Šindelové disky a SMR zápis – poněkud komplikovaná cesta k vyšším kapacitám úložišť

2. 8. 2017 08:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

Stále větší, stále rychlejší, stále levnější – taková úložiště bychom chtěli všichni. Aktuálně se trh s úložišti rozdělil do několika větví, které splňují vždy některé z těchto požadavků, ale přináší i určité nevýhody. Jaké jsou krátkodobé výhledy magnetických disků a proč nejsou vhodné i pro notebooky.

V základu máme tři běžně dostupné technologie pro ukládání dat – optickou v podobě CD, DVD nebo Blu-ray disků, polovodičovou v podobě SSD a magnetickou v podobě HDD. O překonání optických disků vám určitě moc vyprávět nemusím, jejich nevýhody už dávno vysoce převýšily výhody. A tak se dnes utkávají polovodiče s magnetismem a každý nabízí svoje výhody – SSD jsou především velice rychlé a výkonné, odolné a tiché, protože nepoužívají pohyblivé části, a jejich kapacita může narůstat do závratných výšin. Ovšem nevýhody jsou stejně zřetelné – omezená životnost kvůli počtům zápisů do paměťových buněk a stále ještě vysoká cena jak za absolutní velikost, tak přepočtená na palec čtverečný. U HDD je situace téměř přesně opačná – levná a prověřená technologie, která nabízí velice levně relativně velký datový prostor. Máme tu však problém – magnetický zápis dat rozvíjíme tak dlouho, že pomalu začínáme narážet na fyzikální omezení ve směru miniaturizace.

Dále zvyšovat hustotu zápisu už je dnes u magnetických disků prakticky nemožné. Máme normované velikosti skříní – 2,5'' a 3,5'' – a v nich obvykle 1 - 2 plotny. Co dál? Hitachi (vlastněné firmou Western Digital) plní některé disky heliem, který umožňuje přiblížit datové plotny blíže k sobě, takže se jich do stejné skříně vejde už sedm (v případě 3,5" disků). Každopádně podobné disky budou ještě zranitelnější a budou mít nižší odolnost vůči otřesům a vibracím. Pro notebooky nepraktické.

U Seagate jako první (a u WD v nejbližší době) proto vymysleli nový způsob, jak obejít fyzikální omezení hustoty zápisu. Věc se má tak, že dnes jsme se dostali na samou hranici šířky stopy – zatím neumíme udělat zapisovací hlavu užší a vytvořit užší stopy, tedy zmagnetizovat méně materiálu, hranice bylo dosaženo při zavádění kolmého zápisu před pár lety. Ovšem číst, zda je stopa zmagnetizovaná nebo ne, to dokážeme i na mnohem užší stopě, než jak ji dokážeme zapsat – a nápad byl na světě. Stopy při zápisu by se mohli částečně překrývat, jako se překrývají tašky nebo šindele na běžné střeše. První stopa má tedy standardní šířku, druhá ovšem zhruba polovinu její šířky přemaže a tak dále. Čtecí hlava může být velice úzká, dnes tedy o polovinu oproti zapisovací, takže si se zúženou stopou v klidu poradí. A disky s cca o třetinu větší kapacitou jsou na světě. Technologii se říká SMR - Shingled Magnetic Recording, tedy šindelový magnetický zápis.

Mají ovšem i svá, poměrně velká specifika. Asi vás už napadlo, že zápis do prázdných sekcí bude bez problému, ale co když chceme upravovat a „přepisovat už zapsaná data? Je to opravdu problém, disk se chová trochu jako optická média – je rozdělen do jednotlivých „zón“ a s těmi se pracuje jako s celkem. Aktuální disky používají obvykle zóny o velikosti 256 MB a při změně dat na jedné z nich je ji potřeba přepsat celou. Disk je tedy poměrně výkonný ve čtení a sekvenčním zápise, ovšem při požadavcích na náhodný zápis jdou jeho výkonové parametry velice rychle dolů.

Výrobci to po konstrukční stránce řeší tak, že část disku používá zápis standardní a je určena jako taková „cache paměť“ pro zápis dat během větších požadavků (neplésti s cache u hybridních disků nebo vyrovnávacím bufferem), v „klidnějším čase“ pak z cache části přesouvá data tam, kam dlouhodobě patří, přičemž přepisuje celé velké zóny dat.

Marketingově výrobci uvádí, že se jedná o disky vhodné k archivaci dat, ne k jejich častému používání. Jsou tedy vhodnější do sestav s SSD, do NAS pro ukládání fotek, filmů a hudby. Naopak se nedoporučuje je umisťovat do RAID polí, pole s větším počtem disků by snadno mohlo vyhodnotit šindelový disk jako vadný kvůli velkým prodlevám během náhodného zápisu. Mimochodem, podle některých recenzí a testů jde ve specifických situacích (obvykle při záměrném testování) dostat disk do stavu, kdy je jeho reakční doba v řádu minut! Ačkoliv je takovýto disk naprosto nevhodný přinejmnenším jako systémový, existují i první SMR disky pro notebooky.

Šindelové disky převzali jednu věc i z oblasti SSD – totiž nutnost rozsáhlého managementu práce s daty – jejich ukládání do mezipaměti, vyhodnocování, kdy data zapisovat rovnou a přepisovat s nimi celou zńu apod. Podle toho se také dnes rozeznávají 3 typy šindelových disků – Drive managed, tedy disky, které se operačnímu disku jeví jako obyčejný disk a on s nimi tak zachází. Veškerá správa dat je pak na firmwaru. Tento typ je nejvíce náchylný k zahlcení daty a prudkým a výrazným propadům výkonu.

Druhým typem jsou Host-aware, které by měl jako takové rozeznávat operační systém a podle toho mu dávkovat data pro zápis do zón. Systém by měl například rozeznat, kdy mohou být data zapsána rovnou do zón a kdy je třeba využít cache. Pro systémy bez podpory těchto disků by se ovšem disk jevil jako Drive-managed a podobně by se i choval.

Třetím druhem jsou Host-managed disky, které už budou záviset pouze na systému, který je využívá, ať už to budou operační systémy, nebo aplikace s přímým přístupem k diskům, např velké databáze apod.

Kvůli druhému a třetímu typu disků, v nichž spíše leží budoucnost, se už připravují nové sady příkazů pro SCSI (Zone Block Command set) a pro ATA (SATA) - Zone ATA Command set.

Vzhledem ke složitostem vývoje následovníků magnetické technologie, například typu HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) se v blízké budoucnosti očekává poměrně velké rozšíření šindelových disků, byť spíše v „archivovacích“ aplikacích, NAS nebo jako druhý disk ve velkých sestavách. Do notebooků bude pravděpodobně jejich cesta delší a složitější a budou využívány jen zřídka. Přeci jen se setrvale klesající cenou SSD bude pro malé a do budoucna i levné notebooky jednodušší i praktičtější využívat M.2 SSD.