejek rośnie.
  • Zależność od czasu bezczynności: dyski SMR zarządzane przez dysk polegają na okresach ciszy, aby wyczyścić swoją pamięć podręczną w tle, więc systemy, które zapisują przez całą dobę, nigdy nie dają oprogramowaniu układowemu szansy na regenerację.

Dlaczego odbudowa RAID ujawnia słabość

Odbudowa macierzy to najbardziej obciążające zadanie, z jakim może się zmierzyć dysk twardy: ciągły, trwający wiele dni strumień zapisów pokrywający całą powierzchnię. Na nośnikach dachówkowych pamięć podręczna nasyca się w ciągu kilku minut, przepustowość spada do ułamka nominalnej szybkości, a opóźnienia poleceń mogą przekroczyć progi limitów czasu używane przez kontrolery sprzętowe i programowe warstwy RAID. Niektóre kontrolery reagują oznaczeniem dysku jako uszkodzonego, zamieniając rutynową odbudowę w awarię zdegradowanej macierzy.

Użytkownicy ZFS udokumentowali operacje odświeżania na dyskach dachówkowych trwające tydzień lub dłużej, podczas gdy konwencjonalny dysk kończył ją w ciągu nocy. Przez cały ten czas pula działa ze zmniejszoną nadmiarowością, co jest właśnie momentem, gdy druga awaria wyrządza największe szkody.

Argument finansowy jest prosty: pieniądze zaoszczędzone na dysku dachówkowym rzadko są warte dodatkowych pięciu dni zdegradowanej nadmiarowości podczas odbudowy.

W przypadku każdej obudowy z wieloma kieszeniami należy określić dyski, które są wyraźnie zweryfikowane do pracy w macierzy. Starannie wyselekcjonowany wybór jest dostępny w kategorii dyski twarde NAS, gdzie technologia zapisu jest podstawowym kryterium wyboru.

Gdzie SMR wciąż ma sens komercyjny

  • Archiwa zimne: dane zapisane raz i odczytywane okazjonalnie nigdy nie powodują kar za przepisywanie pasm po początkowym załadowaniu.
  • Docelowe kopie zapasowe drugiego poziomu: jeśli okno kopii zapasowej jest duże, a zadania sekwencyjne, niższy koszt na terabajt jest atrakcyjny.
  • Biblioteki multimediów: kolekcja filmów lub zdjęć to obciążenie zdominowane przez odczyty, co gra w siłę SMR.
  • Hiperskalowe przechowywanie obiektów: SMR zarządzany przez hosta, gdzie system operacyjny kontroluje bezpośrednio rozmieszczenie stref, zapewnia doskonałą ekonomię w centrach danych zbudowanych wokół urządzeń blokowych strefowanych.

Jak zweryfikować technologię przed zakupem

Po sporych kontrowersjach w branży w 2020 roku, wszyscy trzej pozostali producenci dysków twardych publikują teraz tabele technologii zapisu obejmujące ich linie produktów. Zawsze sprawdzaj dokładny numer modelu, a nie nazwę rodziny produktów, ponieważ jedna rodzina często miesza obie technologie w różnych pojemnościach, a wariant 4 TB może być dachówkowy, podczas gdy wersja 8 TB jest konwencjonalna.

Karty katalogowe dają drugą wskazówkę: modele dachówkowe często wykazują niezwykle duże wartości pamięci podręcznej (256 MB w innym przypadku budżetowego dysku) i niższe specyfikacje ciągłego transferu. W przypadku standardowych stacji roboczych, gdzie dysk przechowuje system operacyjny, aplikacje i pliki robocze, modele wymienione w sekcji dyski twarde do komputerów stacjonarnych można w ciągu kilku minut przefiltrować według list CMR producenta.

Często zadawane pytania

Czy SMR wpływa również na wydajność odczytu?

W większości nie. Gdy dane są już zapisane, odczyt odbywa się z pełną prędkością talerza niezależnie od technologii zapisu. Wyjątkiem są odczyty wykonywane, gdy dysk jest zajęty składaniem swojej pamięci podręcznej w strefy dachówkowe, gdy wewnętrzne porządkowanie konkuruje z żądaniami hosta, a czasy odpowiedzi rosną.

Czy można mieszać dyski CMR i SMR w jednej macierzy?

Technicznie macierz się złoży, ale jest to zła praktyka. Macierz dziedziczy profil opóźnień swojego najwolniejszego członka, a każda odbudowa lub skanowanie będzie ograniczane przez dysk dachówkowy. Mieszane macierze utrudniają również diagnozowanie awarii, ponieważ objawy wolnej odpowiedzi naśladują umierający dysk.

Czy dyski półprzewodnikowe używają zapisu dachówkowego?

Nie. Zapis dachówkowy jest specyficzny dla nakładających się ścieżek magnetycznych na wirujących talerzach. Dyski SSD mają własne asymetryczne zachowanie zapisu spowodowane blokami kasowania flash, które jest zarządzane przez TRIM i odśmiecania, ale mechanizm jest zupełnie inny.

Czy obsługa TRIM na dysku SMR jest całkowitym rozwiązaniem?

Pomaga, ale nie jest lekarstwem. TRIM informuje oprogramowanie układowe, które bloki nie zawierają już ważnych danych, zmniejszając niepotrzebne przepisywanie pasm podczas czyszczenia. Podstawowe zachowanie odczyt-modyfikacja-zapis nakładających się ścieżek pozostaje, a załamanie ciągłego zapisu nadal występuje, gdy obszar tymczasowy jest wyczerpany.

Która technologia nadaje się do rejestratorów monitoringu wideo?

Konwencjonalny zapis, bez wahania. Rejestrator NVR zapisuje w sposób ciągły z wielu strumieni kamer i nigdy nie pozostaje bezczynny wystarczająco długo, aby dysk dachówkowy mógł wyczyścić swoją pamięć podręczną. Specjalistyczne dyski do monitoringu są konwencjonalne właśnie z tego powodu.

Kluczowe wnioski

Technologia zapisu nie jest przypisem; definiuje, jak dysk twardy zachowuje się pod presją. Wybierz konwencjonalny zapis do macierzy, monitoringu, wirtualizacji i wszelkich zastosowań intensywnie zapisujących. Zarezerwuj dyski dachówkowe do archiwów i bibliotek z przewagą odczytu, gdzie ich przewaga kosztowa jest realna, a słabości pozostają uśpione. Przede wszystkim zweryfikuj dokładny numer modelu z dokumentacją producenta przed wysłaniem zamówienia, ponieważ podstawowe dane techniczne cię nie ostrzegą.