Všetci to poznáme, ten nepríjemný pocit, keď nám počítač alebo domáce úložisko oznámi, že disk je plný. V dnešnej dobe digitálnej explózie, keď fotografie majú desiatky megabajtov a hry zaberajú stovky gigabajtov, je boj o voľné miesto každodennou realitou. Neustále hľadáme spôsoby, ako uchovať viac spomienok a dôležitých dát bez toho, aby sme museli investovať do drahých serverových riešení alebo neustále mazať staré súbory, ku ktorým máme citovú väzbu.
Práve tu vstupuje do hry technologická inovácia, ktorá zmenila pravidlá hry v oblasti hustoty ukladania dát. Ide o metódu, ktorá sa nespolieha na zmenšovanie fyzických komponentov do nekonečna, ale skôr na inteligentnejšie využitie dostupného priestoru na magnetických platniach. Pozrieme sa hlbšie na to, ako inžinieri prekonali fyzikálne bariéry tradičného zápisu a vytvorili systém, ktorý umožňuje diskom dosahovať kapacity, o akých sa nám pred desiatimi rokmi ani nesnívalo.
V nasledujúcich riadkoch odhalíme technické detaily, ktoré sa skrývajú pod kovovým krytom vášho pevného disku. Dozviete sa, prečo je táto technológia kľúčová pre budúcnosť archivácie, aké kompromisy prináša v oblasti rýchlosti a pre koho je vlastne určená. Nebudeme sa kĺzať len po povrchu; prenikneme do mechaniky magnetických stôp a vysvetlíme si, prečo sa váš disk niekedy správa inak, než by ste čakali, keď naň kopírujete veľké množstvo údajov.
Fyzikálne limity tradičného magnetického záznamu
Dlhé roky sa priemysel pevných diskov spoliehal na metódu, ktorú poznáme ako konvenčný magnetický záznam (CMR) alebo kolmý magnetický záznam (PMR). Princíp bol pomerne priamočiary a logický. Dáta sa zapisovali do sústredných kružníc, nazývaných stopy, ktoré boli vedľa seba naukladané s malou bezpečnostnou medzerou.
Tieto medzery medzi stopami slúžili ako ochranná bariéra. Zabraňovali tomu, aby magnetické pole pri zápise do jednej stopy náhodne ovplyvnilo alebo poškodilo dáta v susednej stope. Bolo to bezpečné, spoľahlivé a rýchle riešenie.
Problém však nastal, keď sme narazili na fyzikálne hranice. Aby sme na rovnako veľkú platňu dostali viac dát, museli sme stopy zužovať. Tu však narážame na takzvaný superparamagnetický limit, kedy sa magnetické zrná stávajú tak malými, že strácajú schopnosť udržať si svoju magnetickú orientáciu, a teda aj uloženú informáciu.
Efektívne zvyšovanie kapacity už nie je možné len prostým zmenšovaním magnetických zŕn, pretože pri určitej hranici sa stávajú tepelne nestabilnými a dáta by sa mohli samovoľne vymazať, čo si vyžiadalo zmenu v architektúre ukladania stôp.
Inžinieri museli prísť s riešením, ktoré by umožnilo vtesnať viac stôp na palec (TPI – Tracks Per Inch) bez toho, aby sa ohrozila integrita dát. Odpoveďou nebolo zmenšenie samotných dátových bitov, ale zmena spôsobu, akým sú tieto stopy usporiadané vedľa seba.
Architektúra prekrývania stôp ako pri šindľoch
Základná myšlienka technológie SMR vychádza z jednej dôležitej asymetrie v konštrukcii čítacích a zapisovacích hláv pevného disku. Zapisovacia hlava je fyzicky širšia a robustnejšia než čítacia hlava. Je to dané potrebou vytvoriť dostatočne silné magnetické pole na trvalý zápis informácie do média.
Čítacia hlava naopak môže byť, a aj je, výrazne užšia. Stačí jej totiž snímať len úzky stredový pruh magnetickej stopy, aby dokázala bezchybne prečítať uložené dáta. Tento rozdiel vo veľkostiach hláv bol kľúčom k objavu SMR.
V tradičnom systéme CMR bola šírka stopy definovaná šírkou zapisovacej hlavy. To znamenalo, že aj keď čítacia hlava potrebovala len zlomok tejto šírky, zvyšok priestoru bol v podstate "nevyužitý" z hľadiska hustoty čítania, slúžil len pre potreby zápisu.
Technológia Shingled Magnetic Recording tento princíp mení. Namiesto toho, aby sa stopy kládli vedľa seba s medzerami, nová stopa sa čiastočne prekrýva s tou predchádzajúcou. Pripomína to kladenie šindľov na strechu domu, kde každá ďalšia rada čiastočne zakrýva tú pod ňou.
Týmto spôsobom zostáva z predchádzajúcej stopy prístupná len tá časť, ktorá je potrebná pre úzku čítaciu hlavu. Široká zapisovacia hlava tak môže stále vykonávať svoju prácu s potrebnou intenzitou, ale výsledná efektívna šírka stopy na disku je oveľa menšia.
Vďaka tomuto "šindľovaniu" sa na rovnako veľkú plochu platne zmestí o 25 % až 50 % viac stôp. To je obrovský skok v kapacite bez nutnosti vyvíjať nové materiály pre samotné magnetické platne.
Zónovanie disku a organizácia dát
Prechod na prekrývanie stôp však prináša zásadnú komplikáciu pri správe dát. Ak by ste chceli prepísať údaje v jednej konkrétnej stope uprostred "šindľovej" štruktúry, široká zapisovacia hlava by nevyhnutne poškodila dáta v nasledujúcej prekrývajúcej sa stope.
Aby sa tomuto zabránilo, SMR disky nie sú organizované ako jeden súvislý blok prekrývajúcich sa stôp. Namiesto toho je povrch disku rozdelený do menších celkov, ktoré nazývame pásma alebo zóny (bands).
Každá zóna obsahuje určitý počet prekrývajúcich sa stôp. Medzi týmito zónami sa nachádzajú ochranné medzery, ktoré izolujú jednu skupinu šindľov od druhej. To umožňuje disku manipulovať s dátami v rámci jednej zóny bez toho, aby to ovplyvnilo zvyšok disku.
- Sekvenčný zápis: Dáta sa musia do zóny zapisovať postupne, stopa po stope.
- Zákaz náhodného prepisu: Nie je možné len tak zmeniť jeden sektor uprostred zóny bez následkov.
- Nutnosť čítania a zápisu: Pri zmene dát sa musí načítať celá zóna a následne sa celá znova zapísať.
Tento proces je výpočtovo náročný a vyžaduje si sofistikovaný firmvér, ktorý riadi, kam sa dáta ukladajú a kedy sa vykonáva reorganizácia údajov.
Výzva menom "Read-Modify-Write"
Keď sa používateľ alebo operačný systém pokúsi zmeniť existujúci súbor na SMR disku, nedeje sa to priamo na pôvodnom mieste. Keďže nemôžeme prepísať strednú stopu bez zničenia tej nasledujúcej, disk musí vykonať operáciu známu ako "Read-Modify-Write" (Načítať-Upraviť-Zapísať).
Proces vyzerá nasledovne:
- Disk načíta celú dotknutú zónu (niekoľko megabajtov dát) do svojej vyrovnávacej pamäte.
- V pamäti sa vykoná požadovaná zmena konkrétnych dát.
- Celá zóna sa sekvenčne, stopu po stope, zapíše späť na disk.
Toto je dôvod, prečo môžu byť SMR disky pri náhodných zápisoch výrazne pomalšie než ich CMR predchodcovia. Kým pri CMR stačí prejsť nad sektor a zmeniť ho, pri SMR sa spúšťa reťazová reakcia presunov dát.
Penalizácia výkonu pri náhodnom zápise je hlavnou daňou za vyššiu kapacitu, pretože jednoduchá zmena malého súboru môže interne vyvolať potrebu prečítať a znovu zapísať obrovské množstvo okolitých dát.
Aby sa tento dopad minimalizoval, výrobcovia implementujú rôzne stratégie. Najčastejšou je použitie takzvanej Media Cache. Je to vyhradená oblasť na disku, ktorá nepoužíva šindľový zápis, ale klasický CMR zápis.
Úloha Media Cache a prekladových tabuliek
Keď na SMR disk posielate nové dáta, disk sa ich v prvom rade snaží zapísať do tejto rýchlej CMR oblasti (Media Cache). Pre operačný systém to vyzerá, že zápis prebehol bleskovo. Disk následne v čase nečinnosti (idle time) presúva tieto dáta z dočasnej cache do trvalých šindľových zón.
Tento proces sa deje na pozadí a používateľ o ňom zvyčajne nevie. Problém nastáva v momente, keď posielate na disk obrovské množstvo dát naraz a zaplníte túto rýchlu cache. Vtedy musí disk začať zapisovať priamo do SMR zón alebo súčasne vyprázdňovať cache, čo vedie k drastickému poklesu rýchlosti, niekedy až na úroveň starých diskiet.
Dôležitou súčasťou tohto systému je aj prekladová vrstva (Indirection Layer). Operačný systém si myslí, že dáta sú na sektore X, ale disk ich fyzicky uložil na sektor Y v rámci cache alebo inej zóny. Disk si udržiava komplexnú mapu týchto presmerovaní.
Tabuľka 1: Porovnanie technológií CMR a SMR
| Vlastnosť | CMR (Conventional Magnetic Recording) | SMR (Shingled Magnetic Recording) |
|---|---|---|
| Usporiadanie stôp | Stopy sú oddelené medzerami, neprekrývajú sa. | Stopy sa čiastočne prekrývajú ako šindle. |
| Hustota dát | Nižšia hustota na platňu. | O 25-50 % vyššia hustota na platňu. |
| Zápis | Možný priamy náhodný zápis do ľubovoľného sektora. | Vyžaduje sekvenčný zápis; náhodný zápis je komplikovaný. |
| Výkon | Stabilný a predvídateľný pri všetkých operáciách. | Rýchly pri krátkych dávkach (vďaka cache), pomalý pri dlhom zápise. |
| Cena za TB | Zvyčajne vyššia. | Zvyčajne nižšia (ekonomicky výhodnejšie). |
| Vhodné použitie | Systémové disky, databázy, NAS s častým zápisom. | Archivácia, zálohy, "Cold Storage", WORM (Write Once Read Many). |
Typy implementácie SMR technológie
Nie je SMR ako SMR. Spôsob, akým disk komunikuje s hostiteľským systémom (počítačom alebo serverom) o svojej šindľovej povahe, zásadne ovplyvňuje jeho správanie a vhodnosť použitia. Existujú tri hlavné prístupy k riadeniu tohto procesu.
Prvým a najbežnejším v spotrebiteľskom segmente je Drive-Managed SMR (DM-SMR). V tomto prípade sa disk tvári voči počítaču ako úplne štandardný disk. Všetku komplexnú logiku prekrývania, presúvania dát a čistenia cache rieši samotný radič disku. Operačný systém o ničom nevie.
Výhodou je kompatibilita – takýto disk zapojíte kamkoľvek. Nevýhodou je nepredvídateľnosť výkonu. Keď sa disk rozhodne robiť "upratovanie" (Garbage Collection), systém môže zaznamenať odozvy trvajúce aj sekundy, čo môže spôsobiť problémy napríklad v poliach RAID.
Druhým typom je Host-Managed SMR (HM-SMR). Tu disk otvorene priznáva svoju architektúru. Operačný systém musí presne vedieť, že pracuje so SMR diskom a musí dodržiavať prísne pravidlá – zapisovať len sekvenčne. Ak sa systém pokúsi o náhodný zápis, disk vráti chybu. Toto riešenie vyžaduje špeciálny softvér a súborové systémy, používa sa výhradne v podnikových dátových centrách.
Tretím, hybridným prístupom, je Host-Aware SMR (HA-SMR). Disk je spätne kompatibilný a zvládne aj "nesprávne" príkazy, ale informuje systém o svojej štruktúre, takže optimalizovaný softvér môže výkon výrazne zlepšiť.
Kým spotrebiteľské disky skrývajú svoju SMR podstatu za zložitý firmvér, v profesionálnom prostredí sa preferuje plná kontrola operačného systému nad tým, kedy a kam sa dáta fyzicky uložia.
Tabuľka 2: Prehľad typov riadenia SMR
| Typ SMR | Kto riadi zápis? | Kompatibilita | Typické použitie |
|---|---|---|---|
| Drive-Managed (DM) | Firmvér disku | Plug & Play (všade) | Domáce PC, externé USB disky, lacné archívne disky. |
| Host-Managed (HM) | Operačný systém | Vyžaduje špeciálny OS/SW | Enterprise dátové centrá, cloudové úložiská (Dropbox, AWS). |
| Host-Aware (HA) | Kombinácia | Funguje všade, profituje z podpory OS | Prechodné riešenia, špecializované servery. |
Vplyv na diskové polia a NAS zariadenia
Jednou z najdiskutovanejších tém v IT komunite bolo tiché nasadenie DM-SMR technológie do diskov určených pre NAS (Network Attached Storage). Používatelia, ktorí v dobrej viere kúpili disky do svojich domácich serverov, narazili na vážne problémy pri obnove poľa RAID.
Pri obnove RAID poľa (resilvering) dochádza k intenzívnemu a dlhotrvajúcemu zápisu na disk. DM-SMR disky v takejto záťaži rýchlo zaplnia svoju CMR cache a následne sa ich výkon prepadne na kriticky nízku úroveň. Radič RAID poľa môže takýto spomalený disk vyhodnotiť ako chybný a vyhodiť ho z poľa, čím sa zvyšuje riziko straty dát.
Preto je nesmierne dôležité pri výbere disku do NAS overiť, či ide o CMR alebo SMR technológiu. Pre bežné zálohovanie jedného počítača na externý disk je SMR skvelé a lacné riešenie. Pre zložité diskové polia so ZFS alebo softvérovým RAIDom je však SMR (najmä DM-SMR) často nevhodné.
Ekonomický a ekologický rozmer
Prečo sa teda SMR vyrába, keď má toľko technologických "ale"? Odpoveďou sú peniaze a spotreba energie. Dátové centrá gigantov ako Google, Facebook či Microsoft potrebujú ukladať exabajty dát. Väčšina z týchto dát sú tzv. "cold data" – fotky spred piatich rokov, staré emaily, videá, ktoré nikto nepozerá.
Tieto dáta sa zapíšu raz a potom sa len občas čítajú. Pre tento scenár je SMR dokonalé. Poskytuje vyššiu kapacitu v rovnakom fyzickom obale (3,5 palca) a pri rovnakej spotrebe energie na točenie platní.
Z pohľadu celkových nákladov na vlastníctvo (TCO) je SMR technológia pre cloudových poskytovateľov kľúčová, pretože umožňuje znížiť cenu za terabajt a zároveň šetriť energiu potrebnú na chladenie a prevádzku serverov.
Ak dokážeme na jeden disk vtesnať 20 TB namiesto 16 TB, potrebujeme menej diskov, menej slotov v serveroch a menej elektriny na dosiahnutie rovnakej celkovej kapacity. Pre domáceho používateľa to znamená dostupnejšie externé disky pre zálohovanie rodinných archívov.
Budúcnosť a ďalší vývoj
SMR nie je konečnou stanicou. Je to skôr premostenie k ešte pokročilejším technológiám. Výrobcovia už dnes kombinujú SMR s technológiami energeticky asistovaného magnetického záznamu (EAMR), ako sú HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) alebo MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording).
Tieto technológie umožňujú ešte viac zmenšiť magnetické zrná a v kombinácii so šindľovým prekrývaním stôp smerujeme k diskom s kapacitami 30, 50 a viac terabajtov. SMR princíp tu pravdepodobne zostane ako voliteľná vrstva pre maximalizáciu hustoty v archívnych systémoch.
Je dôležité vnímať SMR nie ako "horšiu" technológiu, ale ako "špecializovanú" technológiu. Rovnako ako by ste nepoužili kamión na preteky F1, nemali by ste používať SMR disk na beh databázy s vysokou transakčnou záťažou. Ak však hľadáte digitálny sklad, je to efektívne riešenie.
Správne pochopenie účelu SMR diskov je polovicou úspechu; sú to vynikajúci služobníci pre archiváciu a sekvenčné čítanie, ale môžu byť zlými pánmi, ak ich nasadíte do prostredia s intenzívnym náhodným zápisom.
Vďaka tejto inovácii môžeme naďalej držať krok s exponenciálnym rastom dát, ktoré ľudstvo generuje, a to za cenu, ktorá je pre trh akceptovateľná. SMR nám kupuje čas a priestor, kým sa neobjavia úplne nové princípy ukladania informácií, možno na báze DNA alebo holografie.
Často kladené otázky (FAQ)
Ako zistím, či je môj pevný disk SMR alebo CMR?
Výrobcovia v minulosti túto informáciu často neuvádzali priamo na obale. Najspoľahlivejším spôsobom je vyhľadať presné modelové číslo disku na webovej stránke výrobcu v technických špecifikáciách (datasheet). Existujú aj komunitou spravované zoznamy SMR diskov na internete.
Môžem použiť SMR disk na hranie hier?
Áno, na hranie hier je SMR disk zvyčajne v poriadku. Hry sa na disk inštalujú raz (zápis) a potom sa predovšetkým čítajú (načítavanie levelov, textúr). Keďže rýchlosť čítania SMR diskov je porovnateľná s CMR diskami, pri hraní by ste nemali pocítiť rozdiel. Spomalenie môže nastať len pri sťahovaní a inštalácii veľkých aktualizácií.
Je SMR disk menej spoľahlivý ako CMR disk?
Z hľadiska životnosti mechanických častí a magnetickej vrstvy nie je medzi nimi zásadný rozdiel. Avšak, SMR disky musia vykonávať viac práce pri zápise (čítanie-modifikácia-zápis), čo teoreticky zvyšuje záťaž. Pri správnom použití na archiváciu sú však veľmi spoľahlivé.
Prečo je môj nový externý disk pri kopírovaní najprv rýchly a potom spomalí?
Toto je klasické správanie SMR disku. Na začiatku sa dáta zapisujú do rýchlej vyrovnávacej pamäte (Media Cache). Keď sa táto pamäť zaplní, disk musí začať zapisovať priamo do šindľových stôp, čo je pomalší proces, a rýchlosť prenosu preto klesne.
Je SMR technológia vhodná pre systémový disk s Windows?
Neodporúča sa to. Operačný systém neustále vykonáva množstvo malých náhodných zápisov (logy, dočasné súbory, registre). To je presne ten typ záťaže, ktorý SMR diskom nesvedčí a môže viesť k "sekaniu" celého systému. Pre systémový disk je dnes jednoznačnou voľbou SSD.
Čo znamená skratka "Trim" pri SMR diskoch?
Príkaz TRIM, ktorý poznáme hlavne z SSD diskov, sa začína používať aj pri SMR. Umožňuje operačnému systému povedať disku, ktoré bloky dát už nie sú potrebné (boli vymazané). Disk tak vie, že tieto oblasti nemusí pri reorganizácii zón presúvať a udržiavať, čo zefektívňuje jeho prácu a zvyšuje výkon.
